Το υποσύστημα Solar Energy Management (SEM) του Aeronautics Project, ιδρύθηκε τον Απρίλιο του 2020 και έχει ως στόχο την κατασκευή του απαραίτητου φωτοβολταϊκού συστήματος που θα καλύπτει τις ενεργειακές απαιτήσεις του Solar UAV PΗΟΕΝΙΧ. Είναι, επίσης, υπεύθυνο για τη βελτιστοποίηση της παραγόμενης ενέργειας από τον ήλιο και τη σωστή κατανομή της στα υπόλοιπα συστήματα του αεροσκάφους. Ένα άλλο δύσκολο έργο που πρέπει να φέρει εις πέρας το συγκεκριμένο υποσύστημα, είναι ο σχεδιασμός ενός συστήματος διαχείρισης μπαταριών που θα διασφαλίζει την αποτελεσματική αποθήκευση ενέργειας του αεροσκάφους σε όλα τα στάδια της πτήσης και είναι ζωτικής σημασίας για την ενεργειακή αυτονομία του αεροσκάφους.

Τα μέλη του υποσυστήματος αρχίζουν με την εκτέλεση υπολογισμών σχετικά με την ημερήσια ενέργεια που λαμβάνεται από τον ήλιο. Το επόμενο βήμα είναι ο διαχωρισμός της πτήσης σε διάφορα στάδια σύμφωνα με τις διάφορες απαιτήσεις ισχύος του UAV. Στη συνέχεια, η δεδομένη ενέργεια από τον ήλιο συγκρίνεται με τις ενεργειακές απαιτήσεις κάθε τμήματος πτήσης. Με τον τρόπο αυτό, γίνεται σαφής προσδιορισμός των πιθανών προβλημάτων όσον αφορά την ενεργειακή αυτονομία του, καθώς και της ποσότητας ενέργειας που απομένει για τη φόρτιση των μπαταριών μας κατά τη διάρκεια της πτήσης. Αυτό που ακολουθεί είναι η υλοποίηση ενός “έξυπνου” φορτιστή που βελτιστοποιεί την ενέργεια που λαμβάνεται από τον ήλιο για τη φόρτιση των μπαταριών μας. Στο συγκεκριμένο στάδιο, λαμβάνει χώρα η έρευνα πάνω στους φορτιστές με Ανιχνευτή Μέγιστου Σημείου Ισχύος .

174254014_749996655880233_163322456512836493_n
Μέλη του υποσυστήματος SEM που εργάζονται στην έρευνα για την ημερήσια δεδομένη ηλιακή ενέργεια στο εργαστήριο της ASAT

Ένας Ανιχνευτής Μέγιστου Σημείου Ισχύος (Α.Σ.Μ.Ι.) των φωτοβολταϊκών (Maximum Power Point Tracker στη διεθνή βιβλιογραφία) είναι ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας συνεχούς ρεύματος σε συνεχές ρεύμα που βελτιστοποιεί την αντιστοιχία μεταξύ της ηλιακής συστοιχίας (φωτοβολταϊκά πάνελ) και των μπαταριών του αεροσκάφους. Ο ελεγκτής φόρτισης ελέγχει την έξοδο των πάνελ και τη συγκρίνει με την τάση της μπαταρίας. Στη συνέχεια, υπολογίζει ποια είναι η καλύτερη ισχύς που μπορεί να δώσει το πάνελ για να φορτίσει την μπαταρία, χρησιμοποιώντας έναν υπολογιστικό αλγόριθμο. Αξιοποιώντας αυτές τις πληροφορίες, η συσκευή υπολογίζει τη βέλτιστη τάση για να περάσει τη μέγιστη ποσότητα ρεύματος στην μπαταρία.

Για τους σκοπούς αυτής της βελτιστοποίησης, είναι απαραίτητη η χρήση αλγορίθμων ταχείας απόκρισης, λόγω των συνεχών αλλαγών στις περιβαλλοντικές συνθήκες και στις παραμέτρους πτήσης. Πρέπει, επίσης, να δοθεί προσοχή στις διακυμάνσεις της ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της πτήσης. Στο διπλανό διάγραμμα παρουσιάζεται η καμπύλη I-V και P-V μιας τυπικής φωτοβολταϊκής συστοιχίας και σημειώνεται το σημείο μέγιστης ισχύος (P=IxV) με την ένδειξη, καθώς και η μέγιστη ισχύς που παρήγαγε το φωτοβολταϊκό στο σημείο αυτό.

Τα μέλη του υποσυστήματος εκτελούν επαγγελματικές προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας διάφορα εργαλεία λογισμικού, εξάγοντας έτσι συμπεράσματα για διαφορετικούς αλγορίθμους MPPT και ταχέως μεταβαλλόμενες συνθήκες πτήσης. Ένας από τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενους αλγορίθμους είναι η μέθοδος Διάταξης και Παρατήρησης (Perturb & Observe), η οποία είναι και από τις πιο διαδεδομένες λόγω της απλότητάς της. Η ομάδα μας διεξήγαγε έρευνα για την καλύτερη μέθοδο Α.Σ.Μ.Ι. που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον ελεγκτή φόρτισης, λαμβάνοντας υπόψη την πολυπλοκότητα, την υπολογιστική ισχύ και την αποδοτικότητά τους. Τα ευρήματα έδειξαν ότι ένας ελεγκτής ασαφούς λογικής ή μία εφαρμογή νευρωνικών δικτύων τείνουν να είναι οι καταλληλότερες για την περίπτωση του ελεγκτή φόρτισης ενός ηλιακού αεροσκάφους.

Η συγκεκριμένη προσομοίωση δείχνει πόσο γρήγορα το σύστημα συγκλίνει στο σημείο μέγιστης ισχύος για μεταβολές στις τιμές της ακτινοβολίας. Αλλάζοντας τις τιμές της ακτινοβολίας στο περιβάλλον και διατηρώντας τη θερμοκρασία σταθερή στους 25° βαθμούς Κελσίου, στοχεύουμε στην προσομοίωση διαφορετικών εντάσεων του ηλιακού φωτός. Η απόκριση δείχνει πώς συμπεριφέρεται σε απότομες μεταβολές της ακτινοβολίας, συγκλίνοντας πάντα στο σημείο της μέγιστης λαμβανόμενης ισχύος.

Για την υλοποίηση ενός από αυτούς τους αλγορίθμους, πρέπει να ενσωματωθεί στο κύκλωμα φόρτισης κάποιο στοιχείο υπολογιστικής ισχύος, προκειμένου να εκτελεί  αριθμητικές, λογικές, ελεγκτικές και εισόδου/εξόδου (I/O) πράξεις. Σε αυτό το σημείο απαιτείται ένας μικροελεγκτής. Το υποσύστημα SEM θα προχωρήσει σε έρευνα για να καθορίσει ποιος μικροελεγκτής θα ήταν ο καταλληλότερος για ένα ηλιακό UAV, έτσι ώστε να μπορέσουμε να αξιοποιήσουμε με τον καλύτερο δυνατό τρόπο το κύκλωμα φόρτισης και να βελτιστοποιήσουμε τη δεδομένη ισχύ από το φωτοβολταϊκό μας σύστημα.

working_from_home
Μέλη του υποσυστήματος εργάζονται σε πειραματικά κυκλώματα φόρτισης από το σπίτι

Ωστόσο, όλα τα παραπάνω δεν αρκούν, καθώς η διανομή ισχύος είναι ένα ακόμη κρίσιμο ζήτημα. Κάθε αεροσκάφος έχει τις δικές του μοναδικές ενεργειακές ανάγκες, απαιτώντας έτσι, την ανάπτυξη ενός κατάλληλου ενεργειακού συστήματος. Κάθε υποσύστημα αποτελείται από στοιχεία με διαφορετικές ενεργειακές απαιτήσεις, δημιουργώντας έτσι την ανάγκη για προσεκτική κατανομή της ισχύος που παράγεται από τους ηλιακούς συλλέκτες.

Σχεδίαση συστήματος διαχείρισης ενέργειας

Τέλος, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να ακολουθούνται σωστά τα βήματα φόρτισης των μπαταριών, καθώς έτσι διασφαλίζεται η ασφάλεια από πιθανές βλάβες. Η υπερφόρτιση, ο κίνδυνος πλήρους εκφόρτισης και η απόκλιση από την επιτρεπόμενη ποσότητα ρεύματος που διαρρέει τη μπαταρία, είναι μερικοί μόνο από τους κινδύνους που ελλοχεύουν κατά την ενασχόληση με τις διαδικασίες φόρτισης των επαναφορτιζόμενων μπαταριών.

Συνοψίζοντας, η έρευνα σχετικά με την ενεργειακή αυτονομία του UAV είναι απαραίτητη για τον καθορισμό των κρίσιμων σταδίων της πτήσης. Τα βέλτιστα συστήματα φόρτισης, σε συνδυασμό με τη φροντίδα για τη σωστή διαδικασία φόρτισης της μπαταρίας και τη σωστή κατανομή της λαμβανόμενης ενέργειας στα υπόλοιπα συστήματα που είναι ενσωματωμένα στο UAV, πρέπει να μελετηθούν προσεκτικά. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων επηρεάζει  σημαντικά την ενεργειακή απόδοση του αεροσκάφους. Η ακρίβεια, η υπομονή και οι επαναλαμβανόμενες μελέτες είναι απαραίτητες για να επιτύχει το υποσύστημα τους στόχους του.

Κατηγορίες: Aeronautics