Yüksek performanslı Solar-güçlü Uçak için Elektrikli Taht Sistemleri Tasarlamak
Yüksek-Altitude Solar Electric Propulsion
Yüksek performanslı güneş destekli uçaklar için elektrik tahriki, atmosferik sürüklenme ve daha düşük sıcaklıklara karşı bir araya geldiğinde, bu tür araçlar için tahrik sistemi derin bir öneme sahip olmalıdır.Bu uçak stratosphere'de çalışır, genellikle 15,000 ve 25 metre arasında, bu alanı şekillendiren yüksek enerjiler ve gelecekteki yönlerden oluşur.
Core Design Thinkations
Kilo Minimization
Kilo, yüksek çözünürlükte güneş uçakları tasarımının en kritik faktörüdür. Her gram tahrik sistemine doğrudan yük kapasitesi, uçuş dayanıklılık veya ulaşılabilen yüksek irtifalar için yüksek enerji verimliliği, pervaneler ve çelik yüzeyler için kullanılırken, hidrolik-fiberler ve titanyumlar genellikle motorlu kablolar ve pervane milisleri için kullanılırken, magnezyum alaşımları ek olarak, non-kron olmayan bileşenler için daha düşük yoğunluk sunar.
Güç Yönetimi ve Enerji Depolama
Güneşli uçaklar gece boyunca çalışmalıdır, verimli bir enerji depolama sistemi gerektirir. Piller yüksek özel enerji (Wh/kg) şarj/discharge döngüleri sırasında kayıpları en aza indirmek için yüksek verimlilikle bir araya gelmelidir. Güç yönetimi sistemi aynı zamanda maksimum güç noktası pistleri (MPPT) güneş paneli çıkışlarını farklı irradiance ve sıcaklık koşulları altında optimize etmek için.
Güneş Panel Entegrasyonu
Güneş hücreleri, başlangıçta uzay uygulamaları için gelişmiş,% 30'un üzerinde yoğun güneş ışığı altında dönüşüm efficileri elde etmek için kullanılır. Ancak, yüksek irtifalarda, atmosferik bir saç kurutma nedeniyle, hücrelerin belirli geri yükleme koşullarını gerektiren bir ayarlanma koşulları için ayarlanması gerekir. Monokristal silikon hücreleri genellikle% 22-24'nin üzerindeki effici maliyetlerle daha düşük maliyetli bir alternatif sunar.
Motor ve Pereller Verimliliği
Elektrikli motor, yüksek enerji tüketimine doğrudan bağlı olarak yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunuyor.
Enabling Technologies
Gelişmiş Güneş Hücreleri
Yüksek çözünürlükte güneş uçakları için mevcut olan en verimli güneş hücreleri standart test koşullarından daha yüksek oranda verim elde edebilir ve hatta daha yüksek çözünürlükte bulunan güneş hücreleri, NASA'nın Helios prototipinde kullanılan üçlü güneş verimliliğine doğrudan yüzde 34 oranında ulaşır (GaP).Bu hücreler yüksek irtifalarda, mavi ve ultraviyole ışık artışlarının yüksek oranda artmasıyla birlikte, daha düşük çözünürlükte %30 daha düşük çözünürlükte (CIGS) Güneşli hücrelere ulaşır.
Yüksek Enerjili Piller
Lityum-polimer (LiPo) bataryaları yüksek enerji yoğunlukları nedeniyle prototip güneş uçaklarında yaygın olarak kullanılır ve yüksek deşarjları sunma yeteneğine sahiptir. Modern LiPo hücreleri 250-300 Wh/kg'da hala dayanıklılık görevleri için, lityum-iyon aküleri uçuş testlerine karşı 350-400 Wh/kg'a kadar itilir, ancak yüksek enerji ısıtılırken, özellikle de yüksek enerji ısıtılırken, yüksek çözünürlükte ısıtılabilir güvenlik ve daha uzun süre şarj edilebilir.
Düz ekran ve Axial-Flux Motors
BLDC motorları yüksek verimlilik, düşük bakım ve mükemmel kontrol edilebilirlik sunar. Yüksek çözünürlükte güneş uçakları için, motor, ısı dağılımının azaltıldığı soğuk, ince bir atmosferde güvenilir şekilde çalışır. Sıvı soğutma motorları yüksek enerjili motorlar için gerekli olabilir, ancak ağırlık ve karmaşıktır. Axial-flux motorları özellikle de caziptir, çünkü onların planlayıcı geometrisi, motorun geniş bir akışta entegre olmasını sağlar ve mekanik kayıplar için gerekli olan.
Power Electronics ve Controllers
Verimli enerji dönüşümü ve kontrolü, güneş panellerinden pillere ve motora kadar enerji akışını en üst düzeye çıkarmak için gereklidir. motor için maksimum güç noktası, motordaki harmonik kayıpların motordaki artışları azaltmak için yüksek geçişli frekansları kontrol etmelidir.Roma nitrit (GaN) ve silikon (SiC) güç transistörleri giderek daha düşük kayıplarda enerji tasarrufu sağlamak için daha yüksek oranda hızlayıcılar kullanıyor çünkü daha yüksek oranda ısıtıyor.
Termal Yönetim Sistemleri
Kontrollü stratospheric havadaki ısıyı yönetmek önemli bir meydan okumadır. Heat lavabos convective soğutmaya güvenir, bu da yüksek enerjili bileşenler için daha az etkili olsa da, mühendisler sık sık iki fazlı çalışma sıvılarını iki fazlından uzak ısıtabilir ve yüksek güneş ışınlarını radyatörlere veya havadan uzaklaştırmalarını azaltırlar.
Sistem Entegrasyonu ve Kontrolü
Propulsion sistemi izolasyonda çalışmaz; uçağın uçuş kontrol sistemi, güneş paneli dizileri ve ödeme yükleri ile sıkı bir şekilde entegre edilmelidir. Merkezi bir enerji yönetimi bilgisayarı (EMC) bir gecede enerji tasarrufu sağlamak için güneş ışınlarını izlemek ve yük yük tüketimlerini gerçek zamanlı olarak ödemek için. EMC, bataryayı şarj etmek için tahmin edilebilir algoritmaları kullanarak, her zaman şarj etmek için ne kadar güç kullanıyor ve 476'ya kadar tırmanmak için zaman harcıyor.
Motor için kontrol yasaları, aynı havadaki eğimli tırmanma için hesaba katmalıdır. Uçaklar tırmanmaya başladığında, pervanelerin uçuş aşamalarında optimal verimliliği sağlamak için motor kontrollerini gerektirir.Uzmanlık aynı hava taşımaya da ihtiyaç duyar.
Tasarım Challenges
Yüksek Altitude'ta Yapısal Dürüstlük
Uçak yapısı, - 0,5C'den +50°C'ye kadar değişen aşırı sıcaklıklara katılmalıdır, yoğun ultraviyole radyasyona ve yüksek aerodinamik yüklere binme ve mikro-kökemelere karşı dirençli olmalıdır. Propulsion system's installed fiber points, yorulma ve sertliğe neden olabilecek sonlu elemanlar analizini kullanır.
Enerji Dengesi ve Endurance
24 saatlik bir döngü üzerinde net pozitif enerji, bataryayı şarj etmek ve motoru gece boyunca optimize etmek için günde yeterince güneş enerjisi elde etmek.Ancak, daha kısa günler ve daha düşük güneş yolu boyunca, daha büyük güneş lekeleri veya daha düşük enerji tüketimi için daha yüksek performanslı bir uçak, elpsoidal kanatlar veya güneş panelleri çalıştırıyor.
İnce Havalimanları
Daha önce de belirtildiği gibi, yüksek irtifalarda ısınıyor. Power elektronik, verimlilik kaybı veya başarısızlığı önlemek için kaldırılacak ısı üretiyor. Örneğin, bir motor kontrol cihazı, 20 km yüksek çözünürlükte 100 W'yi yüksek bir pompa ve radyatör ile birlikte ısınıyor, ancak pompanın kendisi enerji tükettiği ve yüksek riskli bir şekilde ayarlanan güneş yükleme noktalarıyla birlikte sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık ısı pompası ve radyatör kullanılabilir.
Reliability ve Redcysol
Yüksek çözünürlükte güneş uçakları son derece uzun vadeli uçuşlar için tasarlanmıştır, bazen kalıcı aylar. Tüm tahrik bileşenleri hata bileşeni ile kanıtlanmış güvenilirlikleri olmalıdır (MTBF) Görev süresini aşmayı sağlamak. Redplacecy kritik bileşenler için önemlidir: çift motor rüzgarları, kırmızı yedek kontrol kanalları ve birden fazla batarya dizeleri.Bu hata sistemi hatalı ortamlarda dikkatli bir şekilde test gerektirir ve sistemi uçuşa devam etmek için sistemi yeniden yapılandırır. Örneğin, bir motor aşaması başarısız olursa, kontrol cihazı iki fazlında çalışır.
Future Outlook
Önümüzdeki on yıl muhtemelen yüksek çözünürlükte güneş uçakları için elektrik tahriklerinde önemli ilerlemeler görecek. Ultra ışıklı malzemelere araştırma, grafiken-enhanced kompozitler ve aerogels gibi, yüksek sıcaklıklarda daha fazla güç kaybedecektir.
Gelişen uygulamalar, kalıcı telekomünikasyon röpekleri, hiperspectral Dünya gözlemleri, iklim araştırması için atmosfer örneği ve uzak bölgelere hızlı internet erişimi sağlar.Uzmanlık gibi ticari girişimler, Airbus Zephyr ve BAE Systems, bu uçağın daha önce farklı yük kitleleri ve güç seviyelerini desteklemek için daha modüler ve ölçeklenebilir hale gelecektir.
Güneş paneli teknolojisindeki daha ayrıntılı arka plan için bu uygulamalarda kullanılan ►FLT:0) Aşırı çözünürlükte güneş hücreleri ) . Battery performans kriterleri, yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte bulunan yüksek çözünürlükte uçuşun yapısal zorlukları ile kaplıdır.