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《政大大學報》報導:太陽能系統自動蓄電 提升無人機續航力

太陽能系統自動蓄電 提升無人機續航力

109-12-18

政大大學報

 

 

 近年無人機蔚為風潮,不僅可見於攝影,也應用在貨運、土地探測等層面,然無人機續航力仍是一大硬傷。有鑑於此,國立宜蘭大學電機工程學系副教授劉宇晨帶領團隊研究「應用於無人機載具之高效能太陽能光伏充電器系統」,並於「2020能量轉換暨展覽會會議」(IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE USA)的學生專題展示競賽擊敗劍橋大學等勁敵奪下第一名。

 

國立宜蘭大學電機工程系團隊研究「應用於無人機載具之高效能太陽能光伏充電器系統」,
於「2020能量轉換暨展覽會會議」(IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE USA)中的
學生專題展示競賽擊敗劍橋大學等勁敵奪下第一名。 圖/團隊提供

 

 目前市面上無人機的續航力約為20至30分鐘,若要增加飛行時間,則會面臨電池過重,效率降低等問題。劉宇晨舉例,農委會林務局在使用無人機執行中央山脈地行探勘時,因任務半徑受限於電池容量,相關人員需一直跟著無人機移動,待電量耗盡再更換電池,但若遇難涉入的區域,人工換電的方式則較不可行。因此,團隊將太陽能結合無人機,並利用多種技術使電池充電效率最大化。

 

無人機近年蔚為風潮,不僅可見於攝影,也應用在貨運、土地探測等層面。 圖/團隊提供

 

 為在無人機頂裝上太陽能充電系統,團隊首先測量機頂可用面積,避免過大的充電系統影響旋翼運作,最終採用18顆「太空級」太陽能元件組成。團隊成員仲禹丞補充,相較一般太陽能元件,該種元件重量輕、面積小,且轉換效率達30.7%。儘管單顆元件成本高達1萬2000元,但受惠於其輕巧特性,無人機重量只增加500克,經團隊實測後,證實無人機飛行受太陽能充電系統影響甚微,整體效益提升。

 

 團隊將18顆轉換效率達30.7%的太陽能元件設計成無人機載具使用的系統。 圖/團隊提供

 

 太陽能須利用轉換器轉換成電能,此次團隊採用最大功率點追蹤技術(註),設計適配於太陽能充電直流電特性的能源轉換器。劉宇晨表示,他們將近年興起的氮化鎵半導體運用在轉換器中,氮化鎵半導體因切換速度快,可提升電路效能、降低元件損耗,等於減少電路上產生的熱能,「這樣可以有效利用擷取到的太陽能,同時解決電路過熱的問題。」

 

 註:最大功率點追蹤是常用在風力發電機及太陽能系統的技術,目的是在各種情形下都可以得到最大的功率輸出。

 

 除轉換器外,令團隊最自豪的莫過於導入「電池平衡系統」,劉宇晨表示,團隊製造的第一代機器沒有裝設該系統,當部分太陽能板受到遮蔽而停止輸出,或是單一電池元件因充飽電遭擱置,皆會導致充電效率無法達到最大化。因此團隊設計讓充電效率較高的電池元件,能持續將能量轉移到其他電池元件的平衡系統,透過該機制擴充太陽能充電技術的轉換效率與充電時間。

 

團隊將光受到阻避而無法感光的部份關閉,避免持續運作造成電量流失,並在此技術下引入平衡充電系統,
讓持續運作的太陽能板能共同為各模組電池充電,維持整體電池電量及電壓的穩定。 圖/團隊提供

 

團隊也針對電池電量不平衡的問題做出解套,該平衡充電系統可辨別各電池之電量,若其中一模組之電量充飽,
則會調配充電速率,讓充飽的電池持續充電並供電給其他模組電池,直到所有電池充電完畢。 圖/團隊提供

 

 「比較多人會質疑,可以飛多遠、多少距離。」劉宇晨解釋,研發重點是讓太陽能無人機「自動」停下來充電後繼續運行,降低人為更換電池的不便。團隊也期許未來配合影像辨識和自動定位系統,讓無人機可以自行找到合適的充電地點,充飽電後繼續執行任務。在攝影工作室實習的學生虞成偉也表示,拍攝大範圍影片時,常需考慮無人機因充電往返使錄影不流暢,及後續的剪接問題,「如果能原地停下來繼續拍,(影片)一定很順暢!」

 

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