Analysieren Sie die neun Stromversorgungssysteme von uav

Wenn Drohnen die Flugleistung weiter verbessern sollen, müssen die Batterien kleiner und leichter werden. Wenn es um die Leistungsdichte geht, können wir sehen, dass wir eine bestimmte Grenze erreicht haben. Li-Po- und li-ionen-akkus sind klein und erschwinglich geworden, vor allem aufgrund der Mobiltelefonindustrie. Infolgedessen sind solche Batterien weit verbreitet, und man kann mit Recht sagen, dass die überwiegende Mehrheit (96%) der Drohnen heutzutage Batterien als Energiequelle verwendet.

Das einfache Hinzufügen von Batterien zu einem Drohnen-System verlängert weder die Flugzeit noch die Nutzlastkapazität. Angesichts des Standes der Technik für bestimmte Energiequellen erfordert das Erreichen höherer Nutzlasten und längerer Flugzeiten eine Reihe von Überlegungen: massenspezifische Energie (Energie pro Masseneinheit) und volumenspezifische Energie (Energie pro Volumeneinheit).

Nur an die Energiequelle zu denken, ist nicht der richtige Weg, da das gesamte System (Energie + Antriebssystem) die Flugleistung beeinflusst. Wenn das Antriebssystem wie eine Turbine oder eine Brennstoffzelle sehr schwer ist, hilft eine Quelle mit einer sehr hohen Energiedichte wie Kerosin oder H2 wenig.

Die Antriebseffizienzfaktoren variieren ebenfalls stark: Batteriebetriebene Systeme wandeln 73 Prozent ihrer Energie in Strom um, Brennstoffzellen 44 Prozent und Verbrennungsmotoren nur 39 Prozent.

Ein weiterer Faktor, der den Energieverbrauch beeinflusst, ist die erwartete Mission. Sollten Drohnen länger fliegen oder höhere Lasten tragen? Sollten Drohnen in einem begrenzten Radius oder über entfernten Wolken fliegen? Diese Probleme haben einen großen Einfluss auf den Energieverbrauch, unterschiedliche Betriebsschemata zur Auswahl unterschiedlicher Energiequellen.

Wenn wir Antriebssysteme, Missionen und die Notwendigkeit einer Erhöhung der Energiedichte betrachten, kehren wir zur Quelle zurück. Die folgende Abbildung zeigt die spezifische Energiedichte jeder Quelle auf einer Log-Log-Skala:

Eine Batterie

Ja, wieder Batterien. Batterien haben viele Vorteile: Sie können überall aufgeladen werden, können in den meisten Fällen ohne Einschränkungen transportiert werden und können einfach durch Ersetzen des Batterieblocks ohne Überlauf oder Hitze wieder aufgefüllt werden.

Li-Po und Li-Ion sind die häufigsten Quellen für Drohnen, aber das bedeutet nicht das Ende. Im Vergleich zu Li-Po-Batterien haben Li-Socl2-Batterien mehr als die doppelte Energiedichte pro Kilogramm, während Li-Air-Batterien mehr als die siebenfache Energiedichte pro Kilogramm haben. Beide Batterien sind nicht weit verbreitet, auch weil sie zu teuer sind. Li-s-Batterien könnten aufgrund ihrer hohen Energiedichte und der geringeren Schwefelkosten durch Li-Ionen-Batterien ersetzt werden.

Wasserstoff-Brennstoffzelle

Brennstoffzellen haben viele Vorteile: keine direkte Verschmutzung, kein Schall und sie werden von einer sehr starken Quelle, H2, angetrieben. Vergleichen Sie die Energiedichte von flüssigem H2 mit der einer Lithium-Ionen-Batterie, und der Koeffizient zwischen ihnen beträgt 150! Das allein reicht aus, um Wasserstoffdrohnen auf den Markt zu bringen.

Protonex, eine Einheit von Ballard-Antriebssystemen für Brennstoffzellenentwickler, möchte diese Möglichkeiten nutzen. Insitu, ein Geschäftsbereich des US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtgiganten Boeing, hat kürzlich seine Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) ausgestellt. Boeing stellt langlebige Starrflügeldrohnen in Militär- und Industriequalität wie PhantomEye und ScanEagle her.

FSTDSingapore hat bereits Durchbrüche auf dem Gebiet der Stromversorgungssysteme mit festem Wasserstoffbedarf erzielt. Der Robotikentwickler H3Dynamics hat außerdem seine handgeführte Starrflügeldrohne Hywings vorgestellt, die bis zu 10 Stunden mit einer Reichweite von bis zu 500 km fliegen kann.

Die von HorizonUnmannedSystem gestartete Hycopter-Drohne kann bis zu vier Stunden ohne Last und 2,5 Stunden mit zwei Pfund Last fliegen. Die Drohne eliminiert die energiespeicherung, indem sie ihre "hohle" Struktur verwendet, um Energie als Wasserstoff anstelle von Luft zu speichern.

Das Unternehmen MicroMulticopterAeroTechnology (MMC) für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) brachte kommerzielle Wasserstoff-Brennstoffzellen "Brennstoffzelle" H-1 auf den Markt. Darüber hinaus entwarf und fertigte MMC die weltweit erste wasserstoffbetriebene Drohne, die "HyDrone1550".

Das Unternehmen KoreanHyliumIndustries entwickelt eine Flugzeit von bis zu 4 Stunden für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV). Der EnergyOr h2quad-1000 von Montreal kann zwei Stunden lang mit einer Nutzlast von einem Kilogramm fliegen.

Es wurde behauptet, dass das luftgekühlte Brennstoffzellensystem von IntelligentEnergy, das auf Wasserstoff und Umgebungsluft basiert, zur Erzeugung einer sauberen Gleichstromversorgung verwendet wurde. Die Batterie selbst ist einfach aufgebaut, leicht, stark und kostengünstig. Wirksam. Es hat ein höheres Energie-Masse-Verhältnis als batteriebasierte Systeme und kann in wenigen Minuten vollständig aufgeladen werden.

Metroskyways, eine Tochtergesellschaft von UrbanAeronautics, gab im April 2017 bekannt, dass das Unternehmen einen CityHawk entwickelt, ein wasserstoffbetriebenes vertikales Start- und Landeflugfahrzeug, das von bis zu vier Personen genutzt werden kann.

Benzin, Kerosin, Methanol, Ethanol, Flüssiggaspropan

Es gibt eine Reihe ausgereifter benzinbetriebener Lösungen, von denen einige eine hervorragende Flugleistung aufweisen. UAVFactory's Penguins Inc. Starrflügeldrohnen können mehr als 20 Stunden fliegen, wenn der Tank voll ist, und Siebels CAMCOPTERS 100 können sechs Stunden fliegen, wenn der Tank voll ist.

Der Vorteil dieser Energiequelle ist die Kombination von massenspezifischer Energie [Wh / kg] und volumenspezifischer Energie [Wh / l]. Benzin hat im Vergleich zu Li-Po-Batterien eine 48-fache Massendichte und eine 13-fache Volumendichte. Darüber hinaus ist der Verbrennungsmotor stark, kompakt, leicht und hat einen guten Kraftstoffverbrauch.

Wenn es um Ausdauer geht, besteht ein weiterer Vorteil von benzinbetriebenen Drohnen darin, dass das stärkere Gewicht die Plattform im Laufe der Zeit leichter macht und die Reichweite erhöht.

Gas- und Stromgemisch

Produkte von PegasusAeronautics aus Waterloo, Ontario, und YEAIR Berlin sind erstklassige Beispiele für Hybridmotoren. Die Unternehmen kombinieren die schnelle Reaktion von Elektromotoren mit den Vorteilen des benzinbetriebenen Fliegens.

V. Sonnenenergie

In den letzten Jahren ist der Wirkungsgrad von Solarzellen von 10% auf fast 46% gestiegen und hat ein Leistungsverhältnis von etwa 175 W / m2 erreicht. Dies erfordert natürlich, dass die gesamte Flügeloberfläche mit einer großen Fläche von Sonnenkollektoren bedeckt ist, damit sie wie eine Drohne mit mehreren Rotoren funktionieren kann.

Technologieunternehmen aus dem Silicon Valley erforschen auch das Potenzial solarbetriebener Drohnen: Facebook hofft, mit seinen solarbetriebenen Aquila-Drohnen (Höhenlage, lange Lebensdauer) und dem inzwischen nicht mehr existierenden Titan von Google X drahtlose Netzwerke in entlegene Winkel der Welt zu bringen Projekt.

Der Zephyr von Airbus ist ein hochgelegener Pseudosatellit (HAPS), der die Fähigkeitslücke zwischen Satelliten und Drohnen schließen soll. Der mit Sonnenenergie betriebene Zephyr kann in einer Höhe von 70.000 Fuß über dem Wetter und dem kommerziellen Flugverkehr fliegen. Das Solar Hawk-Programm von Boeing wurde 2012 abgesagt.

OpenRobotixLabs entwickelt den Mars xsol-e1, einen solarbetriebenen Quadcopter. Ein Unternehmenssprecher erklärte, dass die Flugzeit von einer Reihe von Faktoren abhängt. Im Allgemeinen können wir den 15-minütigen Flug mit Solar Assist-Technologie auf 40 bis 45 Minuten verlängern.

Vi. Solarenergiemischung

Die Lebensdauer des Solarhybrids (Solar + Zelle) ist erstaunlich. AltaDevices und PowerOasis haben bekannt gegeben, dass sie sich zusammenschließen, um die weltweit erste kleine Drohne zu entwickeln, die batteriebetriebene Solar- und Li-Ionen-Systeme integriert. Der Referenzrahmen des uav ist 2-4 Meter lang und verwendet einen lithium-ionen-akku mit 5s-7s. Pläne für die Drohne werden Ende 2017 veröffentlicht.

Sieben, festmachen

Das Festmachersystem kann unbegrenzt in einem kleinen Radius fliegen und ist somit die perfekte Wahl für Überwachung und Aufklärung. Die T1-Liegeplätze von MMC unterstützen die meisten Drohnen wie TDrone1200, DJI Matrice600, DJI S1000, Yuneec TyphoonH, Intel Falcon8 + und Microdrones md4-1000 von MMC. Bluevigil, Elistair, DroneAviationCorp und SPHEngineering haben ähnliche Projekte.

Superkondensatoren

Könnten die einatomigen Schichten von Graphit Ultrakondensatoren zu neuen Höhen führen? Im Februar 2015 förderte ge Forschungen zu Ultrakondensatoren. Primärenergiequellen wie Verbrennungsmotoren, Brennstoffzellen und Batterien funktionieren gut als kontinuierliche Quellen mit geringem Stromverbrauch, können jedoch Spitzenleistung oder recycelte Energie nicht effizient verarbeiten, da sie sich sehr langsam entladen und wieder aufladen. Superkondensatoren können bei Spitzenstrombedarf einen schnellen Energiestoß liefern, dann die Energie schnell speichern und eventuell verlorene Restleistung erfassen.

Kondensatoren scheinen weit hinter der Energiedichte der Batterie zu liegen, aber sie scheinen ein großartiges Mittel zur Verbesserung agiler Hybridkonfigurationen zu sein.

Neun, Laser

LaserMotive hat die Powerchain-Technologie für Drohnen entwickelt, eine Power-Beam-Drohne mit Laserempfänger. Im Jahr 2012 stellte lockheed Martin mit Unterstützung von LaserMotive seine "Stalker" -Drohne vor, die 48 Stunden lang auf einem Laserladesystem flog. "Mit solchen Boden-Luft-Systemen können wir Stalker nahezu unbegrenzte Flugausdauer bieten und so das Missionsprofil erweitern, das Stalker erreichen kann", sagte TomKoonce, Projektmanager von Stalker.

AscendingTechnologies of Germany und LaserMotive zeigten 2010 ihre Effizienz mit einer kleinen Drohne, die 12 Stunden lang auf einem Quad flog.

Am Ende

Alle Drohnenstromquellen haben in bestimmten Missionen ihre eigenen Vorteile. Hybridlösungen (Quellen- und Antriebssysteme) erfüllen die Anforderungen des Übergangs zu sauberer Energie. Da Mischungen eine separate Technik sein können, die die Vor- und Nachteile in Einklang bringt, scheint es eine kluge Wahl zu sein, das Beste aus beiden Welten zu kombinieren. Es ist auch ein kluger Schachzug, andere führende Sektoren wie Autos zu betrachten, insbesondere wenn es darum geht, die zukünftigen Kosten für Massenproduktion und Infrastruktur zu senken.

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