WING FPV Solarflugzeug Baubericht & Testflug

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



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



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.


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).


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.



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:



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



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



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.



In unserem Fall sieht die Kennlinie so aus (Sunpower C60):


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:



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:



Abschließend ist hier unser Video vom Bau und Testflug:

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

Gut zusammengefasst!

Zu der Verschattung durch die Winglets ist noch zu sagen, dass die verschatteten Zellen wie ein sehr hoher Widerstand fungieren. Dort fällt dann viel Spannung ab und Energie geht verloren. Wir können das verhintern indem wir eine Bypassdiode antiparallel zu der oder den potentiell verschatteten Zellen einbauen. Dadurch fällt zwar eine Zelle weg (ca. -1Volt (zelle + bypassdiode)), der Energieverlust aller Zellen kann dadurch jedoch mimimiert werden.

Wir werden vermutlich am Fr einen längernen Flug durchführen, sollte das Wetter passen.

Beeindruckend! Viele haben das schon probiert, aber ich meine noch kein Video gesehen zu haben, wo so ein Vorhaben wirklich komplett geklappt hat.

Ist gerade auch sehr treffend, wo der Solar Impulse 2 nach einer langen Pause seinen Weltrundumflug in den USA fortsetzt und das Solarflugthema in die Medien bringt

Mal eine ganz doofe Idee: wenn die Winglet-Abschattung ein Problem ist... kann man sie evtl aus Plexiglas ausführen und damit die Abschattung zumindest anteilig reduzieren? Oder einfach auf die Flügelunterseite verlegen?

hehe,
vielleicht können wir ja den Solar Impulse 2 noch einholen.

Durchsichtige Winglets sind sicherlich besser, durch den steilen Winkel der Einstrahlung auf das Plexiglas würde vermutlich ein erheblicher Anteil reflektiert sowie ein Teil vom Glas absorbiert werden.

Die Winglets auf der Unterseite anzubringen haben wir uns auch überlegt, zum Landen ist das leider sehr unpraktisch.

Guten Morgen,

wirklich ein sehr schönes Projekt.
Zu den Winglets: Ich bin zwar kein Experte, aber meines Erachtens tritt der positive Effekt der Winglets überwiegend auf der Oberseite der Tragfläche auf. Aber wie sagt man doch so schöne: Versuch macht kluch

Der Entwickler vom RVOSD hat das schon vor 3 Jahren erfolgreich geflogen:
https://www.youtube.com/watch?v=z_PxhU9i9Ng

Die Laderate ist der Wert rechts neben den verbauchten mAh. Benutzt wird eine QueenBee von Windrider. Er benutzt Solar allerdings nur als zusätzliche Akkukapazität und fliegt nicht von der Solarenergie allein. Liegt aber dran, dass er Strecke zurücklegen wollte. Denk bei langsamerem Flug oder mit etwas Thermik sollte das auch komplett über Solar gehen.

Das ist auch ein wichtiger Punkt. Für Versuche ist es eigentlich zu spät, der Flieger verträgt keine harten Landungen mehr, seit dem die PV Zellen drauf sind. Deshalb werden wir die Winglets nicht grundlegend verändern.
Und wie Daniel schon sagt, es muss etwas sein was besonders wenig reflektiert.

Alex Villas höhen Rekord und Distanzflüge mit dem QueenBee Solarnuri waren damals beeindruckend (cool ist auch die bidirectionale Strommessung), aber wenn man sich das ganze genauer ansieht, wird man feststellen, dass er in erster Linie einen riesigen Akku hatte und die PV-Zellen nur als Verlängerung der Flugzeit fungiert haben. Eine Solarversorgung geht sich bei weitem nicht aus.

Unser Solarnuri kann mehr als seinen Leistungsbedarf aus Solarenergie beziehen, das ist schon ein ganzes Stück besser.

Aber es geht noch wesentlich besser. Soviel Akku mittragen, dass sich ein kompletter Nachtflug ausgeht, ist nochmal eine ganz andere Liga. Genau das hat Andre Noth 2008 in seiner Dr Arbeit geschafft (27h Dauerflug)

Sehr cooles Projekt!

Noch einen Tip. Ihr solltet den "SOC" zwischen 40% und 60% halten. Damit sollte sich auch das Problem mit dem Akku, das ihr nicht balanced ladet, ein bischen redzuieren und der Akkulebensdauer zu Gute kommen. Natürlich könnt ihr auch balanced laden, aber das kostet Energie.

Die Frage ist wie ihr den SOC ermitteln könnt da ihr den Ladesstrom nicht messt. Davon mal abgesehen das selbst wenn ihr den Ladestrom ermitteln könntet das aufintegrieren von Strömen um die verbrauchten und generierten mAh miteinander zu vergleichen um den SOC zu bestimmen, auf lange Zeit zu starken fehlern führen würde.

Ich würde das so machen das ich, ohne Sonnenenrgie, den Akku im Flug entladen würde (mit verbrauchten mAh) und eine Kennline Akkuspannung gegen mAh erstellen würde. Dann würde ich nur in dem ermittelten oberen und unteren Spannungsbereichen zwischen 40%und 60% entladenen mAh laden. Evtl das ganze sogar in ca. 3 Temperaturbereichen (0°C 20°C 40°C).

Gruss,
Joerg

Schön geschrieben und Respekt, dass ihr euer Ziel erreicht habt!

Danke

Das mit dem aktuellen Ladezustand vom Akku stimmt schon, genau kennen wir ihn nicht.
Aber das ist auch nicht so entscheidend, der Akku ist nur unser Backup.

Und über die Spannung lässt sich bei einem gesunden Lipo schon etwas ablesen. Alles über 4V ist ziemlich voll, alles unter 3,7V ist ziemlich leer. Und mehr müssen wir eigentlich nicht wissen.

Das Ziel, damit die PV Zellen effizient laufen, sollte ein Betrieb zwischen 16-16,5V sein.
Diesen Spannungsbereich werden wir versuchen zu halten.

Lipos driften besonders stark im unteren Bereich (3-3,5V), der Bereich ist aber sowieso nicht sinnvoll.

Im Betrieb wird der Lipo kaum entladen/geladen, er gleicht nur kleinere Einbrüche aus (Kurven-Manöver/Wolken). Da wird der Zellendrift nicht schlimm sein. Und solange wir nciht zu voll oder leer werden, wäre ein Drift auch kein Problem. Bei 16,5V wäre ein Drift von 100mV nötig damit es gefährlich wird, das ist schon ziemlich viel.

Ich kann euch dazu aber bestimmt bald mehr sagen

tolles Projekt!

Ziel wirklich schon erreicht ?

widerspricht sich ein bischen ?!

11.30-... is nicht ein ganzer Tag

aber schonmal toll, das der Nuri rein mit Solarenergie fliegen kann!

ich Drück die Daumen für Freitag!


welche durchschnittsgeschwindigkeit fliegt ihr denn so mit dem nuri um höhe zu halten ?

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



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

Glückwunsch Jungs!
http://hackaday.com/2016/05/10/solar-fpv-plane-flies-forever/

Danke für die Info

Na das hört sich doch echt gut an 6Stunden Ausdauerflug !

Recht anstrengend ist es halt, alleine würde ich es nicht machen

Dafür ist ja ein Autopilot drin... oder seid ihr tatsächlich die ganze Zeit manuell geflogen? Aufpassen muss natürlich trotzdem wer die ganze Zeit über.

Interessantes Projekt!

Wo habt ihr die Solarzellen her und wie viel haben sie gekostet? Ich hatte mal gemessen, dass die Strahlungsleistung hinter einer doppelt verglasten Fensterscheibe um das 4-Fache abnimmt. Ist das bei der Frischhaltefolie auch so extrem? Vielleicht könnte man durch andere Bespannung noch mehr Leistung bekommen.

Wenn der Nuri, wie bei Hackaday geschrieben, für immer fliegen könnte, müsste die tagsüber gesammelte Energie ausreichen, um die Nacht zu überbrücken. Das ist wohl aber nicht der Fall? Für wie lange reicht eine Akkuladung bei eurem vorsichtigen Flugstil? Bei 45W Leistung und einem 44Wh-Akku wäre das knapp eine Stunde.

Ja der cruise mode vom APM ist ganz ok, leider spinnt der manchmal etwas. Die Ausrichtung auf die Sonne war in jedem Fall von Hand.

Die C60 Solar zellen sind von ebay, ich glaube die haben damals so 200 EUR gekostet. Mittlerer Weile sind die bestimmt günstiger zu haben.

Die Frischhaltefolie kostet uns, je nach Einstrahlwinkel 5-10%. Das geht bestimmt noch besser, da die Folie reflektiert.

Nein das Solarflugzeug kann natürlich nicht über Nacht fliegen, das ist eine ganz andere Liga.
Dazu muss man sehr viel Akku mitnehmen. Selbst wenn man den Antrieb doppelt so effizient hinbekommen würde (nicht sehr realistisch), und wenn man sehr hoch fliegen würde (also in der Nacht dann segeln würde), könnte der Nuri nicht genug Akku tragen damit sich das ausgeht.

Aber die Flugzeit ließe sich noch ein ganzes Stück erweitern. Mit 18650er Lithium Ionen Zellen hätten wir bei gleichem AUW schon eine Flugzeit von ca 2 Stunden (das wären 4S2P 18650 Rundzellen mit real 3Ah und 80% DoD). Das heißt wir können in der Früh und am Abend noch ordentlich Zeit dranhängen.

Wie ich schon im YouTube Video Comment empfohlen hab, schaut euch mal das PlayUavOSD an als Alternative für den MinimOSD. Das Teil ist recht unbekannt, aber mmN. ein guter Nachfolger zum Minim - nur minimal teurer, dafür vollgrafisch und ebenfalls komplett offen für Programmierung und Konfiguration. Ich selbst nutze einen Firmware-Fork von Tobias Bales (Teacup) hier im Forum, Link: https://github.com/TobiasBales/PlayuavOSD (Firmware) / https://github.com/TobiasBales/PlayuavOSDConfigurator (Konfigurator dazu).

Hallo Kollegen,

Gratuliere! Sehr beeindruckend was Ihr mit vergleichsweise wenig Aufwand geschafft habt! Da geht doch sicher noch mehr

sonnige Gruesse
Roland