Kaip mes tikriname saulės orinių balionų prototipų našumą realiomis sąlygomis?

Realios veiklos našumo apibrėžimas saulės oro balionų prototipams

Kai kalbama apie tai, kaip saulės energija varomos oro balionų veikimas iš tikrųjų atitinka praktinius reikalavimus, svarbiausi yra trys pagrindiniai dalykai. Pirma, jie turi patikimai veikti net tuomet, kai orų sąlygos nuolat kinta. Antra, šios sistemos turi būti efektyvios saulės šviesą keičiant į energiją per visą dienos natūralaus apšvietimo ciklą. Trečia, jos turi sėkmingai pakelti bet kokį įrangą ar prietaisus, kuriuos turi pristatyti konkrečiai misijai. Išorėje vykstantys bandymai labai skiriasi nuo laboratorinių tyrimų. Lauke tenka susidurti su įvairiais neprognozuojamais veiksniais. Vėjo greitis gali labai smarkiai kisti – nuo vos 3 metrų per sekundę iki kartais pasiekiančių 25 m/s. Temperatūros svyruoja nuo kaulus stingdančių -60 laipsnių Celsijaus iki kepinančių 40 laipsnių Celsijaus. Be to, egzistuoja debesų atsiradimo ir dingimo problema, dėl kurios prieinama saulės energija, pagal praėjusiais metais paskelbtą tyrimą žurnale „Atmospheric Energy Journal“, gali sumažėti net 74 procentais.

Kas sudaro tikrųjų sąlygų našumą saulės energija varomose oro balionų sistemose

Našumas priklauso nuo prototipo gebėjimo išlaikyti aukštį 8–12 valandų, vežant naudingąją masę iki 5 kg. Tyrimai parodė, kad balionai, išlaikantys 85 % savo šiluminio keliamosios jėgos per pereinamąjį laikotarpį prieblandoje, pasiekia 30 % ilgesnį skrydžio trukmę nei standartiniai modeliai, kas pabrėžia šilumos išlaikymo svarbą realiomis sąlygomis.

Pagrindiniai našumo rodikliai: keliamosios jėgos efektyvumas, saulės energijos sugertis ir skrydžio trukmė

Duomenys iš 18 prototipų bandymų (2023 m.) parodė tiesioginę koreliaciją: kiekvienas 10 % saulės baterijų lankstumo padidėjimas pakilimo fazėje padidino energijos sugavimą 6,2 %, pabrėžiant adaptuojamų medžiagų svarbą realiomis sąlygomis.

Sunkumai siejant laboratorinius bandymus su lauko eksploatacinėmis sąlygomis

2022 m. Stratosferos tyrimų konsorciumo analizė parodė, kad 63 % laboratorijoje patvirtintų šilumos modelių nepaisė realių konvekcinio šilumos praradimo modelių. Šių spragų pašalinimui reikia kartojamų bandymų, kurie derina UV spindulių sukeltų apkrovų bandymus su aukščiui specifinėmis slėgio simuliacijomis, užtikrinant, kad prototipai patikimai veiktų už kontroliuojamų sąlygų ribų.

Skrydžio simuliacija ir planavimas patikimiems bandymams

Atmosferos ir saulės spinduliuotės modeliai skrydžio elgsenei prognozuoti

Norint, kad saulės oriniai balionai tinkamai veiktų, reikia suprasti, kaip oras retėja jų kylant aukštyn, kaip temperatūra keičiasi skirtinguose aukščiuose ir kaip sudėtingai kinta saulės šviesos intensyvumas. 2023 metais tyrinėjimą atliko mokslininkai iš Stratospheric Energy grupės ir atrado kažką įdomaus. Kai jų modeliai naudojo tikrus atmosferos slėgio duomenis vietoj fiksuotų skaitinių verčių, prognozės apie tai, kur keliaus šie balionai, gerokai patobulėjo – tyrimo rezultatai parodė apie 35–40 procentų pagerėjimą. Toks modeliavimas leidžia inžinieriams įvertinti, kas nutinka, kai netikėtai pasirodo audros ar debesys užstoja saulę, kol balionai skrenda dienos metu. Tai lemia sėkmingus startus ir padeda išvengti problemų skrydžio metu.

Programinės priemonės trajektorijų modeliavimui ir starto langų optimizavimui

Pažangios simuliacijos platformos integruoja istorinius orų modelius ir saulės spinduliavimo žemėlapius, kad nustatytų optimalius starto laikotarpius. Išbandydamos tūkstančius skrydžių scenarijų greitai, komandos gali išvengti rizikų, tokių kaip jet streamo trukdžiai ar nepakankamas ryto kėlimasis. Viena atvirojo kodo priemonė sumažino prototipų diegimo išlaidas 62 % dėka tikslaus skrydžio maršruto prognozavimo prieš skrydį.

Atvejo studija: Palyginamos simuliuotos ir faktinės saulinių oro balionų prototipų skrydžių trajektorijos

Per 18 mėnesių trukusius aukštos vietovės prototipų bandymus, buvo pasiekta gana gerą suderinamumas tarp modeliuotų rezultatų ir faktiškai oroje įvykusių reiškinių – naudojant specialius modelius, kurie derina NOAA orų duomenis su mūsų pačių slaptomis formulėmis, kaip saulės elementai sugeria šviesą, atitikimas siekė apie 85 procentus. Didžiausi sunkumai kildavo saulėlydžio ir saulėtekio metu, kai realybėje pagaminta energija atsilikdavo nuo prognozių maždaug 12–18 minučių. Šie radiniai padeda mums derinti danges ant saulės elementų, kad jos greičiau reaguotų į besikeičiančias sąlygas. Nuo 2021 m., kai pradėjome šiuos patvirtinimo darbus, laukuose pastebimai sumažėjo nepavykusių bandymų – pagal mūsų duomenis, visuminė klaidų dalis sumažėjo maždaug 41 procentu.

Lauko bandymai: saulės balionų prototipų paleidimas, sekimas ir atgavimas

Priešpaleidžiamasis kontrolinis sąrašas saulės energija varomiems balionams

Prieš pradedant bet kokius lauko tyrimus, pradinėje fazėje reikia atlikti nemažai paruošiamųjų darbų. Komanda užtikrina, kad saulės baterijos būtų tinkamai išlygintos – paprastai geriausiai tinka apie 15–25 laipsnių kampas, kad efektyviai sugautų saulės šviesą per dienos vidurį. Taip pat išsamiai apžiūrima baliono apvalkalą esant slėgiui, kuris yra apie 1,5 karto didesnis nei skrydžio metu, kad būtų patikrinti galimi silpni taškai ar nutekėjimai. Nereikia pamiršti ir rezervinių sistemų, integruotų į naudingąją apkrovą. Taip pat turi būti tinkamos orų sąlygos. Dauguma startų nevyksta, jei debesys dengia daugiau kaip 20 % dangaus ar jei vėjo greitis viršija 12 metrų per sekundę numatytame starto aukštyje. Pagal paskutiniais metais paskelbtus tyrimus apie aukštuminius balionus, beveik devyni iš dešimties startų nesėkmių buvo susiję su tuo, kaip gerai saulės energijos keitiklio įranga veikė kartu su telemetrijos sistemos komponentais. Remiantis mūsų iki šiol gautomis žiniomis, šių suderinamumo problemų išsprendimas atrodo absoliučiai būtinas.

Realinio laiko GPS ir telemetrijos sekimas skrydžio metu

Naujausi prototipų modeliai sugeba siųsti nuo dvylikos iki penkiolikos skirtingų jutiklių duomenų kiekvieną sekundę. Tarp jų – matavimai dėl UV spindulių veikimo lygio, keltuvų sistemos našumo ir esamos baterijos būklės. Kas liečia pozicionavimą, dviejų dažnių GPS moduliai geba nustatyti vietą horizontaliai tiksliai iki mažiau nei dviejų su puse metro, net kai skrendama trisdešimt kilometrų aukštyje virš žemės paviršiaus. Tuo tarpu LoRaWAN pagrįstos telemetrijos sistemos išlaiko ryšį atstumu, artėjančiu prie aštuongių kilometrų, kai yra tiesioginė matomumas. Tai patvirtinome per 2024 metų bandymus tose ekstremaliose aukštumose. Šiluminės kameros taip pat užfiksavo kažką įdomaus: saulės baterijos sugerdavo keturiolika procentų mažiau energijos, nes jų paviršiuje atsirado raukšlių. Tokio pobūdžio atradimai būtų neįmanomi kontroliuojamose laboratorinėse sąlygose, todėl lauko tyrimai yra būtini siekiant suprasti realaus pasaulio našumo problemas.

Atkūrimo strategijos ir duomenų atgavimas po skrydžių

Baigus skrydžius, operatoriai naudoja GPS nukreipiamas parašiutines sistemas kartu su specialia programine įranga, kuri numato, kur objektai nukris. Atkūrimo komandos labai stengiasi per maždaug keturias valandas grąžinti juoduosius dėžes, nes drėgmė gali greitai pradėti gadinti duomenis. Analizuojant 112 bandomųjų skrydžių su saulės balionais rezultatus, pastebima įdomi tendencija. Kai buvo derinamas palydovinio GPS ir tradicinių žemės antenų sekimas, sėkmingai buvo atgaunami apie 9 iš 10 objektų. Tai gerokai viršija maždaug dviejų trečdalių sėkmės rodiklį, pasiekiamą remiantis tik vien GPS signalais. Šie skaičiai yra labai svarbūs visiems, kas siekia atgauti vertingą įrangą po atmosferos tyrimų ar mokslinių misijų.

Aplinkos sauga ir šiukšlių mažinimas saulės balionų bandymų metu

Kai kalbama apie stratosferinius bandymus, įmonės laikosi beveik tik ISO 14001 standartų. Tai reiškia biologiškai skaidžių medžiagų naudojimą balionų membranoms ir saulės elementams, kurių kadmo turinys yra mažesnis nei pusė procento. Apie 18 km aukštyje automatiniai nuleidimo nutraukimo mechanizmai įsijungia, kad sustabdytų balionus nuo pernelyg tolimo horizontalaus dreifavimo. Šie mechanizmai faktiškai sumažina galimo kritimo vietos plotą maždaug tris ketvirtadalius, palyginti su senesniais laisvai plūduriuojančiais dizainais. Skrydžių planavimas taip pat tapo kur kas protingesnis. Dabar dauguma operacijų naudoja FAA patvirtintus algoritmus, siekiant išvengti konfliktų su kitais lėktuvais. Pagal naujausius duomenis iš oro navigacijos ataskaitų tarp 2019 ir 2023 metų, šie mechanizmai valdo beveik visas ankstesnes artimo susidūrimo su oro eismo srautu situacijas.

Pririšti prie žemės vs. laisvojo skrydžio bandymai: sistemos stabilumo ir duomenų tikslumo vertinimas

Pririštų prie žemės bandymų privalumai terminei ir keliamosios jėgos našumui analizuoti

Tiriant su lynais, tyrėjai gali kontroliuoti sąlygas, kai vertina saulės oro balionų prototipus. Ši konfigūracija leidžia jiems tiksliau išmatuoti, kaip gerai balionai valdo šilumą ir kuria keliamąją jėgą. Pririšti prie žemės, šie įrenginiai gali imituoti tikrus lauke pastebimus vėjo modelius, tačiau vis tiek išlaikyti kontrolę, kad inžinieriai galėtų stebėti vykstantį procesą iš arčiau. Jie puikiai tinka tiriant atskirus veiksnius, pvz., kiek saulės šviesos pasiekia baliono paviršių. Tyrimai rodo, kad pririšimo metodai terminių apkrovų testuose pasiekia apie 93 % nuoseklumą, o laisvai skrendantys – tik apie 67 %. Toks patikimumas ir lemia skirtumą, kai dizaineriai nori palaipsniui tobulinti savo kūrinius.

Jutiklių diegimas ir aplinkos monitoringas pririštuose platformose

Naudojant pritvirtintas sistemas, galime išdėstyti žymiai tankesnius jutiklių tinklus, kurie stebėtų tokius dalykus kaip oro judėjimo kryptys, kaip medžiagos plečiasi šildomos ir kaip efektyviai paviršiai sugeria saulės šviesą realiu laiku. Per šiuos laidus termovizijos įrenginiai nustato vietoves, kur vietomis kaupiasi įtampa, o specialūs prietaisai, vadinami piranometrais, stebi, kiek efektyviai saulės energija yra konvertuojama. Visa ši sistema labai sumažina riziką prarasti vertingus duomenis, kas dažnai nutinka tada, kai įranga laisvai skrenda, o vėliau turi būti surinkta atgal. Tai užtikrina nuolatinį stebėjimą net tada, jei orų sąlygos netikėtai pablogėtų.

Palyginamoji naša: pritvirtintos sistemos ir aukštos altitudės laisvojo skrydžio prototipai

Stratosferinės duomenų rinkimo procedūros naudojant laisvai skrendančius prototipus susiduria su nemaža galvos skausmų. GPS poslinkis išlieka pagrindinė problema, kai klaidos siekia apie ±15 metrų, nekalbant apie labai aukštas eksploatacijos išlaidas, bandant atgauti šiuos įrenginius po skrydžių. Pririšti sistemos užtikrina žymiai geresnę stabilumą, vertinant energijos naudojimo efektyvumą, todėl yra būtinas pagrindas prieš pradedant aukštosios altitudės bandymus. Dabartinėje praktikoje daugelis įmonių naudoja hibridines strategijas – pradėdamos nuo bandymų su pririštomis sistemomis, o vėliau pereina prie tikrų laisvųjų skrydžių. Pagal paskutinius praėjusiais metais paskelbtus tyrimus iš Aerospace Systems Journal, toks požiūris sumažina plėtros riziką apie 40 procentų, kas yra logiška, atsižvelgiant į tai, kiek brangiai kainuoja klaidos tokio masto projektuose.

Saulės energijos oro balionų prototipų optimizavimas atmosferos ir energijos taikymams

Stratosferinių duomenų naudojimas saulės energijos sugerties ir energijos naudojimo efektyvumo gerinimui

Analizuojant skrydžio duomenis iš stratosferos, esančios apie 18–22 kilometrų aukštyje, atsirado tikros galimybės pagerinti našumą. Kai tyrėjai išanalizavo 2023 metų bandomuosius skrydžius, jie nustatė, kad keičiant fotovoltinių elementų kampą priklausomai nuo šviesos sklaidos atmosferoje padidėja energijos efektyvumas net 14 %. Šiuo metu inžinieriai kuria geresnes membranas, kurios turi atlaikyti UV spinduliuotę, prasidedančią maždaug nuo 340 nanometrų, bet vis tiek leisti pakankamai šviesos optimaliam veikimui. Kuriami dinaminiai saulės sekimo sistemos, kurios prideda nuo 5 iki 7 procentų papildomo svorio – tai yra tai, ką komandos turi atsižvelgti. Tačiau tokios sistemos gali labai apsimokėti, maksimalaus saulės šviesos laikotarpiais padidindamos energijos išvestį beveik ketvirtadaliu.

Kainos, patikimumo ir mastelio derinimas kartojant prototipų bandymus

Lauko bandymai keturiose klimato zonose (2021–2024 m.) nustatė $120–$180/už m² optimalų tašką ilgaamžiams membranoms, kurios išlaiko daugiau nei 85 % našumą po 50 ir daugiau skrydžių. 2024 m. atlikta sąnaudų ir naudos analizė parodė, kad pririšti prototipai suteikia 92 % laisvųjų skrydžių energijos pajamas už 63 % mažesnes eksploatacijos sąnaudas. Moduliniai dizainai su standartizuotais komponentais surinkimo laiką sutrumpino 40 %, tuo pačiu atitinkantys FAA saugos standartus.

Pagrindiniai optimizavimo prioritetai:

• Palaikyti <2 % energijos nuostolių/km² esant kintamai debesims
• Pasiekti ≤72 valandų skrydžio trukmę su <5 % baterijų rezervine galia
• Didinti gamybą siekiant palaikyti daugiau nei 100 vienetų diegimą be daugiau nei 15 % kainos padidėjimo

Ši duomenimis paremta strategija leidžia tobulinti saulės balionų prototipus orų stebėsenai, telekomunikacijoms ir švarios energijos infrastruktūrai.

DUK

Kam naudojami saulės energija varomi balionai?

Saulės energija varomi balionai gali būti naudojami įvairiais tikslais, pvz., atmosferos tyrimams, telekomunikacijoms ir aplinkos stebėsenai. Jie tarnauja užduotims, kurioms reikia įrangą pakelti į tam tikrą aukštį duomenims rinkti.

Kiek laiko gali išbūti ore saulės energija varomas balionas?

Saulės energija varomo baliono veikimo trukmė lauko bandymuose svyruoja nuo 8 iki 12 valandų nešant naudingąją apkrovą iki 5 kg, priklausomai nuo įvairių aplinkos sąlygų ir konstrukcijos efektyvumo.

Su kokiomis iššūkiais saulės energija varomi balionai susiduria realaus pasaulio bandymuose?

Realiojo pasaulio iššūkiai apima nenuspėjamus orų pokyčius, kintamas temperatūras, kintamą vėjo greitį ir nenuolatinę saulės energiją dėl debesų, kurie visi gali paveikti našumą.

Kodėl svarbu atlikti pririštus bandymus?

Prisegto testavimo metodas yra svarbus tiksliai analizuojant šiluminę ir keliamąją jėgą, leidžiantis kontroliuojamomis sąlygomis imituoti realias situacijas didesniu patikimumu. Jis užtikrina nuoseklų duomenų rinkimą net kintant orų sąlygoms.