Introduzione alla propulsione elettrica solare ad alta quota

La propulsione elettrica per gli aerei ad alta quota a energia solare rappresenta una convergenza dell'ingegneria aeronautica, della scienza dei materiali avanzata e dell'elettronica di energia rinnovabile. Questi aerei operano nella stratosfera, tipicamente tra i 15 e i 25.000 metri, dove possono raccogliere abbondante energia solare, mentre affrontano ridotte temperature atmosferiche e basse temperature.

Considerazioni di progettazione del core

Minimizzazione del peso

Il peso è il fattore più critico nella progettazione di aeromobili solari ad alta quota. Ogni grammo aggiunto al sistema di propulsione riduce direttamente la capacità di carico, la resistenza dei voli o l'altitudine raggiungibile. Gli ingegneri devono selezionare materiali leggeri per motori, eliche e supporti strutturali. I compositi a fibra di carbonio e leghe di titanio sono spesso utilizzati per le abitazioni dei motori e gli alberi di elica, mentre leghe di magnesio offrono una densità ancora inferiore per i componenti elettronici non critici.

Gestione e stoccaggio dell'energia

Le batterie devono combinare alta energia specifica (Wh/kg) con alta efficienza per ridurre al minimo le perdite durante i cicli di carica/scarica. Il sistema di gestione dell'energia include anche i tracker di punti di potenza massimi (MPPT) per ottimizzare l'uscita del pannello solare in condizioni di irradiazione e temperatura variabili.

Integrazione pannelli solari

Le cellule solari devono essere integrate nelle superfici di ala e fusoliera senza aggiungere peso significativo o influire sull'aerodinamica. Le cellule multigiunti ad alta efficienza, originariamente sviluppate per applicazioni spaziali, sono spesso utilizzate perché raggiungono le efficienze di conversione superiori al 30% sotto la luce solare concentrata.

Efficienza del motore e del motore

Il motore elettrico deve fornire una coppia elevata a basse velocità di rotazione per guidare un'elica di grande diametro ottimizzata per l'aria sottile della stratosfera. L'efficienza è fondamentale perché qualsiasi perdita del motore o dell'elica si traduce direttamente in un consumo energetico più elevato, riducendo la resistenza.

Tecnologie di abilitazione

Celle solari avanzate

Le cellule solari più efficienti disponibili per gli aeromobili solari ad alta quota sono cellule composte da 3 V multi-giunzione, come quelle basate su arsenide di gallio (GaAs) e fosforo di gallio indio (InGaP), che possono raggiungere le efficienze superiori al 30% in condizioni di prova standard, e anche maggiore efficienza in luce concentrata.

Batterie ad alta energia

Le batterie al litio-polimero (LiPo) sono ampiamente utilizzate in prototipo di aeromobili solari a causa della loro elevata densità energetica e capacità di fornire elevate correnti di scarico.Le moderne cellule di LiPo raggiungono energie specifiche intorno a 250-300 Wh/kg. Per missioni di resistenza più lunghe, batterie agli ioni di litio con carica di silicio stanno spingendo verso 350-400 Wh/kg, mentre le batterie allo stato solido promettono valori ancora più elevati (500-600 Wh/kg ciclo di sicurezza migliorati.

Motori DC e Axial-Flux senza spazzole

I motori BLDC offrono un'elevata efficienza, una bassa manutenzione e un'eccellente controllabilità. Per gli aeromobili solari ad alta quota, il motore deve operare in modo affidabile in un'atmosfera fredda e sottile dove la dissipazione termica è ridotta. Il raffreddamento liquido può essere necessario per i motori ad alta potenza, ma aggiunge peso e complessità. I motori a flusso assiale sono particolarmente attraenti perché la loro geometria planare consente di essere integrato nel mozzo del propulsore, eliminando la necessità di riduzione del motore di una riduzione del cambio.

Elettronica e Controller di Potenza

I trasduttori di potenza massimi (MPPT) che utilizzano convertitori di cofano o di risonanza possono raggiungere efficienze superiori al 98%. Il controllore del motore deve fornire un'accelerazione liscia e frenata rigenerativa per recuperare energia durante la discesa o quando si riduce il passo dell'elica.

Sistemi di gestione termica

La gestione del calore nell'aria stratosferica sottile è una sfida significativa. I dissipatori di calore si affidano al raffreddamento convettivo, che è meno efficace a bassa densità di aria. Gli ingegneri spesso utilizzano tubi di calore passivi riempiti con fluidi di lavoro a due fasi per trasportare il calore lontano da energia elettronica e motori leggeri a superfici del radiatore sulle ali o fusoliera.

Integrazione e controllo del sistema

Il sistema di propulsione non funziona in isolamento; deve essere strettamente integrato con il sistema di controllo del volo dell'aereo, i pannelli solari e il carico di carico. Un computer di gestione dell'energia centrale (EMC) monitora l'irradiazione solare, lo stato della batteria, la domanda di potenza del motore e il consumo di carico in tempo reale. L'EMC utilizza algoritmi predittivi per decidere quando caricare la batteria, quanta potenza assegnare al motore per la crociera contro il carico e il sistema di sicurezza del volo.

Le leggi di controllo del motore devono essere in grado di determinare la variazione della densità dell'aria con l'altitudine. Come l'aereo sale, la spinta dell'elica diminuisce, richiedendo al controllore del motore di aumentare il RPM per mantenere la stessa velocità d'aria. Il controller deve anche gestire il passaggio dalla salita a energia solare durante il giorno alla discesa a batteria durante la notte.

Sfide di progettazione

Integrità strutturale all'Alta Altitudine

La struttura dell'aereo deve sopportare temperature estreme che vanno da -70°C a +50°C, intense radiazioni ultraviolette e carichi aerodinamici elevati durante la turbolenza. I materiali compositi devono essere resistenti al degrado UV e al micro-cracking. I punti di montaggio del sistema di propulsione subiscono ripetuti cicli di espansione termica che possono causare fatica.

Equilibrio energetico e resistenza

Il risultato di un'energia netta positiva su un ciclo di 24 ore è l'obiettivo fondamentale del design. Questo equilibrio dipende dalla latitudine, dalla stagione, dalla copertura cloud e dal percorso di volo. Durante il solstizio estivo a metà latitudini, un aereo ben progettato può raccogliere abbastanza energia solare durante il giorno per caricare la batteria e alimentare il motore attraverso la notte. Tuttavia, a maggiori latitudini o durante l'inverno, i giorni più brevi e i modelli di esposizione solare ridotta richiedono soluzioni di aumento del consumo di peso.

Gestione termica in Thin Air

Come accennato in precedenza, il raffreddamento convettivo è significativamente ridotto ad altitudini elevate. L'elettronica di potenza genera calore che deve essere rimosso per evitare perdite di efficienza o guasti. Ad esempio, un controllore del motore che dissipa 100 W ad un'altitudine di 20 km richiederebbe un dissipatore di calore circa quattro volte più grande rispetto al livello del mare per raggiungere lo stesso aumento della temperatura.

Affidabilità e ridondanza dei componenti

Tutti i componenti di propulsione devono avere comprovata affidabilità con tempi medi tra guasti (MTBF) superiori alla durata della missione. La ridondanza è essenziale per componenti critici: avvolgimento a doppio motore, avvolgimento a ridondante e a più corde a batteria. Il sistema di controllo del volo deve essere in grado di rilevare un guasto, isolando il componente difettoso e riconfigurando l'esempio di volo ridotto.

Prospettive future

La ricerca in materiali ultraleggeri, come compositi ad alta intensità di grafine e aerogel, ridurrà ulteriormente il peso strutturale. Le batterie allo stato solido con 500+ Wh/kg potrebbero consentire voli annuali a 30 km di altitudine. I motori senza magneti che utilizzano la riluttanza variabile o la tecnologia di riluttanza commutata possono offrire una maggiore efficienza e affidabilità, eliminando i processi di aumento del peso permanente.

Le applicazioni emergenti includono relè di telecomunicazione persistenti, osservazione della Terra iperspettiva, campionamento atmosferico per la ricerca sul clima e copertura internet ad alta velocità per le aree remote.

Per ulteriori dettagli sulla tecnologia dei pannelli solari utilizzati in queste applicazioni, vedi cellule solari multi-giunti]. I parametri di riferimento delle prestazioni della batteria sono tracciati dalla Pagina della tecnologia delle batterie dell'energia .