Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Este é o espaço para tirar suas dúvidas relacionado a construção de um aeromodelo,para os vários experts de plantão possam responder. Aqui também estarão os famosos artigos que já enriqueciam o outro fórum.
GabrielBlancos
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Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Mensagem por GabrielBlancos »

Bom dia pilotos.

Bom, a ideia é a seguinte: desenvolver um aero que seja totalmente sustentável através da energia solar. Estou no meu 4º ano de Engenharia Elétrica e sempre gostei de estudar as aplicações de energias renováveis, então decide juntar o útil e o agradável. Existe hoje, um projeto já desenvolvido do Solar Impulse, um planadorzão de 4 motores elétricos dando a volta pelo mundo, sendo comandado por um piloto. O avião voa dia e noite sem necessitar de qualquer tipo de combustível poluente. Pensando na ideia, decidir criar um aero embarcado, com tecnologia de telemetria e desenvolver um mini controlador de carga no aero que permita o uso da energia para alimentar o a eletrônica e que mantenha minha bateria(no-break) quando a mesma estiver com carga abaixo da nominal. O projeto está um pouco mais avante, mas gostaria de saber a opinião de vocês, desde os mais leigos até os mais experientes. Levo em consideração o ponto de vista de todos, cada um degustará a ideia de um jeito diferente, e isso me permite enxergar o projeto por todos os lados.
Tenho em consideração a baixa eficiência das células fotovoltaicas, por isso penso em um moto planador com uns 2 metros de envergadura, me fornecerá uma área interessante ao longo de suas asas, e por ser um moto planador, seu consumo não será tão alto assim. A ideia não é montar um moto planador e forrar com células fotovoltaicas e medir tensão e corrente, e ver se o sistema aguentará; pretendo ir mais além do que este simples passo. A eletrônica deverá sofrer alterações para que eu possa aproveitar 100% da minha energia gerada através do sol. O aero aproveitará a energia solar, mesmo que a mesma tenha capacidade de alimentar apenas um servo se quer. Com base nesses fatos, peço a vocês que publiquem suas ideias, pensamentos, dúvidas, críticas e qualquer outra coisa que possa me ajudar nesta temporada. O fórum do e-voo será lembrado com muito carinho no meu trabalho.

Já imaginou ? Voar horas e horas, e não se preocupar com bateria ? Aplicar esta tecnologia em drones de pesquisa, e fazer com que o mesmo voe por tempo indeterminado enquanto estivermos sob a luz do sol ?


Desde já, obrigado.
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alexcmag
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Re: Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Mensagem por alexcmag »

2m de envergadura ainda não terá área de asa suficiente, uns 5m provavelmente sim.

Atualmente isto é viável tecnicamente, dê uma olhada no projeto do SoLong UAV que foi o primeiro a voar 48hs com energia solar. Claro que usou térmicas, dê uma olhada na análise feita em http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi. ... 008290.pdf

Os outros projetos foram maiores, mais fora da escala que você pretende.

No caso o SoLong foi há 11 anos, muita coisa evoluiu neste período:
1) Os sistemas de controle remoto ficaram mais confiáveis e com maior alcance;
2) Telemetria passou a ser comum e embutida em muitos sistemas de controle remoto;
3) Pilotos automáticos passaram a ser bastante comuns e atualmente acham-se excelentes placas controladoras 32 bits por menos de 20 dólares compatíveis com código aberto;
4) As células solares evoluiram;
5) Os motores brushless viraram padrão de mercado e atualmente conseguem-se motores muito eficientes a custo relativamente baixo;
6) ESCs brushless também viraram padrão de mercado e com o crescimento dos multirotores a eficiência deles passou a ser testada e comparada, também há várias opões de firmwares disponíveis;
7) A densidade das baterias melhorou um pouco, estranhamente esta parte não melhorou tanto quanto eu esperava. O SoLong usou 120 células LiIon 18650 com densidade de 220 Wh/kg, algumas novas tecnologias oferecem densidades maiores mas ainda não são populares ou acessíveis.
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Re: Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Mensagem por GabrielBlancos »

Gostei dos comentários alex.

Então, com mais pesquisas hoje, me deparei com um problema quanto a potência do meu sistema de geração diante das pré configurações em que as células fotovoltaicas estão dispostas no mercado. Isso será resolvido o mais breve.
Minhas dúvidas na eletrônica:
Se existe algum moto planador já conhecido por vocês que pode ser encaixado neste projeto...
Pesquisei sobre motores brushless que trabalham com uma tensão abaixo dos 12V...
É possível fazer o projeto do moto planador com somente dois servos... Aileron, e profundor. Gostaria de algo menor, do tipo micro servos.
Seguindo como base o Solar impulse, o mesmo possui 4 motores elétricos, por questão de eficiência deve ter sido mais viável do que apenas um motor central. Na opinião de vocês, essa viabilidade de dois motores menores ao invés de um, se aplica também nos motoplanadores, uma vez que a questão que deve ser levada em consideração é a eficiência. (Consumo\Empuxo\Potência)...

Obrigado pelo arquvio alex, será de grande auxílio.

Aguardo os comentários.
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GabrielBlancos
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Re: Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Mensagem por GabrielBlancos »

Me perdoem a falta de coesão do texto, estou fora de casa e este computador não está com a tecla "interrogação" funcionando, substituam os (...) pelo ponto de interrogação, ficará mais fácil de entender minhas dúvidas.
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Re: Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Mensagem por alexcmag »

Não creio que haja algum motoplanador pronto perfeito pronto para o projeto, qualquer coisa com mais de 1,5m de envergadura terá a asa feita em vários segmentos com uns 2/3 deles trapezoidais, enquanto as células que você encontrará provavelmente serão retangulares ou quadradas.

Usar um ou mais motores depende do projeto, aliás neste momento estou pensando em passar a usar meu EasyGlider para FPV e estou analisando o que fazer com o motor, que pode ser um ou dois.

No meu caso as considerações são:
- Se eu mantiver o motor no nariz vou ter que prender a câmera em uma das asas e ficará mais difícil colocar um gimbal para estabilizar imagem;
- Se eu colocar dois motores nas asas crio arrasto adicional de duas naceles, porém distribuo melhor o peso se quiser usar mais baterias;
- Eu poderia colocar um único motor instalado em um pod acima da fuselagem, porém isto também cria arrasto adicional do pod e do suporte e coloca o motor em uma posição que precisa de muita incidência positiva ou negativa para equilibrar a tendência que teria de abaixar o nariz do avião;
- Eu poderia cortar a cauda, colocar um único motor pusher usar dois tubos de cauda partindo da asa e usar uma cauda em V invertido (tipo AeroSonde UAV), porém isto torna mais demorada a montagem do modelo em campo e não é uma alteração reversível se eu não gostar do resultado.

Aliás, o próprio posicionamento do motor à frente ou atrás é outro alvo de estudo quando eficiência é um ponto chave do projeto, apesar de teoricamente motor atrás ser menos eficiente pela hélice receber o fluxo de ar turbulento após fuselagem e asa, na prática os aviões bimotores em configurações pull/push (exemplo Cessna 377) são mais eficientes em condição monomotor com apenas o motor traseiro funcionando do que apenas com o motor dianteiro.

Se você der uma olhada no SoLong UAV ( http://www.rcgroups.com/forums/showatt. ... id=2892722 ), ele tem a asa quase toda retangular, feita com base no tamanho das placas, exceto as pontas trapezoidais.

Seu projeto terá que ser semelhante, com cada semi-asa quase toda retangular exceto por painéis trapezoidais nas pontas que receberão menos células e talvez terão espaço para os ailerons.

Quanto aos ailerons, eles são mais eficientes quando são apenas nas pontas das asas, neste caso precisa-se de um servo para cada semi-asa. Acioná-los com um servo só é possível, porém a complicação mecânica para isto pesa mais e consome mais energia. Se a idéia for economizar peso e consumo de servos seria mais prático utilizar apenas leme e profundor que são superfícies menores, mas isto torna o planador menos manobrável e pode dificultar o aproveitamento de térmicas já que ao passar pela borda de uma a asa que está mais próxima a ela sobe e direciona para fora.

Não entendi por que menos de 12V, a primeira coisa que se aprende de elétrica ainda no médio é a lei de Ohm, mais potência em baixa tensão significa maior corrente, que gera mais perda por resistência nos condutores. No caso quanto maior a tensão melhor para o projeto, obedecendo o limite do prático, claro, pois os MOSFETs de baixíssima resistência interna geralmente não passam de 55V.

Não se prenda à tensão das células, você terá que colocá-las em série e incluir um circuito que eleve ou abaixe a tensão até a tensão de carga da bateria que vai usar. Se for 3S LiPo, até 12,6V.

Motores brushless podem ser enrolados para trabalhar com qualquer tensão que você queira, porém entram características do projeto na escolha da tensão de trabalho.

Geralmente aeromodelos muito pequenos (até 100g) usam apenas 1 célula de lítio. Em sua escala a corrente é da ordem de menos de 5A e não há perdas, e com 1 célula não se precisa de regulador para alimentar os microcontroladores do receptor, ESC e servos, que geralmente trabalham de 3V a 5,5V e aceitam bem a tensão da bateria.

Subindo pouca coisa a escala, até uns 300g, geralmente usa-se 2 células de lítio. Nesta faixa de peso a potência ainda é baixa e há poucas perdas com esta tensão, e há menos preocupação com reguladores de tensão, que trabalham com folga nesta tensão.

Acima disto, até cerca de 1,5kg é o reino das baterias de 3 células, os fios são mais parrudos mas compatíveis com o peso do aeromodelo, e não passando de 3 células de lítio ainda não se precisa de UBEC separado (aumenta um pouco a complexidade e o peso) ou uso de MOSFETs de alta tensão no ESC (que aumenta o preço).

Com mais que 1,5kg geralmente passa-se a usar baterias 4S, 6S, 8S, 12S, etc. O SoLong trabalhou com 30V (8S).
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GabrielBlancos
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Re: Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Mensagem por GabrielBlancos »

Bom dia Alex, de ante mão, obrigado por dispor-se de seu tempo para me ajudar.

Quanto a quantidade de motores, creio que está configuração pull/push do Cessna 377 seria interessante estudar afim de adaptar ao projeto. São muitas incógnitas dependes uma das outras, e isso dificulta o ponta pé inicial. Mas, como seu subnick diz... "uma linha por vez", vagarosamente vou detalhando o projeto.
Sobre as asas, o fato de ser trapezoidal aumenta a eficiência do aero ? Pois como vejo no SoLong, ele possui as células nas asas, porém com perca de área devido ao formato das mesmas. Algum problema em ser totalmente retangular ?

Comentei sobre a tensão justamente pelas configurações das células pré dispostas no mercado. Células em série eu somo as tensões (aumento a potência), porém permaneço com o mesmo valor de corrente de uma única célula. Minha intenção seria não mexer nas "configurações" da minha eletrônica, e fazer com que meu sistema solar se adapte a eletrônica. Porém, foi notado que para um projeto como este, muita coisa deverá ser estudada, e pequenos aspectos deverão ser levados em consideração para que se tenha uma ótima eficiência. Creio que um dos fatores a ser alterado seja a tensão de trabalho do motor, fazer com que o mesmo trabalhe com uma tensão um pouco mais alta, quem sabe algo em torno dos 24V, teoricamente já diminuiria a corrente pela metade. São valores explicativos, nada definido ainda, mas me parece viável fazer com que o projeto trabalhe com uma tensão mais elevada. Acho que consigo essa configuração somente com o circuito das placas, sem necessidade de alterar o valor da tensão com algum circuito externo.

Minha intenção seria manter a bateria como backup para as más condições climáticas onde ocorre a baixa geração do sistema fotovoltaico, sendo o Rx e os servos alimentados diretamente pelo sistema solar, seria indispensável um sistema de filtro para tratar a energia para que a mesma chegue com qualidade nos equipamentos citados. Já o motor ou motores do aero, creio que estes sim, necessariamente sejam alimentados pela bateria, e o meu controlador de carga realizasse o restante de serviço (carga/descarga). A ideia é, a medida que minha potência de saída do sistema solar diminuir, meu sistema de controle de carga realiza um chaveamento da alimentação dos dispositivos.

Exemplo:
Potência Gerada. Destino
100% de potência ------------ Eletrônica Completa + Folga para que a bateria seja carregada.
80% de potência ------------ Eletrônica Completa (Nesta etapa segundo a teoria; o que é gerado é consumido)
60% de potência ------------ RX + Servos (motor alimentado diretamente pela bateria)
40% de potência ------------- Servos ( Aileron/Profundor)
20% de potência ------------ Aileron, ou Profundor.

Circuito responsável por fazer este procedimento deverá ser bastante confiável, e cauteloso ao chavear a alimentação do RX, para que o mesmo não seja "desligado" e "ligado" novamente. Os capacitores serão de suma importância nesta etapa.
Como disse, é apenas uma ideia, dentro do meu alcance para otimizar o sistema de energia do aero. O que acha desse sistema ?

Alex aguardo seus comentários, e mais uma vez obrigado pela disposição.

Grato desde já.
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Re: Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Mensagem por GabrielBlancos »

Conversando com alguns entendedores da área solar, os mesmos me sugeriram um sistema superdimensionado, para que eu tenha um nível de confiança que o meu sistema irá gerar a potência necessária para o circuito em qualquer hora do dia, e até mesmo, em dias nublados.

Exemplo:

Um sistema dimensionado com saída "x"Watts, irá gerar somente em ótimas condições, a sua potência nominal, e com a variação de radiação solar, o mesmo altera sua potência de saída. Meu sistema deverá ser dimensionado para que com 80% da potência gerada, a mesma atenda a demanda de 100% do sistema do aero (citado no post anterior), desta forma tenho uma margem segura de que meu sistema será capaz de atender a demanda em qualquer período do dia.
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Re: Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Mensagem por alexcmag »

Eu sou adepto do Keep It Simple.

Se você alimentar tudo pelas baterias, e colocar um circuito para carregar as baterias com a energia disponível nas células (tensão constante), quando as células solares estiverem fornecendo energia elas alimentarão diretamente os circuito, porém quando passar por uma sombra as baterias farão isto automaticamente.

Se as baterias tiverem energia capacidade suficiente não é preciso nem limitar a corrente de carga, apenas a tensão. Como a corrente fornecida pelas células não seria maior que a corrente máxima de carga das baterias, não haveria risco de forçá-las com corrente excessiva.

O resto do gerenciamento seria questão de estratégia, quando eventualmente estivesse com tensão plena e as células estivessem fornecendo muita energia, o ideal seria utilizar esta potência excedente para acumular energia potencial gravitacional, ou seja, consumir todo o excedente de potências solar alimentando o(s) motor(es) e ganhar altitude.
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Re: Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Mensagem por GabrielBlancos »

Concordo com seu raciocínio Alex.

Minha ideia era justamente implementar o circuito que faça o chaveamento automático entre Células Fotovoltaicas e Bateria para alimentar meu circuito. De acordo com as pesquisas, me deparei com duas estratégias.
1 - Utilizar 24 células fotovoltaicas com tensão nominal por volta dos 15V e 9A, sendo estes valores para as melhores condições climáticas, onde no meu circuito, necessito apenas de 12,5V aproximadamente para carregar minha bateria, então tenho uma margem segura de que meu gerador me fornecerá os 12,5V em qualquer hora do dia. Diante deste método, usaria 100% meu circuito sendo alimentado pelas baterias, e o controlador de carga responsável por "carregar e descarregar" minha bateria. As condições de carga seria a tensão constante da "fonte" de 12V-15V com corrente de 7A-9A, talvez seja necessário controlar a corrente para não prejudicar o carregamento da bateria. Este modo me solicitaria uma envergadura de aproximadamente 1,8 metros (considerando 31 de corda, medida necessária para instalação de duas fileiras células fotovoltaicas).

2 - Utilizar 60 células fotovoltaicas com tensão nominal de 30V - 9A, onde a ideia seria aplicar o chaveador entre bateria/gerador neste modo. Sendo assim, teria um motor com a tensão entre 25V a 30V, onde na teoria reduziria a corrente quase que pela metade. Imagino que nestas configurações o "desperdício" de energia solar seja menor. Uma vez que em determinado momento terei o meu aero sendo alimentado diretamente pela energia solar, com o banco de bateria totalmente carregado. Caso aconteça queda na potência no gerador, o meu chaveador realiza a distribuição da carga entre bateria e gerador, a medida que a potência sofra alterações no mesmo devido as condições para geração. A Potência neste sistema, será utilizada até mesmo quando meu sistema solar puder gerar energia o suficiente para alimentar um servo se quer. A dificuldade no projeto, se encontra na envergadura, e na definição de um motor ou motores para o sistema. Para acoplar 60 células fotovoltaicas, necessito de uma envergadura de 4 metros, contando com pouco mais de 30cm de corda (duas células fotovoltaicas + aileron). Terei disponível uma potência de aproximadamente 270W pelo sistema solar. Procurei por diversos motores que me forneçam um empuxo de até 1,5kg dentro dos 200W. Ao entrar em contato com o Rico da Air Models (ele possuí um moto planador Nimbus com envergadura idêntica ao projeto), o mesmo me disse que um motor de 600kv atenderá o projeto, o Nimbus sem eletrônica pesa em torno de 2kg. No meio da pesquisa, encontrei uma possibilidade de utilizar um ou mais motores de 900kv. Encontrei uma tabela de especificações, me parece que são motores destinados para Drones, mas acho que 4 motores trabalhando a 50% com uma tensão de 25V-30V, me forneceria um empuxo de aproximadamente 1,5kg e uma corrente de uns 6A (hélice de 12*4). O motor é o MTF 2216. [imagem]20131024034814598.jpg[/imagem] link: http://team-blacksheep.com/products/prod:900kv_30aesc

Sobre a construção, li vários métodos para planadores. Viabilidade entre balsa, isopor, e fibra. E cheguei a conclusão que para uma envergadura de 4 metros, o mais viável seria construí-lo em fibra.
No mais, creio que aos poucos vou afunilando as ideias. Hoje sei o valor da frase: "Para encontrar a solução, basta ter um problema".
É só estudar, pensar, ler e aprender, uma hora você encontra a saída.

Gostaria que mais membros participassem da discussão. Sei que tem muita gente que poderia colaborar com o projeto.

Grato desde já Alex.
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Douglas Lenz
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Re: Energia Solar - TCC - Aeromodelo Embarcado Auto Sustentável.

Mensagem por Douglas Lenz »

Gabriel

Não vou me deter a detalhes técnicos teóricos tendo em vista que isto é especialidade de engenheiros (hehe) teoria, teoria e teoria... calculo, calculo e calculo e mais um ser humano sem cabelo no mundo.

Vi que tu e o Alex entraram em detalhes de corrente, capacidades, células, etc... Tudo válido e que sem eles tu não conseguirá tocar o projeto, mesmo porque, sou do meio e conheço o mundo acadêmico, mesmo que tu faça algo sensacional e não tiver um projeto teórico que justifique tudo teu trabalho não terá valor.

Pois bem, em resumo, para teu projeto, tu estás preso em duas possibilidades, asas muito grandes ou motor muito potente. Motor potente = maior consumo, maior consumo = a maior quantidade de placas, maior quantidade de placas = maior peso, maior peso = a ter que ter asas maiores ou motor mais potente.

Sei que hoje a tecnologia das placas está avançada, mas tecnologia avançada = alto custo. De onde virá a verba para teu projeto? Qual o valor que pretende gastar nele?

Entenda que falo isso baseado no fato de tu ter pedido uma ajuda á turma, mas o brinquedo pra funcionar vai sair caro.
Abração do meu tamanho!!
Respeitosamente
Douglas Lenz
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