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Os recentes desenvolvimentos na tecnologia fotovoltaica (PV) tornaram a energia solar uma alternativa viável para alimentar aeronaves não tripuladas (UAV, UAS, RPAS, drones), bem como plataformas autónomas terrestres e marítimas USVs, ASVs. Existem agora muitos projetos comprovados de veículos e aeronaves autónomos que incorporam tecnologia de energia solar.
Eficiência da tecnologia solar
O parâmetro mais utilizado para comparar o desempenho das tecnologias solares é a eficiência. A eficiência é uma medida de quanta energia solar recebida pode ser convertida em eletricidade utilizável e é afetada pelo comprimento de onda, refletância, temperatura e uma série de efeitos ao nível quântico.
Sistema de gestão de energia solar para drones
Os recordes de eficiência solar atualmente são de 29,1% para uma célula solar de junção única e 31,6% para uma célula solar de junção múltipla. As células solares de junção múltipla utilizam várias camadas para capturar luz em vários comprimentos de onda e, portanto, são capazes de atingir eficiências mais elevadas do que as células de junção única. A desvantagem é que o processo de fabrico é mais complexo e dispendioso, tornando-as mais adequadas para projetos especiais de UAV solares de alto orçamento do que para sistemas não tripulados produzidos em massa.
Relação potência/peso fotovoltaica
A relação potência/peso é calculada dividindo a potência de saída do sistema fotovoltaico pelo seu peso total. A integração de células solares nas asas de um UAV pode exigir ajustes estruturais, bem como um invólucro protetor que permita que as células solares sobrevivam aos ambientes exigentes em que o drone solar opera. Também pode haver peso extra devido a interconexões e cabos adicionais. Todos esses fatores devem ser levados em consideração ao calcular o peso total do subsistema solar.
Relação potência/área das células solares
A relação potência/área é uma métrica importante a considerar, uma vez que a área útil para células solares é limitada, mesmo em grandes UAVs solares de asa fixa. Aumentar a área da asa de um projeto de aeronave não tripulada para acomodar mais células solares pode resultar num aumento do peso estrutural e do arrasto que não é compensado pelo ganho em energia solar.
O tamanho relativo das células solares individuais em comparação com o tamanho da asa também é uma característica importante, pois células menores permitem densidades de empacotamento mais altas.
Índice de desempenho combinado
Considerar as métricas acima isoladamente pode não ser suficiente para avaliar a adequação de uma tecnologia solar para uma aplicação específica em drones. A alta eficiência pode vir à custa de um aumento inaceitável no peso, e uma alta relação potência/peso pode não ser suficiente para superar uma baixa eficiência de conversão, especialmente se a área da superfície da asa disponível do UAV for muito pequena para fornecer energia suficiente.
Um índice de desempenho solar combinado para UAVs foi proposto pela desenvolvedora de tecnologia fotovoltaica Alta Devices, que leva em consideração as relações potência/área e potência/massa, uma vez que valores elevados para ambos os parâmetros são extremamente desejáveis para aplicações de UAVs solares.
O índice solar proposto multiplica as duas relações e calcula a raiz quadrada do produto para fornecer uma saída com a dimensão de potência (watts).
Uma grande variedade de tecnologias fotovoltaicas com diferentes composições químicas foi desenvolvida por fabricantes e grupos de pesquisa. Elas podem ser divididas em dois grupos: baseadas em wafer e baseadas em película fina. Abaixo está uma seleção de tecnologias fotovoltaicas que podem ser usadas para produzir sistemas de energia solar que podem ser integrados a drones e UAVs.
Células solares de silício cristalino
Grande parte da indústria de células solares existente está centrada na fabricação de wafers de silício cristalino. Esta é uma tecnologia altamente madura e normalmente oferece boa eficiência. No entanto, os wafers são relativamente espessos e também frágeis, exigindo laminados extras para fornecer proteção adequada. Isso pode aumentar significativamente o peso total do sistema e permitir opções de integração menos flexíveis, fatores que afetam particularmente os UAVs menores.
Células solares de película fina de cobre, índio, gálio e selénio (CIGS)
O CIGS é uma tecnologia de película fina flexível que proporciona uma eficiência de até 13%. As células são sensíveis à humidade e ao ar e precisam de ser encapsuladas em caixas herméticas, o que aumenta o peso e reduz as opções de integração. As células CIGS também sofrem de rendimento reduzido em altas temperaturas e baixa intensidade de luz.
Células solares de silício amorfo (a-Si)
As células de silício amorfo oferecem muitas vantagens: são baratas, fáceis de integrar em estruturas, insensíveis à humidade e ao ar, e a tecnologia é madura. No entanto, sofrem de baixas eficiências, o que significa que a maioria dos drones terá área insuficiente para montar células suficientes para atender às necessidades de energia do sistema.
Células solares de película fina de arsenieto de gálio (GaAs)
A película fina de GaAs é uma tecnologia mais recente que proporciona células leves e flexíveis com elevada eficiência de conversão e elevado rendimento energético. As células de película fina de GaAs são menos sensíveis ao ar e à humidade e mais fáceis de integrar do que as células CIGS, e o tamanho reduzido das células permite elevadas densidades de empacotamento. Esses fatores tornam-nas ideais para fornecer energia a uma ampla gama de tamanhos e classes de UAVs solares.
As células de película fina de GaAs têm uma pontuação mais alta do que qualquer outra tecnologia de energia solar no índice de desempenho solar combinado detalhado anteriormente.
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