Solartechnologie für Drohnen

Solarenergie für Drohnen und unbemannte Systeme

Die jüngsten Entwicklungen in der Photovoltaik-Technologie (PV) haben Solarenergie zu einer praktikablen Alternative für die Stromversorgung von unbemannten Flugzeugen (UAV, UAS, RPAS, Drohnen) sowie von autonomen Plattformen an Land und auf See (USVs, ASVs) gemacht. Mittlerweile gibt es viele bewährte Designs für autonome Fahrzeuge und Flugzeuge, die Solarenergietechnologie integrieren.

Solarbetriebene Technologie

Kennzahlen zur Bewertung von Photovoltaik-Technologien und ihrer Eignung für Solar-UAV-Anwendungen

Effizienz der Solartechnologie
Der am häufigsten verwendete Parameter zum Vergleich der Leistung von Solartechnologien ist die Effizienz. Die Effizienz ist ein Maß dafür, wie viel der einfallenden Sonnenenergie in nutzbaren Strom umgewandelt werden kann, und wird durch Wellenlänge, Reflexion, Temperatur und eine Reihe von Effekten auf Quantenebene beeinflusst.

Solarstrom-Managementsystem für Drohnen

Die Rekorde für den Solarwirkungsgrad liegen derzeit bei 29,1 % für eine Einfachsolarzelle und 31,6 % für eine Mehrfachsolarzelle. Mehrfachsolarzellen nutzen mehrere Schichten, um Licht in mehreren Wellenlängen einzufangen, und erreichen somit einen höheren Wirkungsgrad als Einfachsolarzellen. Der Nachteil ist, dass der Herstellungsprozess anspruchsvoller und kostspieliger ist, sodass sie sich eher für spezielle Solar-UAV-Projekte mit hohem Budget eignen als für massenproduzierte unbemannte Systeme.

Leistungsgewicht der Photovoltaik
Das Leistungsgewicht wird berechnet, indem die Leistungsabgabe der PV-Anlage durch ihr Gesamtgewicht dividiert wird. Die Integration von Solarzellen in die Flügel eines UAV kann strukturelle Anpassungen sowie eine Schutzhülle erfordern, damit die Solarzellen den anspruchsvollen Umgebungsbedingungen standhalten, in denen die Solardrohne eingesetzt wird. Durch zusätzliche Verbindungen und Verkabelungen kann es ebenfalls zu einem Mehrgewicht kommen. All diese Faktoren sollten bei der Berechnung des Gesamtgewichts des Solarsubsystems berücksichtigt werden.

Leistung-Flächen-Verhältnis von Solarzellen
Das Leistung-Flächen-Verhältnis ist ein wichtiger Faktor, da die nutzbare Fläche für Solarzellen selbst bei großen Solar-UAVs mit festen Tragflächen begrenzt ist. Eine Vergrößerung der Flügelfläche eines unbemannten Flugzeugs, um mehr Solarzellen unterbringen zu können, kann zu einer Erhöhung des Strukturgewichts und des Luftwiderstands führen, die durch den Gewinn an Solarenergie nicht ausgeglichen wird.

Die relative Größe der einzelnen Solarzellen im Vergleich zur Flügelgröße ist ebenfalls ein wichtiges Merkmal, da kleinere Zellen eine höhere Packungsdichte ermöglichen.

Kombinierter Leistungsindex
Die isolierte Betrachtung der oben genannten Kennzahlen reicht möglicherweise nicht aus, um die Eignung einer Solartechnologie für eine bestimmte Drohnenanwendung zu beurteilen. Eine hohe Effizienz kann mit einer inakzeptablen Gewichtszunahme einhergehen, und ein hohes Leistungsgewicht reicht möglicherweise nicht aus, um eine geringe Umwandlungseffizienz auszugleichen, insbesondere wenn die verfügbare Flügelfläche des UAV zu klein ist, um ausreichend Leistung zu liefern.

Der Photovoltaik-Technologieentwickler Alta Devices hat einen kombinierten Solarleistungsindex für UAVs vorgeschlagen, der sowohl das Leistungs-Flächen-Verhältnis als auch das Leistungs-Masse-Verhältnis berücksichtigt, da hohe Werte für beide Parameter für Solar-UAV-Anwendungen äußerst wünschenswert sind.

Der vorgeschlagene Solarindex multipliziert die beiden Verhältnisse und zieht die Quadratwurzel aus dem Produkt, um eine Leistung in Watt zu erhalten.

Solarbetriebene Drohnentechnologien

Hersteller und Forschungsgruppen haben eine Vielzahl von Photovoltaik-Technologien mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen entwickelt. Diese lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen: waferbasierte und dünnschichtbasierte Technologien. Nachfolgend finden Sie eine Auswahl von Photovoltaik-Technologien, die zur Herstellung von Solarstromanlagen verwendet werden könnten, die in Drohnen und UAVs integriert werden können.

Kristalline Silizium-Solarzellen
Ein großer Teil der bestehenden Solarzellenindustrie konzentriert sich auf die Herstellung von Wafern aus kristallinem Silizium. Hierbei handelt es sich um eine ausgereifte Technologie, die in der Regel einen guten Wirkungsgrad bietet. Die Wafer sind jedoch relativ dick und spröde, sodass zusätzliche Laminate erforderlich sind, um einen ausreichenden Schutz zu gewährleisten. Dies kann das Gesamtgewicht des Systems erheblich erhöhen und die Integrationsmöglichkeiten einschränken, was sich insbesondere auf kleinere UAVs auswirkt.

Dünnschicht-Solarzellen aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS)
CIGS ist eine flexible Dünnschichttechnologie, die einen Wirkungsgrad von bis zu 13 % bietet. Die Zellen sind empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Luft und müssen in hermetisch abgeschlossenen Gehäusen untergebracht werden, was das Gewicht erhöht und die Integrationsmöglichkeiten einschränkt. CIGS-Zellen leiden außerdem unter einem geringeren Ertrag bei hohen Temperaturen und geringer Lichtintensität.

Amorphe Silizium-Solarzellen (a-Si)
Amorphe Siliziumzellen bieten viele Vorteile: Sie sind kostengünstig, lassen sich leicht in Strukturen integrieren, sind unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Luft und die Technologie ist ausgereift. Allerdings weisen sie einen geringen Wirkungsgrad auf, was bedeutet, dass die meisten Drohnen nicht über genügend Fläche verfügen, um genügend Zellen zu montieren, um den Energiebedarf des Systems zu decken.

Dünnschicht-Solarzellen aus Galliumarsenid (GaAs)
Dünnschicht-GaAs ist eine neuere Technologie, die leichte, flexible Zellen mit hohen Umwandlungswirkungsgraden und hohen Energieerträgen bietet. GaAs-Dünnschichtzellen sind weniger empfindlich gegenüber Luft und Feuchtigkeit und lassen sich leichter integrieren als CIGS-Zellen, und die geringe Zellgröße führt zu hohen Packungsdichten. Diese Faktoren machen sie ideal für die Stromversorgung einer Vielzahl von Solar-UAVs unterschiedlicher Größe und Klasse.

GaAs-Dünnschichtzellen schneiden im zuvor beschriebenen kombinierten Solarleistungsindex besser ab als jede andere Solarstromtechnologie.