सौर ऊर्जा से चलने वाला ड्रोन कितना बड़ा हो सकता है?

यह विचार शानदार प्रतीत होता है: ड्रोन पर सौर पैनल लगाने के लिए, और फिर उसे बैटरी की आवश्यकता नहीं होगी। इसके बिना, सूरज को चमकते हुए ड्रोन को नियंत्रित किया जा सकता है। यह अद्भुत है (आपके इरादे शुद्ध हैं)। यह वही है जो सिंगापुर नेशनल यूनिवर्सिटी के छात्रों ने किया था।

लेकिन वीडियो से यह स्पष्ट है कि उनका ड्रोन पत्ती की तरह सपाट है। इसलिए, वास्तव में, सवाल यह है: इस तरह के डिवाइस में क्या द्रव्यमान और आकार हो सकता है ताकि यह सौर ऊर्जा पर पूरी तरह से हवा में उठ सके? मैं इस प्रश्न का उत्तर दूंगा और आपको सौर-संचालित क्वाड्रोकोप्टर के लिए एक विशेष कैलकुलेटर प्रदान करूंगा।

सौर ऊर्जा

पावर प्रति यूनिट समय ऊर्जा है, जिसे वाट में मापा जाता है। आदर्श रूप से, आपको सौर पैनलों से उड़ान तक सभी ऊर्जा को पुनर्निर्देशित करना होगा। इसका मतलब है कि ऊर्जा के अस्थायी भंडारण के लिए किसी भी बैटरी की आवश्यकता नहीं है - और अच्छा है, क्योंकि यह केवल द्रव्यमान को बढ़ाएगा। लेकिन आप सौर पैनल से कितनी ऊर्जा निचोड़ सकते हैं? यही असली समस्या है।

सौर पैनलों का ऊर्जा उत्पादन निम्न मूल्यों पर निर्भर करता है:

• सूर्य की शक्ति। पृथ्वी की सतह पर सौर ऊर्जा की शक्ति लगभग 1000 वाट प्रति वर्ग मीटर है। सूर्य को बदले बिना (जो अनुशंसित नहीं है) इस मूल्य को नहीं बदला जा सकता है (ई)
• सौर पैनल का आकार। जितनी बड़ी बैटरी, उतनी ही अधिक शक्ति। चलो 0.04 मीटर ² (ए) के साथ शुरू करते हैं
• सौर बैटरी की दक्षता। सिर्फ इसलिए कि 1000 डब्ल्यू / एम ² पैनल पर गिरता है इसका मतलब यह नहीं है कि यह सारी ऊर्जा बिजली में बदल जाएगी। यह मुझे 28% (ई) का एक विश्वसनीय आंकड़ा लगता है
• ओरिएंटेशन कोण। यह बेहतर है अगर सूरज पैनल को लंबवत रूप से हिट करता है। लेकिन सूर्य, सबसे अधिक संभावना है, अपने चरम पर सही नहीं होगा। कोण about = 45 ° के बारे में क्या?

परिणामस्वरूप, हमें निम्नलिखित समीकरण के अनुसार ऊर्जा उपज प्राप्त होती है:

$$

$$P = e A E cos \ थीटा$$

और यह सौर ऊर्जा है।

उड़ान ऊर्जा

क्वाड्रोकॉप्टर की उड़ान ऊर्जा की गणना करना थोड़ा अधिक कठिन है। फिर भी, यह गणना हवा के समर्थन से उड़ान भरने वाले किसी भी विमान के लिए सही होगी।

आइए बलों और आंदोलन की प्रकृति के साथ शुरू करें। एक आराम करने वाली वस्तु को गति देने के लिए, ताकत की आवश्यकता होती है। बल का आकार वस्तु के द्रव्यमान, गति की भयावहता और उस समय पर निर्भर करता है जिसके दौरान यह बदलता है। हम आइटम को हवा से बदल देंगे - यह ठीक है कि उड़ान के उपयोग के लिए हमारा उपकरण क्या है। हवा के एक बड़े द्रव्यमान या रोटर के एक बड़े क्षेत्र का उपयोग करके प्रतिक्रियाशील बल बढ़ाया जा सकता है। हवा की गति बढ़ाकर भी इसे बढ़ाया जा सकता है।

Quadcopter जोर सिमुलेशन

घूर्णन रोटर के वायुगतिकी को तुच्छ नहीं कहा जा सकता है। हालांकि, इस तरह की समस्याओं ने मुझे पहले एक सरलीकृत मॉडल बनाने के रास्ते पर नहीं रोका। अगले, अत्यंत सरलीकृत भौतिक मॉडल में, मैं मान लूंगा कि हवा के नीचे जाने की गति में बदलाव के कारण हेलीकॉप्टर का जोर दिखाई देता है। हेलीकाप्टर उड़ान के लिए पर्याप्त कर्षण प्राप्त करने के लिए, हमारे पास दो रास्ते हैं। आप एक छोटा स्क्रू ले सकते हैं और हवा को बहुत तेज़ी से नीचे धकेल सकते हैं, या एक बड़ा स्क्रू ले सकते हैं और हवा को धीरे-धीरे धक्का दे सकते हैं।

यदि स्क्रू क्षेत्र ए है, और वायु घनत्व ρ है, तो निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके हवा की गति के संदर्भ में लिफ्टिंग बल व्यक्त किया जाता है:

$$

$$F_ {वृद्धि} = {{dp_ {air}} \ over {dt}} = = {{rho A v ^ 2} \ over {2}}$$

शक्ति के बारे में क्या? बिजली समय की अवधि से विभाजित हवा की गतिज ऊर्जा में परिवर्तन है। तेज हवा, गतिज ऊर्जा जितनी अधिक होगी और समय अंतराल उतना ही कम होगा। मैंने एक पेशी- आधारित उड़ान मशीन के बारे में एक लेख में इस सूत्र के पूर्ण निष्कर्ष का हवाला दिया। यहाँ शक्ति के लिए एक अभिव्यक्ति है।

$$

$$P = {{\ _ rho A v ^ 3} \ over {4}}$$

चूंकि शक्ति हवा के वेग के घन के लिए आनुपातिक है, मांसपेशियों की ताकत के साथ एक हेलीकाप्टर के लिए, यह छोटा होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि हेलीकॉप्टर बड़ा होना चाहिए। तो यह है ।

अब मेरे पसंदीदा शेड्यूल पर। मुझे पता था कि मेरा मॉडल पूरी तरह से अस्थिर हो सकता है, इसलिए मैंने वास्तविक हेलीकॉप्टरों के डेटा का अध्ययन किया। प्रोपेलर के द्रव्यमान और आकार के आधार पर, आप उड़ान शक्ति की गणना कर सकते हैं और इसे निर्दिष्ट इंजन शक्ति के साथ तुलना कर सकते हैं। यहाँ कुछ हेलिकॉप्टरों के लिए एक ग्राफ - परिकलित शक्ति बनाम संकेतित शक्ति है।



मुझे डेटा की रैखिकता पर बहुत आश्चर्य हुआ।

अधिक हेलीकाप्टर डेटा

मेरा एक दोस्त, जो अपने खुद के क्वाडक्रॉप्टर बनाने का आदी है, उसने मुझे टी-मोटर वेबसाइट दिखाई , जिसमें बहुत सारे इलेक्ट्रिक मोटर्स और उनकी दक्षता पर डेटा सूचीबद्ध हैं। यहाँ सूचीबद्ध विनिर्देश हैं:

• आकार।
• वोल्टेज।
• वर्तमान।
• थ्रोटल के आधार पर जोर।
• रोटेशन की गति।
• विद्युत धारा और वोल्टेज का गुणनफल है।

इस बारे में क्या किया जा सकता है? चूंकि मेरे पास पेंच का आकार और जोर है, इसलिए मैं हवा की गति की गणना कर सकता हूं। इसका उपयोग सैद्धांतिक शक्ति की गणना और निर्दिष्ट के साथ तुलना करने के लिए किया जा सकता है। यहाँ मुझे क्या मिला है



हाँ। फिर भी रैखिक है। यहां मैं पहले से ही थोड़ा चिंतित था - यह संभावना नहीं लगती थी कि हेलीकॉप्टर का मेरा सरलीकृत मॉडल इस तरह के पैमाने पर काम करेगा। इसके अलावा, ग्राफ़ का ढलान भी समान है - 0.656 और 0.411। इस ढलान का क्या अर्थ है? इसका मतलब है कि मेरी डिजाइन शक्ति लगभग 2 गुना कम है। यदि आप बिजली लिखते हैं:

$$

$$P = {{\ _ rho A v ^ 3} \ over {2}}$$

फिर गणना की गई शक्ति निर्दिष्ट से मेल खाएगी। निश्चित नहीं है कि कहां से आया है। शायद मैंने औसत वायु वेग की गणना में व्युत्पन्न लेने से गलती की।

यदि हमारे पास डेटा है, तो हम एक और अनुसूची, एक पुरस्कार का निर्माण कर सकते हैं। पेंच के रोटेशन की गति पर मेरी अनुमानित हवा की गति की निर्भरता।



इसका क्या मतलब है? रोटर ब्लेड जितनी तेजी से घूमते हैं, उतनी ही तेजी से हवा चलती है। मुझे संदेह है कि यहां एक और परिवर्तनशील मामला है - ब्लेड का झुकाव।

वापस सौर ऊर्जा पर

लेकिन हमें कर्षण की आवश्यकता नहीं है, हमें शक्ति की आवश्यकता है। वायु के वेग में वृद्धि से इसकी गतिज ऊर्जा बढ़ती है। तेजी से गतिज ऊर्जा बढ़ती है, इसके लिए अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है।



इसका मतलब है कि आप छोटे प्रोपेलर के साथ एक विमान बना सकते हैं जो हवा को बहुत जल्दी धक्का देता है, या एक बड़े प्रोपेलर के साथ जो हवा को धीमा करता है। लेकिन इन दोनों विकल्पों की ऊर्जा अलग है। गति के वर्ग के लिए काइनेटिक ऊर्जा आनुपातिक है, इसलिए एक छोटे प्रोपेलर को उड़ान भरने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसलिए, मांसपेशियों की ताकत वाला एक वास्तविक हेलीकॉप्टर इतना विशाल होना चाहिए कि उसमें पर्याप्त मानवीय ऊर्जा हो।

बिजली की गणना

क्वाडरोकॉप्टर, प्रोपेलर और सौर पैनलों के आकार के साथ-साथ उनकी प्रभावशीलता के लिए सभी संभावित विकल्पों को ध्यान में रखने के बजाय, मैंने बस एक कैलकुलेटर बनाया - पायथन प्रोग्राम जो मशीन के लिए दिए गए पेंच के आकार की गणना करता है जो दिए गए मापदंडों के साथ उड़ान भरने के लिए आवश्यक है।

अपने शुरुआती अनुमानों के साथ, मुझे 5.9 सेमी का एक पेंच व्यास मिला। यह विश्वसनीय लगता है। और बड़े पैमाने पर वृद्धि या सौर पैनलों के आकार में बदलाव के साथ सभी विकल्पों की गणना अब एक कैलकुलेटर पर की जा सकती है।