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Los recientes avances en la tecnología fotovoltaica (PV) han convertido la energía solar en una alternativa viable para alimentar aeronaves no tripuladas (UAV, UAS, RPAS, drones), así como plataformas autónomas terrestres y marítimas (USV, ASV). En la actualidad existen muchos diseños probados de vehículos y aeronaves autónomos que incorporan tecnología de energía solar.
Eficiencia de la tecnología solar
El parámetro más utilizado para comparar el rendimiento de las tecnologías solares es la eficiencia. La eficiencia es una medida de la cantidad de energía solar entrante que se puede convertir en electricidad utilizable, y se ve afectada por la longitud de onda, la reflectancia, la temperatura y una serie de efectos a nivel cuántico.
Sistema de gestión de energía solar para drones
Los récords de eficiencia solar se sitúan actualmente en el 29,1 % para las células solares de una sola unión y en el 31,6 % para las células solares de uniones múltiples. Las células solares de unión múltiple utilizan varias capas para capturar la luz en múltiples longitudes de onda, por lo que son capaces de alcanzar eficiencias más altas que las células de unión simple. La desventaja es que el proceso de fabricación es más complejo y costoso, lo que las hace más adecuadas para proyectos especiales de UAV solares de alto presupuesto que para sistemas no tripulados producidos en serie.
Relación potencia-peso fotovoltaica
La relación potencia-peso se calcula dividiendo la potencia de salida del sistema fotovoltaico por su peso total. La integración de células solares en las alas de un UAV puede requerir ajustes estructurales, así como una carcasa protectora que permita a las células solares sobrevivir a los exigentes entornos en los que opera el dron solar. También puede haber un peso adicional debido a las interconexiones y el cableado adicionales. Todos estos factores deben tenerse en cuenta al calcular el peso total del subsistema solar.
Relación potencia/superficie de las células solares
La relación potencia/superficie es una medida importante a tener en cuenta, ya que la superficie útil para las células solares es limitada, incluso en los UAV solares de ala fija de gran tamaño. Aumentar la superficie alar de un diseño de aeronave no tripulada para poder alojar más células solares puede dar lugar a un aumento del peso estructural y de la resistencia aerodinámica que no se compensa con el aumento de la energía solar.
El tamaño relativo de las células solares individuales en comparación con el tamaño del ala también es una característica importante, ya que las células más pequeñas permiten una mayor densidad de empaquetamiento.
Índice de rendimiento combinado
Tener en cuenta los parámetros anteriores de forma aislada puede no ser suficiente para evaluar la idoneidad de una tecnología solar para una aplicación concreta en drones. Una alta eficiencia puede suponer un aumento inaceptable del peso, y una alta relación potencia-peso puede no ser suficiente para compensar una baja eficiencia de conversión, especialmente si la superficie alar disponible del UAV es demasiado pequeña para proporcionar suficiente potencia.
El desarrollador de tecnología fotovoltaica Alta Devices ha propuesto un índice de rendimiento solar combinado para UAV que tiene en cuenta tanto la relación potencia-superficie como la relación potencia-masa, ya que unos valores elevados de ambos parámetros son muy deseables para las aplicaciones solares de UAV.
El índice solar propuesto multiplica las dos relaciones y toma la raíz cuadrada del producto para proporcionar un resultado con la dimensión de potencia (vatios).
Los fabricantes y los grupos de investigación han desarrollado una amplia variedad de tecnologías fotovoltaicas con diferentes composiciones químicas. Se pueden dividir a grandes rasgos en dos grupos: las basadas en obleas y las basadas en capas finas. A continuación se presenta una selección de tecnologías fotovoltaicas que podrían utilizarse para producir sistemas de energía solar que se pueden integrar en drones y UAV.
Células solares de silicio cristalino
Una gran parte de la industria actual de células solares se centra en la fabricación de obleas de silicio cristalino. Se trata de una tecnología muy madura que suele ofrecer una buena eficiencia. Sin embargo, las obleas son relativamente gruesas y también frágiles, por lo que requieren laminados adicionales para proporcionar una protección adecuada. Esto puede aumentar considerablemente el peso total del sistema y reducir las opciones de integración flexibles, dos factores que afectan especialmente a los UAV más pequeños.
Células solares de capa fina de cobre, indio, galio y selenio (CIGS)
CIGS es una tecnología de capa fina flexible que proporciona hasta un 13 % de eficiencia. Las células son sensibles a la humedad y al aire, y deben estar encerradas en carcasas herméticamente selladas, lo que añade peso y reduce las opciones de integración. Las células CIGS también sufren una reducción del rendimiento a altas temperaturas y baja intensidad lumínica.
Células solares de silicio amorfo (a-Si)
Las células de silicio amorfo ofrecen muchas ventajas: son económicas, fáciles de integrar en estructuras, insensibles a la humedad y al aire, y la tecnología está madura. Sin embargo, adolecen de baja eficiencia, lo que significa que la mayoría de los drones no tendrán suficiente superficie para montar las células necesarias para satisfacer las necesidades energéticas del sistema.
Células solares de película fina de arseniuro de galio (GaAs)
La película fina de GaAs es una tecnología más reciente que proporciona células ligeras y flexibles con altas eficiencias de conversión y altos rendimientos energéticos. Las células de película fina de GaAs son menos sensibles al aire y la humedad y más fáciles de integrar que las células CIGS, y el pequeño tamaño de las células permite una alta densidad de empaquetamiento. Estos factores las hacen ideales para proporcionar energía a una amplia gama de tamaños y clases de UAV solares.
Las células de película fina de GaAs obtienen una puntuación más alta que cualquier otra tecnología de energía solar en el índice de rendimiento solar combinado detallado anteriormente.
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