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I recenti sviluppi nella tecnologia fotovoltaica (PV) hanno reso l’energia solare una valida alternativa per alimentare velivoli senza pilota (UAV, UAS, RPAS, droni) e piattaforme autonome terrestri e marine USV, ASV. Attualmente esistono molti modelli collaudati di veicoli e velivoli autonomi che incorporano la tecnologia dell’energia solare.
Efficienza della tecnologia solare
Il parametro più comunemente utilizzato per confrontare le prestazioni delle tecnologie solari è l’efficienza. L’efficienza è una misura della quantità di energia solare in entrata che può essere convertita in elettricità utilizzabile ed è influenzata dalla lunghezza d’onda, dalla riflettanza, dalla temperatura e da una serie di effetti a livello quantistico.
Sistema di gestione dell’energia solare per droni
I record di efficienza solare attualmente sono pari al 29,1% per una cella solare a giunzione singola e al 31,6% per una cella solare a giunzione multipla. Le celle solari a giunzione multipla utilizzano più strati per catturare la luce a più lunghezze d’onda e sono quindi in grado di raggiungere efficienze più elevate rispetto alle celle a giunzione singola. Lo svantaggio è che il processo di produzione è più complesso e costoso, rendendole più adatte a progetti speciali di UAV solari ad alto budget piuttosto che a sistemi senza pilota prodotti in serie.
Rapporto potenza/peso fotovoltaico
Il rapporto potenza/peso si calcola dividendo la potenza erogata dal sistema fotovoltaico per il suo peso totale. L’integrazione delle celle solari nelle ali di un UAV può richiedere adeguamenti strutturali, nonché un involucro protettivo che consenta alle celle solari di resistere agli ambienti difficili in cui opera il drone solare. Potrebbe anche esserci un peso aggiuntivo dovuto a interconnessioni e cablaggi supplementari. Tutti questi fattori devono essere presi in considerazione nel calcolo del peso totale del sottosistema solare.
Rapporto potenza/superficie delle celle solari
Il rapporto potenza/superficie è un parametro importante da considerare, poiché la superficie utilizzabile per le celle solari è limitata anche sui grandi UAV solari ad ala fissa. Aumentare la superficie alare di un velivolo senza pilota per ospitare un numero maggiore di celle solari può comportare un aumento del peso strutturale e della resistenza aerodinamica che non è compensato dal guadagno in termini di energia solare.
Anche la dimensione relativa delle singole celle solari rispetto alla dimensione dell’ala è una caratteristica importante, poiché celle più piccole consentono densità di imballaggio più elevate.
Indice di prestazione combinato
Considerare i parametri di cui sopra isolatamente potrebbe non essere sufficiente per valutare l’idoneità di una tecnologia solare per una particolare applicazione con droni. Un’elevata efficienza potrebbe comportare un aumento inaccettabile del peso, mentre un elevato rapporto potenza/peso potrebbe non essere sufficiente a compensare una bassa efficienza di conversione, soprattutto se la superficie alare disponibile dell’UAV è troppo piccola per fornire energia sufficiente.
Un indice combinato di prestazioni solari per gli UAV è stato proposto dallo sviluppatore di tecnologia fotovoltaica Alta Devices, che tiene conto sia del rapporto potenza/superficie che del rapporto potenza/massa, poiché valori elevati per entrambi i parametri sono estremamente desiderabili per le applicazioni solari degli UAV.
L’indice solare proposto moltiplica i due rapporti e calcola la radice quadrata del prodotto per fornire un output con la dimensione della potenza (watt).
I produttori e i gruppi di ricerca hanno sviluppato un’ampia varietà di tecnologie fotovoltaiche con diverse composizioni chimiche. Queste possono essere suddivise in due grandi gruppi: quelle basate su wafer e quelle basate su film sottile. Di seguito è riportata una selezione di tecnologie fotovoltaiche che potrebbero essere utilizzate per produrre sistemi di energia solare integrabili nei droni e negli UAV.
Celle solari in silicio cristallino
Gran parte dell’industria delle celle solari esistente è incentrata sulla produzione di wafer di silicio cristallino. Si tratta di una tecnologia altamente matura, che in genere offre una buona efficienza. Tuttavia, i wafer sono relativamente spessi e fragili, e richiedono laminati aggiuntivi per fornire una protezione adeguata. Ciò può aumentare in modo significativo il peso totale del sistema e limitare le opzioni di integrazione flessibili, entrambi fattori che incidono in modo particolare sugli UAV di dimensioni più ridotte.
Celle solari a film sottile in rame indio gallio seleniuro (CIGS)
Il CIGS è una tecnologia flessibile a film sottile che offre un’efficienza fino al 13%. Le celle sono sensibili all’umidità e all’aria e devono essere racchiuse in involucri ermetici che aggiungono peso e riducono le opzioni di integrazione. Le celle CIGS soffrono anche di una resa ridotta alle alte temperature e alla bassa intensità luminosa.
Celle solari in silicio amorfo (a-Si)
Le celle in silicio amorfo offrono numerosi vantaggi: sono economiche, facili da integrare nelle strutture, insensibili all’umidità e all’aria e la tecnologia è matura. Tuttavia, presentano una bassa efficienza, il che significa che la maggior parte dei droni non avrà una superficie sufficiente per montare un numero di celle adeguato a soddisfare il fabbisogno energetico del sistema.
Celle solari a film sottile in arseniuro di gallio (GaAs)
Il GaAs a film sottile è una tecnologia più recente che offre celle leggere e flessibili con elevate efficienze di conversione e rese energetiche elevate. Le celle a film sottile in GaAs sono meno sensibili all’aria e all’umidità e più facili da integrare rispetto alle celle CIGS, e le dimensioni ridotte delle celle consentono elevate densità di imballaggio. Questi fattori le rendono ideali per fornire energia a una vasta gamma di UAV solari di diverse dimensioni e classi.
Le celle a film sottile GaAs ottengono un punteggio più alto rispetto a qualsiasi altra tecnologia di energia solare nell’indice di prestazione solare combinato descritto in precedenza.
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