15
de gener
del
2020
Ferran Lumbierres, estudiant del grau en Enginyeria en Vehicles Aeroespacials a l'Escola Superior d'Enginyeries Industrial, Aeroespacial i Audiovisual de Terrassa (ESEIAAT) de la UPC, ha desenvolupat un vehicle aeri elèctric no tripulat (UAV) que podria volar amb autonomia infinita amb una incidència solar per sobre del 70 %. Dissenyat en el marc del seu Treball de Fi de Grau, l'estudiant ha detallat el procés de disseny i les consideracions tècniques necessàries per poder construir-lo i volar amb garanties d'èxit en missions de llarga durada. El cost dels materials per fabricar d'aquesta aeronau no superaria els 3.200 Euros.
Ferran Lumbierres ha projectat un UAV que, amb condicions meteorològiques favorables podria volar els mesos d'abril a setembre fins i tot durant la nit. En els mesos amb menys incidència solar (tardor i hivern), amb una previsió del 30 % de reducció solar, el vol d'autonomia infinita també seria possible, tot i que si les condicions meteorològiques fossin molt desfavorables, l'avió hauria d'aterrar per recarregar bateries.
Tal com explica l'estudiant, "el disseny d'un UAV d'autonomia infinita està basat en un seguit de sistemes que han de funcionar en sintonia i han d'estar dimensionats uns en funció dels altres. Busco la màxima eficiència. Cada gram i watt consumit de més poden marcar la diferència entre l'èxit o el fracàs del disseny."
Segons els càlculs de Lumbierres, aquest avió solar no tripulat podria fabricar-se amb 20.000 Euros. El 86 % del cost correspondria a les hores de treball d'enginyeria, mentre que el cost dels materials i components dels sistemes no arribaria als 3.200 Euros.
Les claus: les bateries i les cel·les fotovoltaiques
"Per aconseguir que el meu UAV voli amb autonomia infinita, la clau rau en la densitat energètica de les bateries, és a dir, en la quantitat d'energia que poden emmagatzemar per quilogram de bateria i, sobretot, en com les ubiquem dins de l'aeronau", explica Lumbierres. Per tant, les bateries i la seva densitat energètica són un dels pilars fonamentals del disseny de l'UAV: les bateries que s'utilitzin per construir un vehicle aeri elèctric no tripulat d'autonomia infinita han de comptar amb la capacitat energètica més gran possible.
Així i tot, també és important la seva ubicació dins de l'aeronau per evitar que la seva distribució requereixi una estructura voluminosa que generi una elevada fricció amb l'aire. Per això, Lumbierres ha pensat en un encapsulament de bateries de petit format. Com més gran és la bateria, més necessari és un buc de majors dimensions, que resulta menys eficient. Si l'encapsulat individual de les cel·les que conformen la bateria és menor, aquestes es poden distribuir per l'aeronau sense augmentar les dimensions del buc. Així, l'estudiant ha trobat una solució enginyosa per ubicar les bateries: encaixar-les dins d'un tub cilíndric que alhora faria la funció de biga transversal de les ales.
Característiques tècniques de l'enginy
Les ales s'han de fabricar amb fibra de carboni i fibra de vidre "amb materials compostos, l'estructura de l'UAV tindrà bones propietats mecàniques amb molt poc pes", afegeix Lumbierres. També és necessari que les bateries disposin d'una vida útil llarga i que puguin alternar cicles de càrrega i descàrrega sense haver passat per una descàrrega completa abans de la càrrega.
La bateria per la qual ha optat l'estudiant de la UPC a Terrassa és Samsung, d'ions de liti en format de cel·la de 18 mm de diàmetre i 650 mm de longitud, amb una capacitat de 3.000mAh i amb una ràtio màxim de descàrrega de 5C, fet que implica una descàrrega màxima a 15A. Cada cel·la presenta una massa màxima de 48g i una vida útil elevada, de més de 600 cicles de càrrega i descàrrega. L'aeronau, de 4,75 metres d'envergadura, contindria 60 d'aquestes cel·les.
L'UAV dissenyat per l'estudiant ha de volar a velocitats reduïdes per minimitzar el consum energètic, ha de presentar una elevada estabilitat per consumir la mínima energia i ha de comptar amb una elevada eficiència aerodinàmica. Per això, Lumbierres ha centrat el seu treball a establir uns paràmetres aerodinàmics bàsics, triar el tipus de bateries, la construcció i disposició de les cel·les fotovoltaiques, un sistema de propulsió eficient, el sistema elèctric adaptat al disseny de l'aeronau i, a partir d'aquí, calcular els punts de disseny favorables amb un programa d'optimització propi.
Ferran Lumbierres ha projectat un UAV que, amb condicions meteorològiques favorables podria volar els mesos d'abril a setembre fins i tot durant la nit. En els mesos amb menys incidència solar (tardor i hivern), amb una previsió del 30 % de reducció solar, el vol d'autonomia infinita també seria possible, tot i que si les condicions meteorològiques fossin molt desfavorables, l'avió hauria d'aterrar per recarregar bateries.
Tal com explica l'estudiant, "el disseny d'un UAV d'autonomia infinita està basat en un seguit de sistemes que han de funcionar en sintonia i han d'estar dimensionats uns en funció dels altres. Busco la màxima eficiència. Cada gram i watt consumit de més poden marcar la diferència entre l'èxit o el fracàs del disseny."
Part anterior de l'UAV dissenyat per Ferran Lumbierres. Foto: UPC
Foto: UPC
Segons els càlculs de Lumbierres, aquest avió solar no tripulat podria fabricar-se amb 20.000 Euros. El 86 % del cost correspondria a les hores de treball d'enginyeria, mentre que el cost dels materials i components dels sistemes no arribaria als 3.200 Euros.
Les claus: les bateries i les cel·les fotovoltaiques
"Per aconseguir que el meu UAV voli amb autonomia infinita, la clau rau en la densitat energètica de les bateries, és a dir, en la quantitat d'energia que poden emmagatzemar per quilogram de bateria i, sobretot, en com les ubiquem dins de l'aeronau", explica Lumbierres. Per tant, les bateries i la seva densitat energètica són un dels pilars fonamentals del disseny de l'UAV: les bateries que s'utilitzin per construir un vehicle aeri elèctric no tripulat d'autonomia infinita han de comptar amb la capacitat energètica més gran possible.
Així i tot, també és important la seva ubicació dins de l'aeronau per evitar que la seva distribució requereixi una estructura voluminosa que generi una elevada fricció amb l'aire. Per això, Lumbierres ha pensat en un encapsulament de bateries de petit format. Com més gran és la bateria, més necessari és un buc de majors dimensions, que resulta menys eficient. Si l'encapsulat individual de les cel·les que conformen la bateria és menor, aquestes es poden distribuir per l'aeronau sense augmentar les dimensions del buc. Així, l'estudiant ha trobat una solució enginyosa per ubicar les bateries: encaixar-les dins d'un tub cilíndric que alhora faria la funció de biga transversal de les ales.
Plànol general de l'aeronau. Foto: UPC
Característiques tècniques de l'enginy
Les ales s'han de fabricar amb fibra de carboni i fibra de vidre "amb materials compostos, l'estructura de l'UAV tindrà bones propietats mecàniques amb molt poc pes", afegeix Lumbierres. També és necessari que les bateries disposin d'una vida útil llarga i que puguin alternar cicles de càrrega i descàrrega sense haver passat per una descàrrega completa abans de la càrrega.
La bateria per la qual ha optat l'estudiant de la UPC a Terrassa és Samsung, d'ions de liti en format de cel·la de 18 mm de diàmetre i 650 mm de longitud, amb una capacitat de 3.000mAh i amb una ràtio màxim de descàrrega de 5C, fet que implica una descàrrega màxima a 15A. Cada cel·la presenta una massa màxima de 48g i una vida útil elevada, de més de 600 cicles de càrrega i descàrrega. L'aeronau, de 4,75 metres d'envergadura, contindria 60 d'aquestes cel·les.
L'UAV dissenyat per l'estudiant ha de volar a velocitats reduïdes per minimitzar el consum energètic, ha de presentar una elevada estabilitat per consumir la mínima energia i ha de comptar amb una elevada eficiència aerodinàmica. Per això, Lumbierres ha centrat el seu treball a establir uns paràmetres aerodinàmics bàsics, triar el tipus de bateries, la construcció i disposició de les cel·les fotovoltaiques, un sistema de propulsió eficient, el sistema elèctric adaptat al disseny de l'aeronau i, a partir d'aquí, calcular els punts de disseny favorables amb un programa d'optimització propi.