طراحی سیستم انرژی خورشیدی جهت تأمین انرژی الکتریکی هواپیمای فوق سبک به‌منظور تشخیص دود و اعلان حریق

نویسنده

دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری

چکیده

هدف از این مقاله طراحی و امکان‌سنجی ساخت یک هواپیمای سبک‌وزن خورشیدی است که توانایی پرواز بی‌وقفه به‌مدت 24 ساعت را تنها با تکیه ‌بر انرژی خورشیدی دارد. انرژی مورد نیاز در طول روز با پنل‌های خورشیدی جذب می‌شود؛ مقداری به‌صورت مستقیم برای پرواز استفاده می‌شود و مازاد انرژی، برای پرواز در طول شب در باتری هواپیما ذخیره می‌شود. سپس از این هواپیما برای مأموریت‌هایی که نیاز به مداومت پروازی طولانی است استفاده خواهد شد. به همین منظور یک سیستم تشخیص حریق و اعلان به ایستگاه زمینی طراحی و برای نصب آن در هواپیما تمهیداتی در نظر گرفته شده است. در این مقاله یک روش تحلیلی برای تشکیل مدل پیش‌بینی جرم هواپیما ارائه می‌شود که بر مبنای دخالت دادن تمام ادوات الکتریکی و مکانیکی است، به‌نحوی ‌که بتوان به یک مدل طراحی بهینه دست ‌یافت. این روش تحلیلی، مبتنی بر توازن جرم و انرژی در مراحل مختلف پرواز است. با دخالت دادن نزدیک 30 پارامتر مختلف در این مدل‌سازی، در نهایت با توجه به اهداف تعیین‌شده، به مشخصه‌های طراحی مورد نظر همچون طول بال بهینۀ هواپیما، ظرفیت باتری، ارتفاع پروازی، سطح توان فرستنده و... می‌توان دست‌ یافت. یک چهارچوب شبیه‌سازی الکتریکی معرفی و در نرم‌افزار سیمولینک متلب به‌صورت زمان واقعیاجرا شد که نتایج آن ارائه شده است. برای صحت عملکرد مدل شبیه‌سازی‌شده، یک نمونۀ آزمایشگاهی ساخته شده است و تمام پارامترهای پروازی، الکتریکی و مکانیکی روی آن آزمایش شده است.
 

 

کلیدواژه‌ها


[1] Dovgal, T. A., Oreshkin, V. I., Prikhodko, D. V. and Chistukhin, V. V., "Evaluation of High-Speed UAV Communication System", IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), pp. 2252-2254, 2020. [2] Divshali, P. H., Choi, B. and Liang, J. H., "Multi-agent transactive energy management system considering high levels of renewable energy source and electric vehicles", IET Generation, Transmission & Distribution, vol. 11, no. 15, pp. 3713-3721, 2017. [3] Lee, S. and Yu, K. H., "Optimal Path Planning of Solar-Powered UAV Using Gravitational Potential Energy", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 53, No. 3, pp. 1442-1451, 2017. [4] Obaid, W., Hamid, A. and Ghenai, C., "Hybrid Fuel-Cell-Solar Power System Design for Water Pumping Applications with Fuzzy Energy Management and Weather Forecasting", Advances in Science and Engineering Technology International Conferences (ASET), pp. 1-5, 2020. [5] Anand, I., S., Senthilkumar, D. Biswas and Kaliamoorthy, M., "Dynamic Power Management System Employing a Single-Stage Power Converter for Standalone Solar PV Applications", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, No. 12, pp. 10352-10362, 2018. [6] Zhang, T, Zhu, X, Zhou, Z., Wang, R. and Chen, R., "Energy Management of Solar UAV Level Flight", IEEE International Conference on Prognostics and Health Management (ICPHM), pp. 1-6. 2020. [7] Wang, J. Wu, Huang, H., Su, Y., Z. and Zhang, M., "Energy Management Strategy for Solar-Powered UAV Long-Endurance Target Tracking", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 55, No. 4, pp. 1878-1891, 2019. [8] Azari, M., Geraci, G., Garcia-Rodriguez, A. and Pollin, S., "UAV-to-UAV Communications in Cellular Networks", IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 19, No. 9, pp. 6130-6144, 2020. [9] Kim, S., Padilla. Kim, G. E. G., K. and Yu, K., "Flight Path Planning for a Solar Powered UAV in Wind Fields Using Direct Collocation", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 56, No. 2, pp. 1094-1105, 2020. [10] Chiaraviglio, L. et al., "Minimum Cost Design of Cellular Networks in Rural Areas with UAVs, Optical Rings, Solar Panels, and Batteries", in IEEE Transactions on Green Communications and Networking, Vol. 3, No. 4, pp. 901-918, 2019. [11] Sujit, P.B., Kingston, D. and Beard, R., "Cooperative forest fire monitoring using multiple UAVs", IEEE Conference on Decision and Control, pp.4875-4880, 2007. [12] Shiau, J.K. Ma, D.M., Yang, P.Y. Wang, G.F. and Gong, J.H., "Design of a Solar Power Management System for an Experimental UAV", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol.45, No.4, pp.1350-1360, 2009. [13] Guizani, S., "Low Energy System Proposal for UAV Applications Using Flexible Solar Cells", International Wireless Communications & Mobile Computing Conference (IWCMC), pp. 455-458, 2019. [14] Thipyopas, C., Sripawadkul, V. and Warin, N., "Design and Development of a Small Solar-Powered UAV for Environmental Monitoring Application", IEEE Eurasia Conference on IOT, Communication and Engineering (ECICE), pp. 316-319, 2019. [15] Wang, H. and Shen, J., "The Research of Voltage Prediction of Solar UAV Panel by Improved Mind Evolutionary Algorithm", International Conference on Computational Intelligence and Applications (ICCIA), pp. 71-74, 2018. [16] Ragot, P., Markovic, M. and Perriard, Y., "Optimization of electric motor for a solar airplane application", IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 42, No. 4, pp. 1053-1061, 2006. [17] Karabetsky, D., "Solar rechargeable airplane: Power system optimization", International Conference on Methods and Systems of Navigation and Motion Control (MSNMC), pp. 218-220, 2016. [18] Zhenyu, M., Xiaoping, Z. and Zhou, Z., "Taxiing Control of Full-wing Solar-powered UAV by Using Differential Propeller Thrust", IEEE CSAA Guidance, Navigation and Control Conference (CGNCC), pp. 1-5, 2018. [19] Dwivedi, V. S., Patrikar, J., Addamane, A. and Ghosh, A. K., "MARAAL: A Low Altitude Long Endurance Solar Powered UAV for Surveillance and Mapping Applications", International Conference on Methods & Models in Automation & Robotics (MMAR), pp. 449-454, 2018. [20] Huang, Y., Wang, H., Li, N. and Yu.Y, "Endurance Estimate for Solar-Powered Unmanned Aerial Vehicles", International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics (IHMSC), pp. 66-70, 2017. [21] Tayyar, A., Rezvan, M.T. and hashemi, H., "Site Selection of Large-Scale Photovoltaic Power Plants by Using a Geographic Information System, Analytic Hierarchy Process, and TOPSIS: A Case Study of Karbala Province in Iraq", Journal of Energy Management, Vol. 9, No. 4, pp. 60-73, 2020. [22] Karanian, S., Farhadi, P. and Gholampoor, M., "Performance Analysis of a Gas Turbine Cycle Equipped with a Double Acting Type Stirling Engine in a Power Generating Unit", Journal of Energy Management, Vol.10, No.1, pp.112-121, 2020. [23] Rezapour, M. and Fanaee, S, A., "Modeling the Effect of Porosity on a Solar Water-cooled Coil Filled with Water and Al2O3 Nanofluid", Journal of Energy Management, Vol.10, No.1, pp.100-111, 2020.