Solar-Quadrocopter (ohne Akku)

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Daniel006

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#1
Hallo!

Ich habe mir das (sehr ehrgeizige) Ziel gesetzt einen Solar-Quadrocopter zu bauen. Dieser soll ohne Akku bei ausreichend Sonnenschein im Sommer und ohne Wind ein paar Stunden fliegen können. Nun stehe ich, wie erwartet, vor einigen Herausforderung, bei denen ich für eure Ideen und Inputs dankbar wäre. Zunächst möchte ich euch einmal meine Gedanken und den aktuellen Stand schildern...

Die Komponenten:
Motoren und Getriebe: Micro Power system w/ Gearbox GPS-7

Flight Control/ESC/Empfänger: Quanum Pico 32bit Brushed Flight Control Board

Solarzellen: Sunpower C60 Cell

Der Frame ist selbstgebaut und besteht aus 3 mm Karbon-Rundstäben, 5x5 mm Balsaholz-Stäben, 1 mm Balsaholz-Platten als Auflage für die Solarzellen. Die Solarzellen möchte ich mit doppelseitigem Klebeband darauf aufkleben, aber erst als letzter Arbeitsschritt wenn der Copter mit dem zusätzlichen Gewicht zuverlässig fliegt. Der Zwirn bringt zusätzliche Stabilität bei kaum Mehrgewicht.
IMG_1357.JPG

Die Flight Control sitzt in der Mitte und wurde mit Heißkleber fixiert. Der Copter wiegt, so wie am Foto ersichtlich, inkl. Flight Control ohne Solarzellen 48 Gramm.
IMG_1359.JPG

Die Motoren sind mit Superkleber an die Karbon-Stäbe befestigt und mit Lackdraht (Durchmesser=0,4mm) mit der Flight Control verbunden. Der Servostecker dient als zusätzliche Führung für die Stange auf welcher der Propeller sitzt um Vibrationen zu reduzieren.
IMG_1354.JPG

Die Solarzellen aufgelegt...
IMG_1665.JPG

Die sieben Solarzellen wiegen 59 Gramm. Die Kabel + Lötstellen + Doppelseitiges Klebeband für die Solarzellen schätze ich auf ~5 Gramm.


Leistung Solarzellen:
Die Spannung der Solarzellen im Maximum Power Point beträgt 0,58 V, Strom 5,8 A unter STC (1000 W/m² Einstrahlung, 25°C und Air Mass 1,5 (Definiert das Spektrum des Lichts )).
Die Gesamtspannung bei sieben Zellen beträgt 4,06V.
Der Strom ist proportional zur Einstrahlung und beträgt bei 800 W/m² (realistische Einstrahlung im Sommer) somit 4,64 A. (1,16 A pro Motor)
Die Spannung nimmt je °C um 0,018 V ab. Bei 45 °C (geschätzt) Zelltemperatur ergibt sich eine Spannung von
4,06 V - (0,018 V/°C *(45-25°C)) = 3,7 V

Die sieben Solarzellen liefern im Sommer 3,7 V bei 4,64 A.


Leistungsaufnahme Motoren:

Laut Hobbyking weisen die Motoren mit 5030 Props folgende Werte auf:
Test data;
Prop: GWS 5030
Voltage: 3.3, 3.8, 4V
Current: 0.76, 0.89, 0.93A
Watts: 2.508, 3.382, 3.72W
Thrust: 31, 36, 38g

Bei 3,8 Volt stellt sich ein Strom von 0,89 A ein. (mit Solarzellen möglich) Der Gesamtschub beträgt dabei 36 Gramm * 4 Motoren = 144 Gramm und wäre ausreichend für den 112 Gramm Copter.

Spannung vs Schub.jpg Strom VS Spannung.jpg

Laut meinen Messungen stellt sich bei 3 Volt ein Strom von 1,16 A (mit Solarzellen möglich) ein. Der Schub beträgt 25 Gramm pro Motor. Gesamtschub 100 Gramm und wäre nicht ausreichend für den Copter.
Nun wäre das Ziel die Effizienz mit welchen Maßnahmen auch immer um die fehlenden 10-20 % zu erhöhen.

Ich stehe zurzeit vor folgenden zwei Herausforderungen:

1.) Vibrationen und Leistung
Das Lager der Getriebewelle hat ein gewisses Spiel und verursacht bei höheren Drehzahlen starke Vibrationen und der Motor wird heiß. D.h. ich verliere an Leistung und Schub bei höherer Spannung / Drehzahlen. Die Props habe ich schon so gut es geht mit Klebeband ausbalanciert. Mein Lösungsansatz wäre einen v929 zu kaufen und die Motor, Getriebe, Prop Kombination eins zu eins so zu verwenden. Das Gewicht des v929 beträgt ~80 Gramm. Vorher wäre es aber gut zu wissen, ob der Schub bei etwa 3,7 V ausreicht und wie hoch der sich einstellende Strom ist.

2.) Leistung - Flight Control
Der Quanum Pico gibt nicht die volle Spannung und somit die entsprechende Leistung an die Motoren weiter. Die Leistung nimmt daher auch durch die Flight Control ab. Wisst ihr ob es hier entsprechende Einstellungsmöglichkeiten gibt?
Gibt es andere empfehlenswerte Flight Controls für das Projekt? Habt ihr da Erfahrungen?
 
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Cyber-Trash

Erfahrener Benutzer
#2
wirklich sehr ehrgeizig aber spannend .... was ich ganz sinnvoll fände wäre in dem Fall bei einer solchen grosse Fläche die Motoren anzuwinkeln , das wenn man geradeaus fliegen will die Motoren nicht auchnoch den diesen Wiederstand der Solarzellen überwinden müssen .... aber ich glaube im moment ist erstmal die hauptsorge , dass er überhaupt schweben wird oder ?
 

squi

Erfahrener Benutzer
#3
Tolles Projekt!

Anwinkeln würde ich die Motoren wohl eher nicht, da damit definitiv Auftrieb verloren geht, und hier wird wohl jedes Gramm das Abheben hilft benötigt ;)

Einen v929 habe ich hier noch irgendwo rumliegen, ich könnte morgen eventuell mal schauen was der an Schub bringt, und wie viel Strom er zieht...
Genaues Gewicht kann ich dir dann auch noch kurz sagen vom v929.
 

Cyber-Trash

Erfahrener Benutzer
#4
Wieso geht denn so Auftrieb verloren ?
Beim schweben hat der copter eben eine Rücklage , abe was hat das mit dem Schub zu tun .... Und falls man davon ausgeht., dass die Sonneneinstrahlung senkrecht wäre , wäre die anwinkelnd ebenfalls gut , da dann heim Geradeausfahren , bei dem man mehr Strom braucht als beim hovern die komplette flàche senkrecht zur Einstrahlung

aber verbessert mich gerne , vielleicht irre ich mich ja auch
 

schnellmaleben

Erfahrener Benutzer
#5
Cooles Projekt, bitte weiter berichten!

Die sieben Solarzellen liefern im Sommer 3,7 V bei 4,64 A.
Leider nicht in Deutschland - die 800W/m^2 kommen zwar hin aber dieser Wert wird nur bei senkrechter Einstrahlung zur direkten Strahlung zur Sonne erreicht, sprich denn die Zelle genau zur Sonne ausgerichtet ist. Selbst in München steht die Sonne zur Sonnenwende mittags nur 65° hoch - je nach dem wo Du wohnst verliert eine horizontal ausgerichtete Zelle selbst am optimalen Zeitpunkt noch mal 15-20% - zu berechnen hier vereinfacht über sin(sonnenwinkel).
 

ThinMan

Erfahrener Benutzer
#6
Wie wäre es, eine Solarzelle mehr anzubringen und dessen Gewicht am Rahmen einzusparen. Mehr Leistung bei gleichem Gewicht. Eine wiegt 8,42 g, die kann man am Rahmen noch einsparen.

ThinMan
 

Prometreus

Erfahrener Benutzer
#7
Wieso geht denn so Auftrieb verloren ?
Beim schweben hat der copter eben eine Rücklage , abe was hat das mit dem Schub zu tun .... Und falls man davon ausgeht., dass die Sonneneinstrahlung senkrecht wäre , wäre die anwinkelnd ebenfalls gut , da dann heim Geradeausfahren , bei dem man mehr Strom braucht als beim hovern die komplette flàche senkrecht zur Einstrahlung

aber verbessert mich gerne , vielleicht irre ich mich ja auch
Das was du sagst stimmt im Prinzip, nur ist die Sache hier so knapp, dass du angewinkelten Motoren den Boden nicht verlassen wirst. Man bräuchte also eine schräge Fläche zum Starten oder so.
Das nächste ist der Auftrieb beim Vorwärtsflug. Da verbraucht der Copter ja weniger. Dabei muss man erst herausfinden ob die Zellen-Fläche nicht vielleicht dem Auftrieb zuträglich ist.

Einen V929 habe ich herumliegen, kannst haben ;)

Bei der FC kannst mal im Cleanflight gui die Motoren einzeln auf Vollgas setzen und den schub im vergleich messen.
Ansonsten könntest mal für den Anfang die FC vom V929 verwenden.
 
#9
Hallo Daniel,
das ist ein sehr schönes Projekt. Du wirst den Kopter bestimmt zum Fliegen bringen. Vielleicht kannst du die Solarzellen schräg stellen.
Viel Erfolg und Spaß weiterhin,
viele Grüße,
Wilhelm
 
#10
Geiles Projekt! Über sowas habe ich auch schon mal nachgedacht... ich bin aber dann bei einer Größe angelangt,die mir mit Solarzellen zu teuer war.

Dabei gab es folgende Überlegungen, die Dir bzgl. Deines aktuellen Problems leider nicht wirklich weiterhelfen, aber vieleicht beim nächsten:
  • Um eine stabile Befestigung der Motoren zu gewährleisten, sollten die Motoren nicht ganz außen sein, sondern noch eine Reihe Solarzellen um sich herum haben. Bei der Befestigung der Solarzellen ist die Stabilität nicht ganz so wichtig wie bei den Motoren, deshalb reicht eine stabile Konstruktion(schwer) nur bis zu den Motoren, und der Rest kann so leicht wie Möglich gebaut werden. Natürlich müssen die Motoren trotzdem einen gewissen Abstand haben, so daß es deshalb bei einer Reihe außenliegender Zellen mindestens 3 Reihen Zellen zwischen der Motoren geben sollte. Damit wären wir schon bei 32 Zellen (6x6 Matrix - 4 "Löcher" für Motoren) das war mir "zum Spielen" dann doch zu viel :) .
  • Reiner Solarbetrieb bedeutet, das die Zellen mehr Leistung bringen müssen, als Du zum Schweben brauchst. Die Regler müssen in der Lage sein kurzfristig mehr Schub zu liefern. Bist du beim Schweben aber an der Leistungsgrenze, so würde das Aufdrehen eines Motors zum Spannungseinbruch führen und das ganze sicherlich abstürzen...
 
#11
Sehr schönes Projekt! Bin gespannt ob das machbar ist!

Generell, die 5" Props die du verwendest sind echt schlecht, ich hatte die auch mal zum testen weil tolles Carbon.
Leider sind die sehr schlecht gewuchtet, haben schlechte Kanten und sind im Vergleich zu den Plastik Props schwerer, was die Regelung bei kleinen Motoren verlangsamt. Mit den normalen Plastik 5030 bist besser dran.
Generell würde ich aber auch eher nen fertigen Quad mit Motoren und Props nehmen, da passen Props die schon deutlich besser zu den Getriebemotoren.

Generell sind Brushless Motoren Effizienter, wobei du in der Gewichtsklasse schon mit den Brushed+Getriebe besser fährst.

Hier noch ein Link zu nem kleinen Brushed Langflug Kopter:
http://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?t=2562106
Was mit Akkus lange fliegt ist auch effizient und zieht wenig Strom -> für dich interessant.

Ich dneke auch das du ohne kleinen Puffer nicht auskommen wirst, die Regelung produziert doch schon recht starke Stromspitzen, evtl reicht hier schon ein dickerer Goldcap Kondensator oder ne kleine Lipo Zelle parallel.
 

Prometreus

Erfahrener Benutzer
#12
Guter Input!

Das mit dem Lipo (sagen wir mal 1S 200mAh) ist so ohne weiteres nicht möglich, der explodiert so schnell kannst du gar nicht abstecken ;) (bei über 4A Ladestrom)

Einen kleinen Goldkap könnte man überlegen:
zwischen 4V und 3,7V wäre diese Energie bei einem 1F Elko drinnen: (0,5 *1F*4²)-(0,5 *1F*3,7²)= 1,2Ws
Bei ~15W Schwebeleistung, sind wohl ein paar Farad nötig, damit es einen Effekt hat
 

Daniel006

Neuer Benutzer
#13
Danke erstmal für die zahlreichen Rückmeldungen in so kurzer Zeit!

@ Cyber-Trash: Ja, es wäre schon ein Erfolge wenn er zumindest schweben und langsam nach vorne fliegen kann.
Ich könnte die Motoren trotzdem um 20-30% schräg stellen und den Copter im Schwebeflug zur Sonne drehen.
Die Einstrahlung wäre dann noch etwas höher. Beim Abheben wird die Leistung denk ich mal ausreichen um den Copter aufzurichten, da ja nur zwei Motoren Gas geben.
Glaubt ihr ist eine Schrägstellung der Motoren für die Regelung problematisch?

@ squi: Danke, werde den v929 von Prometreus durchmessen.

@ThinMan: Der Rahmen ist schon recht leicht, und die Solarzellen sehr zerbrechlich. Eine gewisse Mindeststabilität ist notwendig, sonst beginnt alles zu vibrieren. Wenn man sich die Kennlinien der Solarzelle ansieht und eine zusätzliche Solarzelle in Serie schaltet, erhöt sich zwar die Spannung und Leistung im MPP, da die Motorkennlinie dann noch viel stärker vom MPP abweicht ist so gut wie keine Mehrleistung dadurch möglich.

@schnellmaleben: Gott sei Dank wohne ich in Wien. :) Nein, stimme 800 W/m² ist schon relativ hoch gepokert. Wenn ich die Motoren schräg montiere und die Solarzellen entsprechend ausrichte ist die Leistung auf jeden Fall machbar.

@Prometreus: Danke, werde den v929 von dir holen. Sehen uns eh bald... :)

@Der_Rentner: Danke, gute Idee!

@mbruehl und der-Frickler: Danke für die Inputs! Ein kleiner Lipo explodiert sofort, wenn ich kein Gas gebe. Ein Kondensator könnte was bringen.

Der v929 wiegt angeblich 77 Gramm mit Akku und kann bis zu 44 Gramm zusätzlich heben und halbwegs fliegen, habe ich in einem anderen Forum gelesn--> 121Gramm (flugfähig) --> würde ausreichen
 
#14
Jein, selbst der Elko an den Blurhless Reglern puffert schon einiges an Spitzen, klar, beim kleinen Lipo müsste man bei so nem kleinen Lipo den Ladestrom limitieren, wobei man die neueren schon mit 5C und mehr laden kann.
 

Daniel006

Neuer Benutzer
#16
Habe mir den Syma x5c genauer angesehen.
Das Untersetzungsverhältnis des Getriebes ist größer als bei meiner Gearbox.
Die Propeller sind mit 135mm etwas größer als die derzeitigen.
--> Langsamdrehende größere Propeller sind tendenziell effizienter als kleine Schnelldrehende.

Gewicht mit Akku und Kamera beträgt 107 Gramm. (maximaler Schub 153 Gramm)
Hier ein Video dazu: https://www.youtube.com/watch?v=xEzBoTzOtwA
Angaben bezüglich Flugzeit schwanken zwischen 7-10 min.
Stock-Akku: 500mah 1S

bei 10 Min Flugzeit beträgt die durchschnittliche Stromaufnahme 3A --> mit Solarzellen möglich
0,5Ah / (10min / 60min/h) = 3A

bei 7 Min Flugzeit beträgt die durchschnittliche Stromaufnahme 4,28A --> mit Solarzellen möglich
0,5Ah / (7min / 60min/h) =4,28A

Ersatzteile vom Syma x5c können von hier relativ günstig bezogen werden:
http://www.aliexpress.com/item/4pcs...eel-Gear-For-Quadcopter-Drone/1980718685.html

Falls die Spannung-, Strom- und Schubmessung vom V929 unbefriedigend ist, werde ich die entsprechenden Teile vom Syma x5C kaufen und testen.
 

Trockenschwimmer

Erfahrener Benutzer
#17
Hi Daniel,

Super Projekt, Respekt!
Ich habe das Gefuehl, dass Du Dein Ziel erreichen wirst. Aber einfach wird das nicht!

Die Knackpunkte sind ganz klar Gewicht und Effizienz. Du hast ja schon sehr leicht gebaut aber ein bisserl was geht sicher noch :rolleyes: Jedes Gramm zaehlt! Finde auch die Idee gut einen leichten kommerziellen Kopter zu kanibalisieren um an die Antriebe zu kommen. Die sollten (!) eigentlich ganz gut ausgelegt sein.

Konkret kann ich leider nichts beitragen aber ich halte Dir alle Daumen. Dran bleiben!

Gruss
Roland
 

Daniel006

Neuer Benutzer
#18
Hallo!

So, habe jetzt die Getriebe+Motor+Propeller Kombination des v929 vermessen.
Die Motoren ziehen zwar weniger Strom leisten dafür aber auch weniger Schub.

Schub_vs_Spannung.PNG
Strom_vs_Spannung.PNG

Ich habe noch eine Trendlinie mit Annäherungsformel (Exponentialfunktion) im Diagramm hinzugefügt und kann so für jede Spannung den Schub und Strom berechnen.

Bei 3,7 V zieht der Motor 0,79 A (mit Solarzellen machbar) und liefert jedoch nur 23,3 Gramm Schub, was leider zu wenig ist. (93 Gramm Gesamtschub)

Es gibt andere passende Propeller mit einer größeren Steigung. http://www.hacksmods.com/2013/01/gws-ep5443-props/ Werde diese bestellen.
Ich erwarte mir dadurch mehr Schub bei gleicher Spannung und höherem Strom. Beim Strom habe ich ohnehin noch etwas Spielraum nach oben.

Hier noch etwas Interessantes ...
Ich habe mir je Spannung den Strom und den Schub über die Näherungsformeln ausgerechnet --> Anschließend Leistung (Strom x Spannung) und die Effizienz in Schub/Leistung berechnet.
Trägt man Effizienz und Schub in einem Diagramm auf kommt folgendes heraus ...

Effizienz.PNG

Das sagt im Grunde aus, dass die V929 Motor, Getriebe, Propeller Kombination über ~17 Gramm Schub Effizienter läuft.
 
Zuletzt bearbeitet:

Daniel006

Neuer Benutzer
#19
Noch etwas ...

Eine V929 Motor+Getriebe+Prop Einheit wiegt 11 Gramm. Vielleicht kann ich noch 1 Gramm einsparen wenn ich unnötiges Plastik wegschneide. Meine GPS-7 (Motor+Getriebe+Prop) Einheit wiegen nur 6 Gramm. Das würde ein Zusatzgewicht von (10-6 = 4 Gramm also insgesamt 16 Gramm ergeben!) Coptergewicht wäre dann 128 Gramm! :(
 

cesco1

Erfahrener Benutzer
#20
Interessant.

Mit welcher PWM freqenz steuerst du die motoren an? Das hat einen einfluss auf den wirkungsgrad, auf die lebensdauer der motoren und auf die stromspitzen. Mein micro brushed quad flog erst richtig gut als ich die PWM frequenz von 500hz auf 8khz erhöht habe. Als ich das bei rcgroups reingestellt habe wurde das von ALLEN firmwarevarianten übernommen. Bei den stm32 controllern ist das einstellbar.

Stimmt die motor-getriebe-propeller anpassung denn? Da kann man sehr viel wirkungsgread verheizen. Vom system her denke ich brushed - getriebe ist für diese grösse ideal.

Für spannungsspitzen sollte ein kleiner tantal elko reichen. Bei 8khz oder 32khz PWM ist das nicht so wild. Die FC muss natürlich mit niedrigen PID werten laufen damit sie nur sachte korrigiert. Hohe PID = schnelle korrekturen = stromspitzen.


Wo beziehst du die solarzellen?
 
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FPV1

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