哪一种材料更能解决无人机续航的问题呢?

2016-09-07 本站整理 条评论

无人机的续航时间一直是被人诟病,以目前的技术,无人机续航时间普遍在30分钟内。那么针对这一痛点,哪一种材料更能解决无人机续航的问题呢?

在无人机领域,虽然视觉定位、高清图传、感知壁障等一系列先进技术不断发展,续航这个根本问题却始终没有得到有效解决。

市面上的消费级无人机续航时间普遍在30分钟以内,如果是经验老道的飞手可能还能比较充分的利用这20多分钟,但是新手如果不能很好的节约能源,从无人机开机到起飞可能就需要好几分钟,再加上返航的时间,无人机根本飞不了多远。

电力巡线、警用侦察、搜索救援等工业级无人机对续航时间的要求更高,有业内人士表示,航时是工业级无人机解决一切作业难题的先决条件,一旦解决了航时问题,将会极大地扩展工业级无人机的应用场景和用途。

无人机的飞行原理不同于民航客机,客机可以靠机翼上下的空气压强差提供垂直方向的力,实现客机的飞行。大部分无人机是多旋翼飞行器,完全依靠螺旋桨的拉力把机身提起来,属于自己把自己提起来,意味着小小机身却需要大量能量来维持动力。

锂电池是无人机最常见的动力来源,可由于能量密度的限制,目前不可能取得大的突破,所以无人机想要解决续航问题,只能从别的方向下手。

氢燃料电池

氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阴极和阳极,氢在阳极变成氢离子(质子)通过电解质转移到阴极,同时放出电子通过外部的负载到达阴极,与氧气发生反应生成水。

燃料电池一直以能量密度大著称,目前已经有氢燃料电池应用于无人机。类似于“飞行时间破了记录,把飞手都飞哭了”的事件已经见诸报端。那么,氢燃料电池是不是解决无人机续航的理想方案呢?

去年,英国智能能源(Intelligent Energy)公司宣布创造了一种针对小型无人机的最优化燃料电池,通过在典型电池里添加氢燃料电池,公司表示它能够将无人机的飞行时间从20分钟扩展到至少2小时。由于利用压缩氢可以对电池进行充电,因此对耗尽的电池更换新燃料只需几分钟即可完成,相比之下对典型的无人机电池进行再充电需要40分钟至1小时。

今年2月份,苏格兰海洋科学协会(SAMS)在苏格兰机场成功进行了第一架使用固态氢动力系统无人机的飞行测试,起飞10分钟运行200英尺,并平稳着陆。它采用的是Cella公司的氢动力气体发生器和Arcola集成的燃料电池。这个电池的运行原理为:气体发生器使用专有的固态物质,将该物质加热到100℃以上时可将释放出大量的氢气。

在国内,武汉众宇动力系统科技有限公司于2014年底就开始尝试在无人机上应用燃料电池技术,2016年3月,搭载众宇动力燃料电池系统HyLite®的六旋翼无人机在野外实际飞行中实现了4小时33分的续航能力。

氢燃料的高效能有目共睹,其发电效率通常能达到32%至70%,所提供的续航能力远超锂电池。但氢燃料电池系统开发成本高、可靠性和耐久性低、供氢系统成本高等,都是掣肘氢燃料电池发展的主要因素。

太阳能动力

太阳能同样被无人机行业所看好,“动力阳光”使用太阳能作为动力环球飞行的消息更是让航空业为之振奋。无人机界最著名的太阳能无人机当属Facebook的联网无人机Aquila,其目标就是在空中持续飞行90天。

自上世纪八十年代,人们就开始对太阳能飞机的尝试,其中多款有人驾驶飞机和无人机在航空业上,留下了重要一笔。

此外,今年4月,美国Alta Devices公司宣布将太阳能电池转化效率的记录提高到了31.6%,创造世界纪录。这一突破将重新定义太阳能电池的使用,尤其是在无人机市场的使用。据公司介绍,对于典型的高空长航时无人机,Alta Devices的薄膜材料与其它薄膜技术相比,产生相同能量时,所需的面积不到其一半,重量也只有其四分之一。

虽然可以大幅延长续航时间,但太阳能无人机过于受到环境影响,且面临着诸多技术瓶颈:1.设计问题,包括适合加载太阳能基材的飞机设计、大展弦比机翼结构设计、无人机控制等等。2动力问题,我国业内对于太阳能电池阵列与系统的耦合研究较少,严重地制约了长航时无人机的电源整体论证,对无人机总体的飞行程序、任务轨迹、飞行动力的确定造成了较大的困难。而且,由于目前太阳能电池的国内转换效率还集中在18.5%-21%,电池的厚度在200—260μm,电池的转换效率和面密度水平有待进一步提升。

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