Источники Энергии Дронов – Раздвигая Границы Электрического Полета

Источники Энергии Дронов - Раздвигая Границы Электрического Полета Квадрокоптеры

Американцы разработали водородный почтовый дрон

Американский стартап FlightWave Aerospace Systems разработал беспилотный летательный аппарат Jupiter-H2, предназначенный для доставки почты и покупок. Как пишет Aviation Week, новый дрон оснащен водородным топливным элементом, благодаря которому может находиться в воздухе до двух часов против 30 минут, обычных для мультикоптеров сопоставимого размера.

Сегодня торговые компании и некоторые почтовые службы активно осваивают доставку товаров беспилотниками. Считается, что такой способ позволяет точнее планировать время и быстрее доставлять покупки и посылки. Однако доставка с помощью дронов имеет существенный недостаток — относительно малую дальность полета мультикоптеров.

Разные компании пытаются решить проблему малой дальности мультикоптеров по-разному. Использование водородных топливных элементов — одно из таких решений. В новом дроне Jupiter-H2 используется топливный элемент мощностью 650 ватт, к которому подключен бак для водорода объемом три литра. Бак размещен в верхней части рамы мультикоптера над системой подвески груза.

Аппарат выполнен по схеме квадрокоптера и имеет восемь воздушных винтов, размещенных попарно соосно в обтекателях. Ширина рамы Jupiter-H2 составляет 70 сантиметров. Беспилотник способен перевозить грузы массой до 1,3 килограмма. Начать продажу новых аппаратов планируется в 2023 году.

В начале сентября американский стартап Advanced Aircraft Co. представил малый гибридный летательный аппарат Hercules, который может эксплуатироваться в США в соответствии с правилами Федерального управления гражданской авиации. Беспилотник благодаря бензиновым двигателям с генераторами имеет существенно бо́льшую продолжительность полета, чем другие сопоставимые по размерам мультикоптеры.

Смотрите про коптеры:  Симуляторы полетов на квадрокоптерах

Дрон выполнен по самолетной схеме «утка» с поворотными крылом и передним горизонтальным оперением, на которых установлены шесть электромоторов с воздушными винтами. Беспилотник способен на вертикальные взлет и посадку. Он имеет массу 16,3 килограмма. Аппарат оснащен бензиновым поршневым двигателем, приводящим генератор и двумя топливными баками, вмещающими 2,8 килограмма топлива.

Аппарат способен перевозить грузы массой до 3,2 килограмма и находиться в воздухе до 3,5 часа. Новый беспилотник не придется сертифицировать для осуществления его полетов. В настоящее время Advanced Aircraft Co. завершает летные испытания дрона, а с декабря текущего года планирует начать его продажи.

Василий Сычёв

Батареи

Да, снова батареи. Хорошая вещь в батареях это их инфраструктура: их можно заряжать где угодно, в большинстве случаев их можно транспортировать без ограничений, ничего не проливается и не воспламеняется, а «дозаправка» осуществляется легко, путем замены блоков батарей.

Литий-полимерные (Li-Po) и литий-ионные (Li-ion) батареи являются наиболее распространенными источниками энергии для дронов, но это не означает, что путешествие заканчивается здесь. Литий-тионил-хлоридные батареи (Li-SOCl2) обещают в 2 раза более высокую плотность энергии на килограмм по сравнению с литий-полимерными батареями, а плотность энергии литий-оксидных батарей (Li-air) обещает быть почти в 7 раз выше.

Тем не менее, они не являются широко доступными, что связано с определенными расценками. Литий-серные батареи (Li-S) могут заменить литий-ионные элементы по причине их более высокой плотности энергии (коэффициент 1,8) и снижения затрат от использования серы.

Бензин, керосин, метанол, этанол, снг(пропан)

Есть много хорошо зарекомендовавших себя бензиновых решений, и некоторые из них с замечательными летными характеристиками. Беспилотник «Penguin C» от UAV Factory может пролететь более 20 часов на одном полном баке бензина, а «CAMCOPTER S-100» от Siebel – 6 часов.

Еще одним преимуществом, когда речь идет о выносливости, является то, что БПЛА работающие на бензине с течением времени полета теряют вес, делая платформу легче и, следовательно, увеличивая дальность полета.

Прелесть этого источника энергии заключается в сочетании высокой удельной энергии на массу [Вт/кг] и высокой удельной энергии на объем [Вт/л]. По сравнению с литий-полимерными батареями, бензин в 48 раз увеличивает массовую плотность и в 13 раз объемную плотность энергии.

Водород взлетает вертикально

Водородное будущее


Сейчас водородные топливные элементы обеспечивают энергией и портативные пауэр-банки, и городские автобусы с автомобилями, и железнодорожный транспорт

(более подробно об использовании водорода в автоиндустрии мы расскажем в нашем следующем посте).

Водородные топливные элементы неожиданно оказались отличным решением для квадрокоптеров — при аналогичной с аккумулятором массе запас водорода обеспечивает до пяти раз большее время полета. При этом мороз никак не влияет на эффективность. Экспериментальные дроны на топливных элементах производства российской компании AT Energy применялись для съемок на Олимпиаде в Сочи.

Стало известно, что на грядущих Олимпийских играх в Токио водород будет использоваться в автомобилях, при производстве электричества и тепла, а также станет главным источником энергии для олимпийской деревни. Для этого по заказу Toshiba Energy Systems &

Водородная энергетика — это наш «запас на будущее», когда от ископаемого топлива придется окончательно отказаться, а возобновляемые источники энергии не смогут покрывать нужды человечества. Согласно прогнозу Markets&Markets объем мирового производства водорода, который сейчас составляет $115 млрд, к 2023 году вырастет до $154 млрд.

Но в ближайшем будущем массовое внедрение технологии вряд ли произойдет, необходимо еще решить ряд проблем, связанных с производством и эксплуатацией специальных энергоустановок, снизить их стоимость. Когда технологические барьеры будут преодолены, водородная энергетика выйдет на новый уровень и, возможно, будет так же распространена, как сегодня традиционная или гидроэнергетика.

Водородный дрон провисел в воздухе рекордные 11 часов

Специалисты по сжижению водорода из южнокорейской компании MetaVista создали уникальный топливный бак с рекордной плотностью энергии. Дрон с ним провел в воздухе 10 часов 50 минут.

MetaVista специализируется на предоставлении энергетических решений на основе водорода. С учетом перспективности дронов поиск надежного, экологически чистого и, главное, легкого двигателя — одна из главных задач. Корейцы утверждают, что решили ее: их система оставляет не у дел все решения на базе литий-ионных аккумуляторов. И дрону не нужен поводок, чтобы парить в небе.

Как сообщает GasWorldd, дрон MetaVista с водородным «бензобаком» и двигателем FCPM производства Intelligent Energy провел в небе 10 часов 50 минут. Для дронов с литий-ионными аккумуляторами полчаса полета — уже достижение.

Испытания дрона-рекордсмена проходили на открытом воздухе.

Главное ноу-хау — легкий и прочный контейнер для жидкого водорода объемом 6 литров. MetaVista закачала в него 390 грамм жидкого водорода. Удельная энергоемкость системы составила 1865 Вт*ч/кг. Для сравнения: энергоемкость систем на основе Li-Ion аккумуляторов редко превышает 200 Вт*ч/кг.

С большим весом можно смириться, если речь идет об автомобилях — и даже находить в этом плюсы вроде большей устойчивости. Но для дронов каждые 100 грамм массы двигателя и аккумуляторов означают пропорциональное снижение полезной нагрузки.

После впечатляющей демонстрации возможностей обе компании нацелены на коммерциализацию технологии.

Глава Intelligent Energy Дэвид Вулхауз говорит: «Мы уже некоторое время работаем над легкими и надежными модулями для БПЛА на основе топливных элементов, которые предоставят клиентам возможности, невиданные для аккумуляторных дронов — намного больше времени в воздухе».

По его оценке, сжиженный водород даже по сравнению со сжатым водородом увеличивает полетное время в три раза.

MetaVista намерена представить коммерческий прототип в течение «месяцев», отметил Вулхауз.

Водород рассматривается как перспективное топливо не только для дронов, но и для седельных тягачей и грузовиков. Впрочем, для автомобильной индустрии речь все же не идет о десятикратном преимуществе, как с дронами.

Недавно водородный дрон поставил еще один рекорд на другом конце Земли: в Британии он продержал в воздухе груз массой 5 кг — 25% собственного веса — в течение часа с лишним.

Водородный квадрокоптер ● дроны, которые вас удивят!

Войдите, чтобы ставить лайки, комментировать и подписываться.

Водородный квадрокоптер hycopter способен летать 4 часа без перерыва

Предлагая многочисленные варианты использования электрических дронов, энтузиасты нередко забывают упомянуть о том, что на данный момент большинство многопропеллерных беспилотников способны летать максимум в течение 25 минут без подзарядки. Однако компания Horizon Energy Systems занимается разработкой квадрокоптера, который должен значительно превзойти конкурентов по этому параметру.

Разработка называется Hycopter и представляет собой дрон, работающий на топливных элементах. Ожидается, что устройство будет способно на 4 часа бесперебойного полета.

Благодаря продуманной конструкции, в трубках Hycopter содержится 120 грамм водорода под давлением 350 бар – таким образом, беспилотник не нуждается в дополнительной канистре с топливом.

Трубки, которые могут быть заполнены водородом многократно, у выставочной модели сделаны из чистого акрила. Тем не менее, в функциональном прототипе они будут изготовлены из углеродного волокна толщиной 5 мм с полимерной прокладкой. Как сообщают в компании Horizon, такое количество водорода должно предоставлять столько же энергии, сколько способны произвести 3 кг литиевых аккумуляторов.

Источники Энергии Дронов - Раздвигая Границы Электрического Полета

Преобразование газа в электроэнергию осуществляется с помощью легкого гибридного литий-полимерного топливного элемента. Общий вес готового дрона должен составить 5 кг, при этом аппарат сможет поднять до 1 кг груза. Однако важно учесть, что время полета полностью загруженного квадрокоптера будет ближе к 2,5 часам. Кроме того, предусмотрена возможность изменить месторасположение груза, чтобы обеспечить его равномерное распределение.

Глава Horizon’s Group Тарас Ванкевич рассказывает, что рабочий прототип уже почти готов, и его первый полет должен состояться в течение этого года. Пока компания принимает предварительные заказы на поставку Hycopter от заинтересованных клиентов. Окончательная цена дрона еще не установлена.

Вторая попытка

BMPower, которая как раз пытается предложить рынку не «сырой» экземпляр топливной системы, решила фокусироваться на индустриальных и военных дронах.

По оценкам компании, в мире эксплуатируется порядка полутора тысяч индустриальных дронов, а в ближайшие пять лет рынок будет ежегодно прирастать на шесть тысяч бортов.

Топливные элементы компания делает на подмосковном предприятии, причем, как говорит Алексей Иваненко, у BMPower есть ключевая технология изготовления мембран электродного блока. «Мы делаем весь цикл: от порошка до готовой системы в корпусе», — утверждает он.

В цеху установлено оборудование для изготовления катализаторов, нанесения мембран, лазерной резки. В BMPower стараются больше использовать российские компоненты. Если еще год назад почти все было импортным, то сегодня катализаторы, например, делаются уже в России.

Но электроника остается полностью импортной. «Мы сами сконструировали систему управления, но компоненты у нее импортные, — говорит Иваненко. — Однако мы работаем с “Алмаз-Антеем” — передаем им интеллектуальную собственность на систему управления, а они адаптируют ее к российской компонентной базе уже без нашего участия».

Хотя сам принцип использования химической реакции водорода для получения энергии известен как минимум сотню лет, все разработчики топливных систем на основе водорода идут своим путем, чтобы сделать их использование наиболее удобным. Исследования ведутся в области разработки оптимальных составов, создания новых катализаторов и технологий модификации мембраны с целью повысить энергоемкость и эффективность работы всей системы, а также снизить ее себестоимость.

В мире такие продукты для дронов и роботов делают как минимум шесть компаний, среди которых Protonex, Intellegent Energy, Horizon. Купить их топливные элементы можно и на российском рынке через дистрибуторов. По словам Иваненко, системы BMPower импортным не уступают, а в чем-то и выигрывают. К примеру, только они позволяют дронам летать в тридцати-сорокаградусные морозы.

Но все не так просто, как и на любом новом рынке.

Источники Энергии Дронов - Раздвигая Границы Электрического Полета
Топливные элементы — это не батареи, а электро-химические устройства. Они не накапливают, а вырабатывают энергию, и не через сжигание топлива, а путем химической реакции — в данном случае реакции водорода и кислорода, протекающей в мембранно-электродном блоке, который входит в состав топливного элемента. Молекулы водорода и кислорода взаимодействуют, а на выходе получается вода в виде жидкости или пара

Газоэлектрические гибриды

Яркими примерами являются гибридные газоэлектрические двигатели от Pegasus Aeronautics, базирующейсяся в Ватерлоо, Онтарио, или YEAIR из Берлина, Германия. Оба сочетают в себе быструю реакцию электродвигателя с преимуществами полета на бензине.

Дорогой водород

Одна из проблем на поверхности — высокая стоимость изготовления водородных топливных элементов и их цена. Стоят они от 10 тыс. до 15 тыс. долларов за топливную систему. А импортные еще дороже — от 15 тыс. до 30 тыс. долларов.

По словам гендиректора компании «Коптер экспресс технологии» Олега Понфиленка, если говорить о рынке легких дронов и дронов для доставки легковесных грузов, то для него такая цена неприемлема. Если дрон стоит 300–350 тыс. рублей, а аккумулятор — 50 тыс. рублей, то об использовании дорогих водородных топливных элементов и речи не идет.

«В нашем сегменте замены аккумуляторам не будет, — считает г-н Понфиленок. — Они сами по себе хорошо развиваются. Раньше дрон мог летать 15–20 минут, а теперь 30–40. Это произошло за последние четыре года. Не только благодаря аккумуляторам, но и за счет конструкции аппаратов». Водородные батарейки должны подешеветь в десять раз, чтобы они стали интересны для всех видов дронов.

Впрочем, в своем сегменте индустриальных и военных дронов BMPower готова побороться за клиентов. По словам Алексея Иваненко, активнее всего дроны применяются сейчас в нефтегазовой сфере, где периодически объявляются весомые тендеры стоимостью от 200 млн рублей.

Но пока компания преимущественно выполняет опытно-конструкторские работы. Например, для одного заказчика BMPower разрабатывает системы для переносных источников энергии. Такие ОКР — просто короткие испытания, причем эта работа частично оплачивается, по крайней мере, с некоторыми заказчиками об этом удается договориться.

Но недавно был подписан первый контракт с крупным «гражданским» клиентом — это ижевская компания «ИДС Технологии», поставляющая беспилотники для нефтяников. Как рассказал ее гендиректор Руслан Ямалиев, по условиям соглашения BMPower обязалась изготовить за полтора года более двух десятков топливных систем для коптеров.

По словам Руслана Ямалиева, основным фактором при принятии решения была возможность получить более мощный источник энергии, не увеличивая вес дрона. BMPower должна разработать для них систему, обеспечивающую дрону шесть часов полета. Для дорогих тяжелых коптеров цена водородных элементов не является неподъемной, утверждает Ямалиев.

Компания из Ижевска «Беспилотные системы» еще в 2023 году сотрудничала с AT Energy, заказывая там топливные элементы для мультикоптера увеличенного размера с полезной нагрузкой до двух килограммов (видеокомплекс для поиска и спасения людей). Как рассказал гендиректор «Беспилотных систем» Максим Шинкевич, они пытались использовать водородные топливные элементы, но быстро свернули опыты.

«Мы работаем на Крайнем Севере, группы действуют автономно, на небольших машинах, и им негде заправлять топливные элементы. С аккумуляторными батареями было проще обращаться. Каждый день ребята ведут несколько полетов, и топливных элементов просто не напастись», — говорит г-н Шинкевич.

Чтобы решить проблему с отсутствием инфраструктуры в виде заправочных станций, особенно в удаленных районах, BMPower заключила соглашение с компанией «Линде Газ Рус» (Linde Gas — крупнейший в мире производитель промышленных газов). Компания будет поставлять водород пользователям в режиме plug & play, уже в заправленных баллонах.

Как утверждает Алексей Иваненко, несмотря на рамочный характер большинства контрактов, у компании уже есть выручка: за прошлый год она заработала восемь миллионов рублей, а в этом году ожидается уже 47 миллионов. К 2023 году проект рассчитывает подойти с выручкой уже в миллиард рублей.

Расходы у стартапа небольшие, считает Иваненко: в среднем 2,7 млн рублей в месяц, притом что в компании работают 15 человек, включая производственный персонал. Следующий этап — выход на мировой рынок. В BMPower оценивают возможность открыть в первом квартале 2023 года офис в Европе или США.

За рубежом цикл принятия решения о заключении контракта — три–шесть месяцев, а в России минимум год. Для развития бизнеса (расширение производства и сертификация продукции, в том числе на международных рынках) BMPower намерена привлечь новый раунд инвестиций, до трех миллионов долларов.

Дрон на водородном топливе продержался в воздухе более трёх часов

Экспериментальному дрону удалось продержаться в воздухе впечатляющие 3,5 часа благодаря водородному топливному элементу, разработанному командой Делфтского технологического университета (TU Delft) в Нидерландах. Аппарат поддерживает вертикальный взлёт и посадку и использует в общей сложности 12 двигателей.

Проект является результатом сотрудничества команды Делфтского технологического университета, Королевского флота Нидерландов и береговой охраны Нидерландов. Дрон весит порядка 13 кг и имеет размах крыла 3 метра, с шестью двигателями на каждой стороне фюзеляжа. Из-за большого количества моторов аппарат крайне надёжен: даже если 7 двигателей выйдут из строя, он не упадёт и продолжит полёт.

Благодаря автономности в 3,5 часа, дрон идеально подходит для обеспечения поддержки в задачах разведки и инспекции, особенно над морской гладью. Такой дрон можно отправить к подозрительному судну и транслировать картинку в прямом эфире на основной корабль береговой охраны. Это позволяет пограничникам держаться подальше от потенциальной опасности и лучше понимать обстановку.

Декан факультета аэрокосмической техники Делфтского технического университета Анри Вери (Henri Werij) отметил: «Одним из важнейших аспектов этого исследовательского проекта является сам полёт на водородном топливе. Во всём мире водород считается одним из важнейших претендентов на роль экологически безопасного авиационного топлива».

Находясь на земле, дрон слегка наклонен вверх, что более эффективно для поднимающих его двигателей. Дрон несёт топливо в 6,8-литровом водородном баллоне из углеродного композита, выдерживающем давление в 300 бар, а питание осуществляется от топливного элемента мощностью 800 Вт, который преобразует водород в электричество. В результате реакции окисления кислородом дрон выделяет воду, что делает его экологически чистым.

Командир Питер Бланк (Pieter Blank) добавил: «Нынешнее поколение молодых людей растёт, обучаясь и экспериментируя, и для нас они — наши кадры будущего. Как новатор Королевского флота Нидерландов и береговой охраны Нидерландов, я горжусь этим сотрудничеством с университетом. Создание морского беспилотного летательного аппарата с водородным двигателем — настоящий технический прорыв, имеющий огромный потенциал в будущем».

Желающие могут посмотреть приведённое видео тестового полёта, чтобы узнать больше о дроне и команде разработчиков.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL ENTER.

Лазер

Компания Laser Motive разработала технологию силовой связи БПЛА, в которой беспилотники оснащены приемником-преобразователем лазерного пучка в энергию. В 2023 году Локхид Мартин при содействии Laser Motive представил беспилотник «Stalker», который непрерывно летал 48 часов с использованием лазерной системы зарядки.

Том Кунс, руководитель программы Stalker, сказал: подобная система подзарядки «земля-воздух» позволяет нам обеспечивать практически неограниченную продолжительность полета, чтобы расширять и расширять профили миссии, которые может выполнять движок Stalker».

Немецкие Ascending Technologies вместе с Laser Motive подтвердили эффективность этой технологии еще в 2023 году на небольшом беспилотном квадрокоптере, полетом в течение 12 часов.

Мобильная электростанция toshiba h2one

Мы разработали мобильную мини-электростанцию H2One, преобразующую воду в водород, а водород в энергию. Для поддержания электролиза в ней используются солнечные батареи, а излишки энергии накапливаются в аккумуляторах и обеспечивают работу системы в отсутствие солнечного света.

3

водорода, а на выходе обеспечивает мощность до 55 кВт. Для производства 1 м

3

водорода станции требуется до 2,5 м

3

воды.

Пока станция H2One не способна обеспечить электричеством крупное предприятие или целый город, но для функционирования небольших районов или организаций ее энергии будет вполне достаточно. Благодаря своей мобильности она может использоваться также как и временное решение в условиях стихийных бедствий или экстренного отключения электричества.

Сейчас Toshiba H2One используется лишь в нескольких городах в Японии — к примеру, она снабжает электричеством и горячей водой железнодорожную станцию в городе Кавасаки.

Монтаж системы H2One в городе Кавасаки

Проблемы добычи

Водородная энергетика экологична, но не автономна. Для работы топливному элементу нужен водород, который не встречается на Земле в чистом виде. Водород нужно получать, но все существующие сейчас способы либо очень затратны, либо малоэффективны.

Самым эффективным с точки зрения объёма полученного водорода на единицу затраченной энергии считается метод паровой конверсии природного газа. Метан соединяют с водяным паром при давлении 2 МПа (около 19 атмосфер, т. е. давление на глубине около 190 м) и температуре около 800 градусов, в результате чего получается конвертированный газ с содержанием водорода 55-75%. Для паровой конверсии необходимы огромные установки, которые могут быть применимы лишь на производстве.

Солнечная энергия

В последние годы солнечные элементы повысили свою эффективность с 10% до почти 46% и достигли коэффициента мощности около 175 Вт/м2. Для снабжения беспилотника исключительно солнечной энергией требуется большая поверхность, например, верхняя часть крыла. Такие крылья смогут очень хорошо работать в качестве элемента увеличения дальности полета для многороторных дронов.

Солнечные гибриды

Солнечные Гибриды (солнечная батарея обычная батарея) достигают удивительной выносливости. Alta Devices и PowerOasis объявили, что «сотрудничают в целях разработки первого в мире эталонного проекта, использующего интегрированные системм питания от солнечных батарей и литий-ионных батарей для небольших беспилотников».

Привязные системы предоставляют «неограниченное» время полета в небольшом радиусе, что идеально подходит для наблюдения и разведки. Система троса «T1» от MMC
поддерживает большинство дронов, таких как «TDrone 1200» от MMC, «Matrice 600» от DJI, «S1000»от DJI, «Typhoon H» от Yuneec, «Falcon 8 »от Intel, Микродроны «md4-1000» и много других.

Супер/ультра-конденсаторы

Вознесет ли графен на новые высоты SuperCaps? В феврале 2023 года General Electrics
спонсировала исследовательские работы в области суперконденсаторов. Первичные энергоресурсы, такие как двигатели внутреннего сгорания, топливные элементы и батареи, хорошо работают в качестве непрерывного источника малой мощности, но не могут эффективно справляться с пиковыми потребностями в энергии или восстанавливать энергию, поскольку они разряжаются и медленно перезаряжаются.

Кажется, что конденсаторы сильно отстают от батарей в отношении плотности энергии, но они являются отличным средством для улучшения гибких газоэлектрических гибридных конфигураций.

Подведение итогов

Все источники энергии беспилотных летательных аппаратов имеют свои индивидуальные преимущества, делающие специфической полезность каждой миссии. Гибридные решения (источник энергии двигательный комплекс) соответствуют переходу к более чистым видам энергиям.

Сегодня разумным шагом будет отобрать лучшее из двух миров, поскольку гибриды позволяют компенсировать недостатки каждой технологии. Более того, такое решение позволит увидеть, куда движутся другие отрасли (например, автомобильная), поскольку они являются хорошими «тиражниками», когда речь заходит о будущем снижении затрат благодаря массовому производству и наличию инфраструктуры.


На российском рынке представлены несколько производителей топливных элементов, одна из них компания BMPower (Москва).

Компания стала работать на рынке с 2023 года и реализовала уже более 20 пилотных и коммерческих проектов. Один из них – первый в мире водородный вертолет (30кг взлетная масса, полезная нагрузка до 5кг) с временем полета до трех часов. Отличительной чертой продукта компании BMPowerявляются топливные элементы, способные работать в экстремальных условиях до -40С.

Сейчас у компании широкая сеть технологических партнеров в разных странах мира – Великобритания, Израиль, США, Бразилия. В декабре 2023 BMPower принимала участие в международном конкурсе IPIEC-GLOBAL 2023 и заняла двенадцатое место среди 300 компаний участников и третье место в интернет-голосовании.

Оцените статью
Радиокоптер.ру
Добавить комментарий