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Prometreus
28.04.2016, 10:25
Hallo

Ich möchte euch hier das Solarprojekt von Daniel006 und mir vorstellen.
Es ist ein Solar-Nurflügler darauf ausgelegt, den ganzen Sonnentag in der Luft bleiben zu können.
Kurzum, es ist uns geglückt :-)

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Als Plattform haben wir uns für den Albatros XXL von kuestenflieger.de entschieden.
http://www.kuestenflieger.de/modelle...ros/index.html

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Ein Nurflügler mit 1m² Fläche bietet bei nur 2m Spannweite sehr viel Platz für Solarzellen. Generell gilt dieser Nurflügler als sehr effizient.

Aufgebaut ist der Flieger aus einem EPS Kern und einer Laminierung aus Packband. Diese Kombination erschien uns zunächst als nicht sehr robust, doch wir waren überrascht wie stabil die Flügelhälften sind. Das größte Argument für diese Materialeien ist das geringe Gewicht.
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Die Flügelhälften werden nur mit Packband zusammen geklebt. Auch hier waren wir wieder überrascht wie gut das hält (Jeder Tapestreifen längs der Flügelhälften wird so mit der anderen Flügelhälfte gekoppelt, das hält so gut als wäre der Flieger in einem Stück Laminiert worden).
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Anfangs hatten wir den Antrieb an der Nase, da wir so den Schwerpunkt besser hinbekommen wollten. Auch wäre der Antrieb etwas effizienter als am Heck.

Die Winglets haben wir nach hinten versetzt, da wir so der Verschattung der Solarzellen durch die Winglets entgehen wollten. Das hat leider nicht geklappt, da der Flieger um die Hochachse sehr instabil wurde. Deshalb sind die Winglets normal montiert und der Motor wanderte ans Heck.

Bei unseren Testflügen konnten wir feststellen dass wir mit 3A an 15V (rund 45W) stabil die Höhe halten können (später hat sich dann noch gezeigt, dass auch mit 40W noch auf Höhe bleiben können)
Die Grundlast der Utilities liegt bei ca 3W

Nachdem wir den Flieger gut eigeflogen hatten und der Autopilot gut eingestellt war, haben wir den Schritt gewagt und die Solarzellen angebracht.
Die Solarzellen werden jeweils mit 6 Lötstellen verbunden und sind mit doppelseitigem Klebeband mit dem Flügel verbunden. Dieser Aufwand ist recht groß (180 Lötstellen). Außerdem dürfen die Solarzellen nicht zu heiß werden und sollten keine Flussmittel-Spritzer abkriegen.

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Das Anbringen der Solarzellen ist großer Schritt, denn Solarzellen sind extrem brüchig und empfindlich gegen Feuchtigkeit und Schmutz. Eine harte Landung und die Solarzellen brechen (Haben die Festigkeit von hauchdünnen Glasplatten). Beschädigte Solarzellen kann man nur austauschen, wenn man den ganzen Strang tauscht.


Zum Schutz haben wir ein extra leichtes Landegestell aus Draht an den Flügelenden und an der Nase gebaut:

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Um die Solarzellen gegen Feuchtigkeit zu schützen und um die Flügelform beizubehalten, haben wir sie mit Frischhaltefolie bedeckt und angepresst. Die Solarzellen sind soweit biegsam, dass sie sich der Flügelform etwas anschmiegen können.
Hier sieht man die Folie wenn sie nicht ganz gespannt ist

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Zum Setup:

Photovoltaik-Zellen:
30x Sunpower C60 125x125mm (max ETA: 22,5%)
Solarzellenfläche: 0,467m² (Ecken fehlen)

Autopilot:
Ardupilot 2.5 mit Arduplane FW
Ublox GPS
Airspeed-Sensor
Voltage/Current Meter

RC:
EzUHF 4ch RC-Rx

FPV:
Mini 90° Live Cam
Minimosd

Antrieb:
Brushless DC Motor: 4220 650kv
Hobbywing X-Rotor ESC - 20amp
Carbon folding propeller 11x10’’
4S3,6Ah 30C SLS Lipo

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Betrieb und Verschaltung der Solarzellen:
Normalerweise werden Solarzellen über einen „Maximum Power Point Tracker“ (MPPT) betrieben.
Ein MPPT ist ein elektronisches Gerät welches die Solarzellen so betreibt, dass die maximale, aktuell verfügbare, Leistung genutzt wird. Dabei geht es konkret um die Kombination zwischen Spannung und Strom. Hier sieht man den Leistungsverlauf entlang einer typischen Solarzellenkennlinie.

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In unserem Fall sieht die Kennlinie so aus (Sunpower C60):
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Wir haben uns gegen einen MPP-Tracker entschieden. Diese Geräte sind recht groß und schwer und sind mit Wandlungsverlusten verbunden.
Auf den Albatros XXL lassen sich 30stk der 125x125 Zellen anbringen. Der MPP jeder Zelle ist je nach Einstrahlung im Bereich von 0,55V. Da bietet es sich an, die Zellen in Serie zu verschalten, denn 30x0,55=16,5V => Das passt zu einem 4S Lipo.
Das heißt wenn die Lipo Spannung möglichst hoch gehalten wird, lassen sich die Zellen auch effizient betreiben, ohne extra Gerät und Wandlungsverlusten.

Es ergibt sich folgender Spannungsbereich:
4S Lipospannung: 13,2-16,8V
Solarzellenspannung: 0,44-0,56V

Das ist unser Arbeitspunkt-Fenster:

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Die Solarzellen sind über einen elektronischen Schalter mit dem System verbunden. So lässt sich der Betrieb steuern und ein Überladen des Lipos verhindern.

Der Stromsensor kann nur das Entladen des Lipos messen, Stromfluss in die andere Richtung zeigt er mit 0A an. Das ist zwar schade, aber praktisch nicht weiter schlimm. Wenn 0A angezeigt werden wissen wir, dass wir den Lipo laden. Wie schnell ist zwar interessant, aber praktisch egal. Den Ladeschluss erkennen wir an der Spannung.
Durch gezieltes EIN und AUS schalten der Solarzellen, lässt sich die ungefähre aktuelle Solar-Leistung ermitteln (schwankt aus vielen Gründen ständig).

Praktisch wird so geflogen, dass der Flieger möglichst wenig verbraucht (langsam). Dann wird der Flieger so ausgerichtet dass die Einstrahlung möglichst groß ist (Richtung Sonnen, wegen der Winglet Verschattung)
Wenn man dann mit dem Strom unter 0A kommt, kann man entscheiden ob man die überschüssige Energie zum Laden verwenden will, oder ob man mehr Gas gibt (zb um Höhe zu gewinnen oder schneller wohin zukommen)

Zum Flugtag:
Es war der 16. April gegen 11:30
Die Solarkonstante lag bei 1367W/m². Nach der Atmosphäre war die Einstrahlung bei ca 990W/m².
Laut der Boku Wien war die horizontale Einstrahlung am Boden bei 760W/m². Das ist ein recht hoher Wert. Der Sonnenhöhenwinkel lag bei 50°. Am 21. Juni ist das Maximum (Sonnenhöchststand).
Die Umgebungstemperatur lag bei 23°C, also nicht zu heißt, was für die Temperaturverluste der Solarzellen günstig ist. Wind gab es fast keinen.

Gewicht (AUW): 1660g

Wir haben die Solarzellen erst in der Luft zugeschaltet, da der Akku beim Start vollgeladen war. Außerdem gibt es das Problem, dass wenn die Winglets die äußeren Zellen verschatten, dass diese sehr heiß werden (Hotspot). Im Flug ist das durch die Luftkühlung kein Problem, aber am Boden würden sie den Flieger und die Folie aufschmelzen.

Von den verfügbaren 638,4W (0,467m² x 1367W/m²) werden dann tatsächlich nur ca 17W (3%) als Schub genutzt. Das kommt daher, dass wir sehr viele verschiede Verluste haben. Wir sind praktisch weit davon entfernt die Herstellerangaben der Solarzellen von 22,5% umsetzten zu können.
Hier ein Sankey Diagramm der Wirkungsgrade:

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Abschließend ist hier unser Video vom Bau und Testflug:


https://www.youtube.com/watch?v=rMkPjBf6dNQ

Andreas Maier
28.04.2016, 13:09
Anfangs hatten wir den Antrieb an der Nase, da wir so den Schwerpunkt besser hinbekommen wollten. Auch wäre der Antrieb etwas effizienter als am Heck.





Wo steht das denn, wo kann man das nachlesen ? :confused:

Vom hören sagen ist mir nur gegenteiliges bekannt. :(
- Mir ist bisher nur bekannt daß große LS einen hohen, bzw
besseren Wirkungsgrad haben wie kleine.





Gruß
Andreas

Prometreus
28.04.2016, 14:22
Also eine Quelle habe ich jetzt leider keine für die Aussage dass Nurflügler pusher weniger effizient sind.
Generell ist es auch komplett egal ob pusher oder puller. Aber direkt hinter dem Flügel ist die Strömung noch laminar und wird dann umgerichtet (deshalb sind Nuris auch so laut). Deshalb haben wir anfangs probiert den Propeller möglichst weit vor dem Flügel anzubringen. Aus dem Bauch heraus würde ich aber sagen: der Effekt ist die Mühe kaum wert.

Das mit den großen Luftschrauben sehe ich auch so. Du schaffst mit einer großen Luftschraube mit weniger Drehzahl den gleichen Schub. Durch die niedrigere Geschw hat der Prop weniger Verluste.

Mit der Steigung ist es grundsätzlich das Gleiche. Bei mehr Steigung kann man bei niedriger Drehzahl höhere Strahlgeschwindigkeit schaffen. Nur gibt es hier das Problem, dass sich die Strömung vom Propeller ablöst wenn man langsamer fliegt. Das lässt sich aber prima mim ecalc simulieren.

Wir überlegen auf 390kv runter zu gehen und eine entsprechend größere und steilere Luftschraube zu nehmen...
Das Problem bei den niedrig kv Motoren ist halt leider, dass diese fast immer sehr schwer sind.

FamZim
28.04.2016, 17:12
Hallo

Jeder Propeller saugt die Luft vor im an und beschleunigt diese.
Dieser beschleunigte Luftstrahl strömt nun am Rumpf und am Leitwerk vorbei.
Diese Kombi erzeugt dann mehr Wiederstand als ohne eingeschaltetem Antrieb.
Ein Nuri hat das nicht , also keinen Zusatzwiederstand durch Rumpf und Leitwerk.
Er bläst praktisch nur die Fläche an, was einen Vorteil bei Langsamflug ergibt, das gibt im Strahlbereich mehr Auftrieb.
Prozentrechnung:
Ein Prop mit nur 50 % ETA der durch einen großen mit 80 % Eta ersetzt wirt, hat dann 60 % mehr Antriebsleistung 50 zu 80 .
Da kann der Motor ruhig 10 % von verschenken, sind immer noch 72 statt 50 !

gruß Aloys.

eifeljeti
28.04.2016, 21:57
!!

Da habt ihr ja fast dasselbe gebaut wie ich !
Habe den Albatros Xxl mit 16 c50 bestückt.

http://www.rc-network.de/forum/showthread.php/505097-Solarflieger?p=4017767&viewfull=1#post4017767

Grund für die kaum vorhandene Leistung ist bestimmt eure Anordnung der Zellen. Hinten viele , vorne wenig,
Die werden im Steigflug ganz schön schlechten sonnenwikel haben ...

Happy albatrossing ! :):)


Ps: ihr habt bei den Winglets Höhe/ Länge vertauscht .! Absicht ?

Martin_
28.04.2016, 22:10
Spannendes Projekt!
Zum Thema Hotspots - habts ihr keine Bypass-Dioden verbaut?

Mfg
Martin

Holger Lambertus
29.04.2016, 06:23
Moin
Schönes Modell :)
Akku raus, und ab zu Solarmeisterschaft im Juli !


Ein paar Tipps, aus unseren Projekten:
wenn ich das richtig sehe;
Euer Akku ca. 52Wh und wiegt 417g (xtron)
Das Solarpanel wiegr ca. 300g

Für alles was über 30Minuten Motorlaufzeiten hat (oder für das was mit Lipo über 15Mins Laufzeit hatte), sind Lipos bei weitem nicht mehr Stand der DInge, aktuell sind die Panasonoic 3400SCR LiIon die erste Wahl. Eine Zelle wiegt 48g und hat 12,24Wh.
Gewichtsgleich wären zum 3600er Lipo 4S2P cwären 8Zellen, der Akku hätte dann 6800mAh bzw 98Wh, Beachtet man die Restkapazität, ergäbe das mehr als die doppelte Flugzeit allein aus dem Akku
Würde man das Solarpanel auch in Akkus umsetzen, wären es 14Zellen mit 141Wh, und eine Flugzeit mit ca. 3,5h. bei demselbem Fluggewicht.
Es ergibt sich ein Vorteil durchs Solar demnach ab Flugzeiten von über 3,5h, darunter wäre es effizienter ein Solarpanel mit Zweitakku am Boden zu betreiben, und alle 3,5h zum Akkuwechel einzulanden.

Aber es soll ja Solarflug sein, und ein Akku wiegt nur unnütz, frist zusätzlich Ladeverluste, also raus damit, ein leichteres Modell verbraucht auch weniger. Optimale MPP Spannung der C60 für "Festspannung" auf Flugmodelleln beträht ca. 0,52Volt,

Einen MPP Wandler hast Du bereits in Deinem Flieger, eine Induktivität (Motorspule) die hochfrequent "angetaktet" Wird (Regler). Eine ordentlicher Reglersoftware ist sehr wichtig (SimonK), ein sher grosszügig dimensionierter EMK Kondensator auch, und du kannst direkt am Regler mit 500Hz PWM den MPP regeln. Der Wandlerausgang ist dann eben direkt Drehzahl statt Spannung. Einen MPPT vor dem Regler wäre einWandler vorm Wandler mit zweimal Verluste, auch reicht die Dynamik der typischen MPPT nicht für ein Flugmodell, sondern eben doch nur für ein Hausdach.




Für die Solarzellen mein Rat, lasst die Folien weg, die Solarzellen direkt aus Szyro kleben, und die Fläche mit 50er Glas im Vakuumsack einmal üerziehen. Wiegt dasselbe wie jetzt, aber das Modell wird robuster und aerodynamischer, und die C60 werden fast unkaputtbar und werden zum "Holm". Die Wingletts gehören natürlich nach unten.

Das mit "Motor vorn oder hinten" sollte man nicht überbewerten, wenn dann den Drall (spiralförmig) beachten der sich hinter dem Prop befindet., Grundsätzlich mach Abstand zur Fläche mehr aus.

Hier ein kleiner Bericht von Rogers Weltrekordmodell (Dauerflug und Strecke im geschlossenem Kreis), natürlich 100% Akkufrei :)

http://sportsaeriensairbus.fr/index.php/le-vol-solaire

http://www.ouest-france.fr/sites/default/files/styles/image-640x360/public/2014/07/16/record-mondial-pour-lavion-solaire-miniature.jpg?itok=47frfYUk

http://sportsaeriensairbus.fr/images/phocagallery/Vol_solaire/pict0029.jpg

Prometreus
03.05.2016, 17:58
Hier kennen sich also schon einige Leute mit dem Thema aus, super :)


@ eifeljeti: Nein das ist ein Fehler, stimmt

@ Martin: Nein Bypass Dioden sind keine verbaut. Wir wollten es mal ohne testen, Nachrüsten ist eine Option. Der Hotspot ist aber bei bewegter Luft kein Problem, am Boden ist das aber was anderes.

@ Holger Lambertus: Zum Thema Akku (Energiedichte) und der Idee den Akku ganz wegzulassen:
Das Modell soll möglichst viele Sachen können. Große Reichweite, große Höhe, FPV, Autopilot, usw. Den Akku wegzulassen würde daraus einen Sichtflieger machen, denn Systeme die sich beim Neustart erst kalibrieren und relativ lange booten müssen, brauchen eine stabile Versorgung. Außerdem geht die Idee in Richtung 24/7 Flug, und da braucht man auch einen Akku.

Einen besseren Akku einzubauen, haben wir fürs erste als nicht nötig erachtet, da der Akku nur ein Backup ist. Bei einem long range Flug wäre das was anderes. 4S2P 18650er Zellen mit 3400mAh wären dann schon ein Backup für 70km oder mehr.

Zum Vorschlag den ESC als MPP Tracker zu verwenden muss ich nochmal nachfragen: Ist das so gemeint, dass man mit dem manuellen justieren vom Gas, den ESC als Tracker verwendet (ohne Akku)? Oder dass man eine einfache µC schaltung mit einbaut die ständig das Gas so justiert, dass sich ein aktuelles Pmax ergibt?
In unserem Fall ist der MPP Tracker, solange der Akku eingebaut ist, nicht nötig. Das Gas justieren wir, je nach flight mode, manuell so dass wir passend zur Einstrahlung Schub erzeugen.

Könntest du den Einbau der Solarzellen (mit Szyro ?) vielleicht noch genauer erklären? Gibts dazu wo einen Betrag?

Bei Rogers Weltrekordmodell interessiert mich die Verschaltung der Solarzellen. Er hat ja auch Bruchstücke verwendet, die entsprechend weniger Strom liefern. Weiß jemand wie das klappt?

GC
03.05.2016, 22:29
Hallo Prometreus und Daniel,

erst einmal herzlichen Glückwunsch zu Eurer großartigen Leistung und dass Ihr nicht nur nachgedacht, sondern auch etwas entscheidendes umgesetzt habt.:)

Dennoch möchte ich auch noch meinen Senf dazugeben;):

Wie schon Holger sagte und was sofort einsichtig ist: Reduziert das Abfluggewicht und ihr braucht weniger Leistung, um oben zu bleiben.

Was mir aber wichtiger erscheint, ist dass der Gesamtwirkungsgrad von Propeller, Motor und ESC bei Eurer Konfiguration bei optimistischen 36% (0,5*0,8*0,9) liegt. Ich bin der Meinung (und habe ähnliches ohne Solarzellen auch erreicht), dass 50% anzustreben sind und dass die Leistung für den Schwebeflug mit 20 bis 25W für einen 1,5kg Segler ausreichend sein müsste.

Wie kann man das erreichen? Seid Ihr sicher, dass Euer Motor wirklich ein eta von 80% in Eurem Arbeitsbereich hat? Ob der Prop in dieser auslegung ein eta von rund 50% hat, wage ich ein wenig zu bezweifeln.
Ich würde den schweren Akku von über 400g durch 2 Panasonic Zellen, wie sie Holger erwähnt hat, ersetzen. Gleichzeitig müssten dann die Zellen der Flügel parallel geschaltet werden. Durch den kleineren Akku spart Ihr schon über 350g Masse. Allein durch diese Maßnahme braucht ihr schon knapp 10W weniger für den Schwebeflug. Damit der Motor mit der niedrigeren Spannung und Drehzahl noch 25-30W erreichen kann, muss natürlich der Propeller größer gewählt werden.

Wenn ich mich nicht verrechnet habe, habt ihr eine Strahlgeschwindigkeit von rund 100km/h, was viel zu hoch für einen guten Wirkungsgrad und solch einen langsamen Flieger ist. (100km/h errechnen sich wie folgt: 500KV (abgebremst)* 14V * 10 Zoll Steigung* 0,025 (Umrechnungsfaktor Zoll auf m) * 60 Minuten /1000).

Bei 2S Panasonic würde ich es auch dem Bauch heraus mit meinem Lieblingspropeller 15*13 von Aeronaut probieren (Eine Kalkulation würde natürlich nicht schaden;)). Die Strahlgeschwindigkeit liegt dann immer noch bei 68km/h bei gleichzeitig wesentlich langsamer drehenden Propeller mit größerem Durchmesser und deutlich höheren Wirkungsgrad.

Prometreus
10.05.2016, 11:44
Wir haben einen Ausdauerflug mit dem Solar Nuri gemacht :)

Hat super funktioniert, wir waren über 6 Stunden in der Luft und haben 224km Strecke zurückgelegt

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Leider ist uns nach 6 Stunden das MinimOSD ausgefallen und wir mussten abbrechen, ein bisschen mehr wäre noch gegangen ;)

GC
10.05.2016, 18:12
Wäre denn ein Flug ohne Pufferakku bei Sonnenschein nicht möglich?

Prometreus
11.05.2016, 09:32
Ja es wäre möglich. Aber mit unserem Setup nicht vernünftig. Wenn der Autopilot kurz unterversorgt ist, startet er neu und braucht lange zum booten. Es ist fraglich ob er sich in der Todesspirale richtig kalibriert ;)
Aber ohne FPV und Autopilot geht das, im schlimmsten Fall startet der Empfänger und der ESC neu, das dauert aber nur 1-2 Sekunden. Manche lösen das auch mit einem extra Akku für Empfänger und Servos und betreiben nur den ESC mit Solarzellen. Für unser Vorhaben war der Akku aber eine gute Sache (wenngleich er unnötig viel Kapazität hatte)

GC
11.05.2016, 09:39
Prometreus,

das habe ich anders gemeint. Für Empfänger und Elektronik aus Sicherheitsgründen einen Akku an Board lassen. Dieser kann auch während des Fluges geladen werden; aber den Motor ungepuffert laufen lassen. So wird der Flieger schon mal deutlich leichter. Dann würde ich den Antrieb noch ein wenig optimieren. Dann fliegt Dein Vogel wahrscheinlich von sunrise bis sunset.:)

Prometreus
11.05.2016, 10:46
Ein interessanter Ansatz :)

Müsste man mal schauen was da mehr Flugzeit bringt (also das Optimum finden)

1) möglichst großen Akku einbauen (18650er)

2) möglichst keinen Akku einbauen um mit weniger AUW mit einem Minimum an Sonne fliegen zu können.

Ich glaube es ist die erste Lösung, denn mit 18650 Zellen hätten wir bei gleichem AUW schon eine Flugzeit von ca 2 Stunden (das wären 4S2P 18650 Rundzellen mit real 3Ah und 80% DoD)
Und etwas mehr Gewicht geht bestimmt auch noch.

Stelle ich mir spannend vor, wenn man zb um 7:00 in der Früh startet und dann ab 9:00 nervös wird, dass die Sonne nicht rechtzeitig zu Hilfe kommt :cool:

PS: die 2. Lösung kommt bei unserem Aufbau nicht in Frage, da wir dann mit dem Schwerpunkt niemals hinkommen. Und bevor man dieses (doch recht gut funktionierende) System umbaut, kann man gleich alles weiter optimieren und einen neuen Solarflieger aufbauen

GC
11.05.2016, 15:01
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maheim
15.02.2017, 08:10
Besser spät als nie noch meine Gratulation: Tolle Leistung! Schönes Flugzeug, ausgebautes System mit Autopilot und Sensoren und die Flugzeiten, die ihr erreicht sprechen für sich! Ich bin begeistert.
Ich selbst bin gerade dabei, mein Flugzeug weiter zu optimieren. Potenzial gibt es vor allem beim Solarmodul: einerseits sind die die blossen Zellen wie ich sie montiert habe im Alltag zu brüchig, andererseits haben die sunpower-Zellen einen höheren Wirkungsgrad und sind flexibel, womit eine grössere Flügelfläche nutzbar ist. Ich werde das momentane Modul durch 60 laminierte C60 Halbzellen ersetzen und längerfristig einen Flügel mit Querruder und reduzierter V-Stellung bauen.
Scheinbar gibt es die Zellen fast nur auf ebay oder dann eventuell auf Einzelanfrage teuer von Grossfirmen. Ihr habt die Erfahrung mit den Zellen und deren Montage. Deshalb meine Frage: Wo habt ihr die Zellen gekauft? War es nötig, sie einzeln zu selektieren vor dem Einbau (ich scheue den Aufwand ehrlichgesagt ein wenig:))?
Ich freue mich auf eine Antwort und News von euren Flügen!

Gruess
Marco