Исследователи из австрийского Университета Иоганна Кеплера (JKU) в Линце разработали ультратонкие и сверхлегкие солнечные элементы, которые могут подзаряжать дрон. При наличии достаточного количества солнечного света этот солнечный модуль может генерировать мощность 250 мВт или 44 Вт на грамм. Это не так уж и много мощности, но доказательство концепции замечательно, позволяя дронам работать более автономно. Исследователи разработали и запустили автономный гибридный дрон на солнечной энергии, который они назвали Solar Hopper, чтобы проверить производительность своих солнечных батарей.

Во время летных испытаний солнечный бункер смог работать и выполнять несколько циклов зарядки-полета-заряда, просто используя солнечный свет для зарядки своих батарей.

«Солнечный бункер демонстрирует, как энергоавтономный летательный аппарат может выполнять различные задачи, такие как крупномасштабное картографирование, наблюдение, поиск и спасение, разведка и т. д. По завершении своей миссии бункер перезаряжается и начинает работу заново, подчеркивая его способность работать непрерывно без внешних источников питания», — рассказал Кристоф Путц, один из исследователей и аспирант JKU Linz. ЗМЭ Наука .

Перовскитные солнечные элементы для дронов

В то время как обычные солнечные элементы сделаны из кремния, ультратонкие и сверхлегкие элементы, питающие солнечный бункер, состоят из перовскита. Это минерал оксида кальция и титана, который используется в светодиодах, литий-ионных батареях, фотодетекторах и лазерах.

В последние годы солнечные элементы на основе перовскита также привлекли большое внимание из-за их потенциала высокоэффективного и недорогого производства. Исследование 2016 года показывает, что, хотя кремниевые элементы стоят 75 центов для производства мощности в один ватт в идеальных условиях солнечного света, перовскитные элементы могут достичь той же мощности всего за 10–20 центов.

По мнению исследователей, эти элементы также обладают многочисленными преимуществами по сравнению с обычными кремниевыми солнечными элементами в контексте питания автономных дронов.

Например, перовскитные солнечные элементы можно изготавливать ультратонкими слоями, что делает их исключительно легкими без ущерба для выходной мощности. Фактически, солнечные элементы Solar Hopper в 20 раз тоньше человеческого волоса.

По сравнению с кремниевыми элементами они также обеспечивают высокое соотношение мощности к весу, что делает их идеальными для применений, где вес имеет первостепенное значение, например, в воздушных транспортных средствах. Кроме того, они могут хорошо работать даже в условиях низкой освещенности и, следовательно, подходят для дронов, работающих в условиях переменного освещения, таких как облачные или частично затененные места.

Более того, их можно изготавливать на гибких подложках, что делает их легкими и податливыми к сложным поверхностям.

«Используя эти преимущества, перовскитные солнечные элементы предлагают убедительное решение для питания автономных летательных аппаратов, позволяющее увеличить время полета, увеличить дальность полета и расширить возможности выполнения миссий», — сказал Путц.

Кроме того, «ультратонкие солнечные элементы предназначены не только для дронов-квадрокоптеров; различные летательные аппараты, в том числе самолеты, дирижабли и даже носимая электроника, такая как умные часы, биосенсоры или смартфоны, также могут использовать эту технологию для повышения производительности», — добавил он.

Летные испытания Solar Hopper

Solar Hopper — это гибридный квадрокоптер с характерным внешним видом, оснащенный круглой рамой с 24 соединенными между собой перовскитными солнечными элементами.

Весь солнечный модуль в 25 раз легче дрона, а вес перовскитных элементов составляет всего 0,25 процента от общего веса самолета. Таким образом, добавление круглой рамы к дрону не влияет на производительность или стабильность во время полета.

Исследователи провели несколько летных испытаний Solar Hopper, в ходе которых дрон заряжался с помощью бортового солнечного модуля.

Они обнаружили, что Solar Hopper может летать более двух минут, а затем полностью заряжаться примерно за 1,5 часа в энергосберегающем состоянии с отключенной связью. Тогда как в готовом к полету состоянии, при всех включенных каналах связи, дрону потребовалось 3,5 часа на подзарядку.

«В нашем исследовании мы продемонстрировали шесть циклов полета-перезарядки-полета без каких-либо признаков ухудшения характеристик. Стоит отметить, что мы не оптимизировали сам дрон по эффективности. Нашей целью было продемонстрировать, как готовый продукт можно превратить в энергоавтономный дрон, просто интегрировав наши солнечные элементы», — сказал Путц. ЗМЭ Наука .

Чтобы сравнить изменение времени полета, исследователи также управляли солнечным бункером без солнечного модуля. Они заметили, что при наличии на борту солнечных батарей время полета самолета увеличивается почти на шесть процентов.

Это только начало

Результаты летных испытаний Solar Hopper показывают, что мы можем управлять дронами, используя солнечный свет. Это также предполагает, что сверхлегкие солнечные элементы на основе перовскита могут открыть новые пути интеграции солнечных элементов в новые конструкции дронов, продлить время их полета, увеличить грузоподъемность и улучшить общие характеристики энергоавтономных летательных аппаратов.

Более того, эта технология потенциально может заменить или дополнить различные существующие источники питания в различных приложениях. Например, в чрезвычайных ситуациях, таких как стихийные бедствия, ультратонкие солнечные элементы, встроенные в аварийные убежища, коммуникационное оборудование или медицинские устройства, могут стать надежным источником электроэнергии, когда традиционные источники энергии недоступны или повреждены.

Однако перовскитовые солнечные элементы, подобные тому, который используют исследователи, по-прежнему имеют множество ограничений и не готовы к широкомасштабному использованию.

Например, нынешняя конструкция солнечного модуля может питать только небольшие дроны и не может использоваться для больших летательных аппаратов. Процесс перезарядки элемента занимает много времени.

Путц и его коллеги надеются, что благодаря дальнейшим исследованиям они смогут улучшить масштабируемость, производительность и стабильность своего солнечного модуля и сделать его пригодным для использования в крупномасштабных дронах и других приложениях. В другом месте исследователи из Лондонского университета Королевы Марии разработали свой собственный квадрокоптер на солнечной энергии — 70-граммовый летательный аппарат, который может летать в среднем 3,5 минуты и перезаряжаться примерно за 68 минут.

«Продолжительные исследовательские усилия будут сосредоточены на дальнейшем повышении экологической стабильности и эффективности ультратонких перовскитных солнечных элементов, обеспечении их надежности для долгосрочного использования в различных приложениях», — сказал Путц. ЗМЭ Наука .

Исследование опубликовано в журнале Природная энергия .