SOLCELLSDRIVET HALE UAV

Sammanfattning: Denna rapport behandlar en konceptstudie av ett solcellsdrivet obemannat höghöjdsflygplan, förkortat HALE UAV, och innefattar bland annat en kort beskrivning av ingående delar, design och utformning, prestanda och energi beräkningar samt modeller för solstrålning och väder i atmosfären. Inspirationen till projektet gavs av det solcellsdrivna flygplanet Zephyr och har även utgjort utgångspunkten för detta arbete. Syftet med studien har varit att ta reda på hur mycket energi som krävs för att ett flygplan av denna typ ska kunna operera och hur stor del av jorden den skulle kunna täcka om den endast drivs av solceller under antagandet att ideala förhållanden råder. Utvecklingen av obemannade flygplan har gått snabbt de senaste 30 åren och i takt med de ökande miljöproblemen kommer flygplan som är mer miljövänliga att bli mer populära. Flygplan av denna typ har idag stora användningsområden och kan bland annat användas för spaning och övervakning men även som plattformar för exempelvis internet och telefoni. Med Zephyr som utgångspunkt har rimliga värden på flygplanets utformning kunnat bestämmas. Totalvikten blev 53 kg med ett vingspann på 22,5 meter och en motoreffekt på 2x450 W. Olika vingprofiler har analyserats och valet blev Wortmann FX 74-CL5-140 på grund av en hög lyftkraftskoefficient, anpassad för låga Reynolds tal samt ett mycket stort förhållande mellan lyftkraft och motstånd. Solcellerna som används för att ta tillvara på energin lagrad i solstrålningen valdes till amorfa kiselsolceller med en verkningsgrad på 20 % och batterierna för att lagra energin valdes till litium-svavel med en massa på 15,9 kg och en energidensitet på 500 Wh/kg. Beräkningar av planets prestanda har gjorts med de utdelade kompendierna som grund och de innehåller mer detaljerade beskrivningar om respektive beräkningar och lösningsgång. Olika flygfall har analyserats för att erhålla en så energisnål flygning som möjligt vilket resulterade i planflykt under dagtid och en blandning mellan glidflykt och stigning under natten. Energiåtgången beräknades till cirka 6.1 kWh under dagtid och cirka 6 kWh under natten. Den använda solstrålningsmodellen approximerar hur solstrålningen varierar under en dag samt under olika tider på året. Beräkningar för hur mycket energi som är tillgänglig vid olika latituder och höjder har gjorts och sedan jämförts med flygplanet minimala behov för att flyga. Med ett behov på minst 15 kWh per dag resulterade det i att flygplanet måste flyga på latituder under cirka 40°N i december och latituder på under 60°N i februari och oktober. Som hjälpmedel vid beräkningar och analys av vingprofiler har programvarorna MATLAB samt XFLR5 använts.