🏊 🏹 🛌🏿 Seberapa besar drone bertenaga surya? 🗡️ 🤲🏼 🕢

Idenya tampaknya brilian: untuk menempatkan panel surya di drone, dan kemudian dia tidak akan membutuhkan baterai. Tanpa itu, drone dapat dikontrol saat matahari bersinar. Ini luar biasa (anggap niat Anda murni). Inilah yang dilakukan oleh para mahasiswa di Universitas Nasional Singapura .

Tapi dari video itu jelas bahwa drone mereka selembut daun. Oleh karena itu, pada kenyataannya, pertanyaannya adalah: massa dan ukuran apa yang dapat dimiliki alat tersebut sehingga dapat naik ke udara hanya dengan energi matahari? Saya akan menjawab pertanyaan ini dan memberi Anda kalkulator khusus untuk quadrocopters bertenaga surya.

Tenaga surya

Daya adalah energi per satuan waktu, diukur dalam watt. Idealnya, Anda perlu mengarahkan semua energi dari panel surya ke penerbangan. Ini berarti bahwa tidak ada baterai yang diperlukan untuk penyimpanan energi sementara - dan bagus, karena itu hanya akan menambah massa. Tetapi berapa banyak energi yang bisa Anda peras dari panel surya? Inilah masalah sebenarnya.

Output energi panel surya tergantung pada nilai-nilai berikut:

Kekuatan matahari. Kekuatan energi surya di permukaan bumi adalah sekitar 1000 watt per meter persegi. Nilai ini tidak dapat diubah tanpa mengubah Matahari (yang tidak disarankan) (E)
Ukuran panel surya. Semakin besar baterai, semakin banyak daya. Mari kita mulai dengan 0,04 m ² (A)
Efisiensi baterai surya. Hanya karena 1000 W / m2 jatuh pada panel tidak berarti bahwa semua energi ini akan berubah menjadi listrik. Menurut saya angka yang dapat diandalkan 28% (e)
Sudut orientasi. Lebih baik jika sinar matahari mengenai panel secara tegak lurus. Tetapi Matahari, kemungkinan besar, tidak akan benar pada puncaknya. Bagaimana dengan sudut θ = 45 °?

Akibatnya, kami mendapatkan hasil energi sesuai dengan persamaan berikut:

P = e A E c o s t h e t a

$P = e A E cos \ theta$

Dan ini adalah tenaga surya.

Energi penerbangan

Menghitung energi terbang quadrocopter sedikit lebih sulit. Namun demikian, perhitungan ini berlaku untuk setiap pesawat yang lepas landas dengan dukungan udara.

Mari kita mulai dengan sifat kekuatan dan gerakan. Untuk memberikan kecepatan objek istirahat, dibutuhkan kekuatan. Ukuran gaya tergantung pada massa objek, besarnya kecepatan dan waktu perubahannya. Kami akan mengganti item dengan udara - justru itulah yang digunakan oleh peralatan kami untuk terbang. Gaya reaktif dapat ditingkatkan menggunakan massa udara yang besar atau area rotor yang besar. Itu juga dapat ditingkatkan dengan meningkatkan kecepatan udara.

Simulasi dorong Quadcopter

Aerodinamika rotor yang berputar tidak bisa disebut sepele. Namun, masalah seperti itu tidak menghentikan saya sebelumnya di jalan untuk membangun model yang disederhanakan. Dalam model fisik selanjutnya yang sangat disederhanakan, saya akan berasumsi bahwa dorongan helikopter muncul karena perubahan momentum udara yang bergerak ke bawah. Untuk mencapai traksi yang memadai untuk penerbangan helikopter, kami memiliki dua cara. Anda dapat mengambil sekrup kecil dan mendorong udara ke bawah dengan sangat cepat, atau mengambil sekrup besar dan mendorong udara lebih lambat.

Jika area sekrup adalah A, dan kepadatan udara adalah ρ, maka gaya angkat dinyatakan dalam kecepatan udara menggunakan persamaan berikut:

F_{r i s e} = d p_{a i r} o v e r d t = r h o A v^{2} o v e r 2

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

Bagaimana dengan kekuasaan? Kekuatan adalah perubahan energi kinetik udara dibagi dengan periode waktu. Semakin cepat udaranya, semakin besar energi kinetik dan semakin pendek interval waktunya. Saya mengutip kesimpulan lengkap formula ini dalam sebuah artikel tentang mesin terbang bertenaga otot . Ini ungkapan untuk kekuasaan.

P = r h o A v^{3} o v e r 4

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

Karena kekuatan sebanding dengan kubus kecepatan udara, untuk helikopter dengan kekuatan otot, itu harus kecil, yang berarti bahwa helikopter harus besar. Begitulah .

Sekarang dengan jadwal favorit saya. Saya tahu bahwa model saya bisa sepenuhnya tidak dapat dipertahankan, jadi saya mempelajari data tentang helikopter sungguhan. Berdasarkan massa dan ukuran baling-baling, Anda dapat menghitung daya terbang dan membandingkannya dengan kekuatan mesin yang ditentukan. Berikut adalah grafik - kekuatan yang dihitung versus daya yang ditunjukkan untuk beberapa helikopter.

Saya sangat terkejut dengan linearitas data.

Lebih Banyak Data Helikopter

Seorang teman saya, yang kecanduan membuat quadrocopter sendiri, menunjukkan kepada saya situs web T-Motor , yang mencantumkan banyak motor listrik dan data tentang efisiensinya. Berikut spesifikasi yang tercantum di sana:

Ukuran.
Tegangan
Saat ini
Dorongan tergantung pada throttle.
Kecepatan putaran.
Daya adalah produk dari arus dan tegangan.

Apa yang bisa dilakukan tentang ini? Karena saya memiliki ukuran dan daya dorong sekrup, saya dapat menghitung kecepatan udara. Dapat digunakan untuk menghitung kekuatan teoritis dan membandingkan dengan yang ditentukan. Inilah yang saya dapat.

Ya Masih linier. Di sini saya sudah agak khawatir - sepertinya tidak mungkin model helikopter yang disederhanakan akan bekerja pada skala seperti itu. Selain itu, bahkan kemiringan grafik serupa - 0,656 dan 0,411. Apa arti kemiringan ini? Ini berarti bahwa kekuatan desain saya sekitar 2 kali lebih sedikit. Jika Anda menulis kekuatan sebagai:

P = r h o A v^{3} o v e r 2

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

Maka kekuatan yang dihitung akan cocok dengan yang ditentukan. Tidak yakin dari mana asalnya. Mungkin saya melakukan kesalahan dengan mengambil turunannya dalam menghitung kecepatan udara rata-rata.

Jika kami memiliki data, kami dapat membuat jadwal lain, hadiah. Ketergantungan perkiraan kecepatan udara saya pada kecepatan rotasi sekrup.

Apa artinya ini? Semakin cepat bilah rotor berputar, semakin cepat udara bergerak. Saya menduga bahwa di sini variabel lain penting - kecenderungan bilah.

Kembali ke energi matahari

Tapi kita tidak butuh daya tarik, kita butuh kekuatan. Peningkatan kecepatan udara meningkatkan energi kinetiknya. Semakin cepat energi kinetik, semakin banyak daya yang dibutuhkan untuk ini.

Ini berarti Anda dapat membuat pesawat dengan baling-baling kecil yang mendorong udara dengan sangat cepat, atau dengan baling-baling besar yang mendorong udara lebih lambat. Tetapi energi dari dua opsi ini berbeda. Energi kinetik sebanding dengan kuadrat kecepatan, sehingga baling-baling yang lebih kecil membutuhkan lebih banyak energi untuk terbang. Karena itu, helikopter sungguhan dengan kekuatan otot harus sangat besar sehingga memiliki energi manusia yang cukup.

Perhitungan daya

Alih-alih memperhitungkan semua opsi yang mungkin untuk ukuran quadrocopter, baling-baling dan panel surya, serta efektivitasnya, saya hanya membuat kalkulator - program Python yang menghitung ukuran sekrup yang diperlukan agar mesin dapat terbang dengan parameter yang diberikan.

Dengan perkiraan awal saya, saya mendapat diameter sekrup 5,9 cm. Kedengarannya bisa dipercaya. Dan semua opsi dengan peningkatan massa atau perubahan ukuran panel surya sekarang dapat dihitung dengan kalkulator.