Перейти к содержимому
2

45. Солнечные панели и топливные элементы (дальние БПЛА) #

Дальний полёт БПЛА (беспилотного летательного аппарата) упирается в энергию: LiPo (статья 36) дают 20–40 минут. Два пути — получать энергию от солнца и носить на борту химический источник с энергией на порядок выше батарей. Разбираем солнечные панели и водородные топливные элементы: параметры, расчёты мощности и где каждая технология востребована.

Содержание

1. Цели статьи

  • Читать паспорт солнечной панели (V_mp, I_mp, P_номинал) и оценивать её реальную отдачу.
  • Построить баланс мощности солнечного БПЛА и понять, почему мультиротор «на солнечной» не висит.
  • Считать параметры топливного элемента (напряжение, ток, расход водорода).
  • Сравнивать источники энергии по удельной энергии и выбирать под задачу.
↑ К оглавлению

2. Глоссарий величин

Все величины, используемые в статье, с единицами измерения (СИ):

ВеличинаОбозначениеЕдиницаЧто это
Мощность P Вт (ватт) Скорость передачи энергии; P = U·I (статья 34); полёт 180 Вт — средний расход крылового аппарата
Напряжение U В (вольт) Разность потенциалов; шина БПЛА 14,8–22,2 В (4S–6S)
Ток I А (ампер) Скорость переноса заряда; I = P/U
Напряжение в точке MPP V_mp В (вольт) Напряжение, при котором панель отдаёт P_номинал (раздел 3)
Ток в точке MPP I_mp А (ампер) Ток при V_mp; P_номинал = V_mp·I_mp
Напряжение холостого хода V_ок В (вольт) Напряжение панели без нагрузки; ≈ 1,2·V_mp
Ток короткого замыкания I_крз А (ампер) Ток при замкнутых клеммах; ≈ 1,1·I_mp, кратковременно допустим
КПД η % (процент) Доля входной энергии, преобразованная в выходную; кремний 18–23 %, PEM-система 40–60 %
Энергия E кВт·ч (киловатт-час) E = P·t; LiPo 0,4–0,7 кВт·ч/кг, водород 33,9 кВт·ч/кг (низшая теплота)
Удельная энергия — кВт·ч/кг Энергия на килограмм источника; главный критерий выбора (раздел 6)
Удельная мощность — Вт/кг Мощность на килограмм; висение 100–150 Вт/кг, крыло 10–30 Вт/кг
Мощность панели на площадь — Вт/м² Отдача панели на 1 м² при STC (1000 Вт/м²); 180–230 Вт/м²
Масса m кг (килограмм) Масса аппарата или источника; определяет удельные показатели
Расход водорода m_H2 г/ч (грамм в час) Масса водорода в час; m = P·t/(η·33,9 кВт·ч/кг) (раздел 5)
Давление p бар Давление в баллоне с водородом; композит 350–700 бар
Температура t °C (градус Цельсия) Рабочая температура PEM 40–80 °C; STC панели 25 °C
↑ К оглавлению

3. Энергетика дальнего полёта

Ограничение дальнего БПЛА — запас энергии. LiPo даёт 0,4–0,7 кВт·ч на килограмм (статья 36): типовой пакет 0,2 кВт·ч (0,3–0,5 кг) работает 20–40 минут при 300–600 Вт (статья 42); запас 1 кВт·ч — уже 1,5–2,5 кг. Дальние задачи — мониторинг периметра, связь, разведка — требуют 10–100 часов. Пути:

  • Солнце — энергия извне, без массы: но мощность ограничена площадью панелей (раздел 3–4).
  • Водородный топливный элемент — «батарее», которая генерирует энергию из водорода: удельная энергия системы выше LiPo в 5–7 раз (раздел 5–6).
  • Дополнительно: дозарядка LiPo от панели в воздухе — гибридная схема.
↑ К оглавлению

4. Солнечная панель: параметры

Солнечная панель (рисунок — Wikipedia) / Солнечная батарея — набор фотоэлементов, вырабатывающих постоянный ток. Ключевые паспортные величины (STC — стандартные условия: 1000 Вт/м², 25 °C):

ПараметрЗначениеСмысл
P_номинал 100–400 Вт (панели БПЛА) мощность в точке максимума (MPP)
V_mp — напряжение максимума 18–45 В напряжение, при котором отдаётся P_номинал
I_mp — ток максимума 4,5–10 А ток при V_mp
V_ок — напряжение холостого хода 22–52 В без нагрузки
I_крз — ток короткого замыкания 5–11 А кратковременно допустим
КПД элемента 18–23 % (кремний) доля солнечной энергии в электрической

Реальная отдача на 35–50 % ниже номинала: угол солнца, температура (напряжение падает с нагревом), облачность. Рабочее правило: от P_номинала брать 60–70 %. Панель не «батарее» — она источник с переменной V–I характеристикой: нагрузку к ней подключают через преобразователь с MPPT (maximum power point tracking, отслеживание точки максимальной мощности, рисунок — Wikipedia / Отслеживание точки максимальной мощности), который удерживает панель в точке MPP при любой нагрузке. Фотоэлектричая система (рисунок — Wikipedia)

↑ К оглавлению

5. Солнечный БПЛА: баланс мощности

Критерий «полёта на солнечной» — средняя мощность панели больше средней мощности полёта. Сравним архитектуры (статьи 26–29):

АппаратМассаP_средняя полётаУдельная мощностьВердикт (солнце 25 Вт/кг)
Мультиротор 10 кг 10 кг 1 000–1 500 Вт (висение, ст. 26) 100–150 Вт/кг нет: 250 Вт панели = 17–21 % от потребности
Крыловой аппарат 10 кг 10 кг 100–300 Вт (крюиз, ст. 28) 10–30 Вт/кг возможно: 250–300 Вт панелей на крыле
Солнечный рекордсмен (экстремальный) 150–300 кг 2–6 кВт (круиз 30–50 м/с) 15–20 Вт/кг да: панели 8–30 м², высота 10–20 км: нет погоды, ослабление света меньше (ст. 6)

Типовой «солнечный» мониторинговый аппарат: крыло 3–6 м, панели на верхней поверхности крыла 1,5–3 м², мощность 250–500 Вт, батарея 1–2 кВт·ч — буфер на утро/вечер и облачность. Средний расход в крюизе 150–250 Вт — при ярком солнце баланс положительный: теоретическое время полёта — «сколько продержится погода и аппаратура», практично 10–30 суток с посадкой для обслуживания.

Ночной полёт: солнечный БПЛА садится ночью (исключение — рекордные аппараты с ночным снижением до эшелона 10–15 км). Ночной полёт идёт от батареи, заряженной в дневное время.
↑ К оглавлению

6. Топливный элемент: PEM-схема

Топливный элемент (рисунок — Wikipedia) / Топливный элемент — «батарее наоборот»: на входе химическое топливо (водород) и окислитель (кислород из воздуха), на выходе — электричество, вода и тепло. Схема PEM (протонно- обменная мембрана, типовая для БПЛА):

  • Ячейка: 0,7–0,8 В под нагрузкой (теоретический максимум 1,23 В). 20–30 ячеек в «пакете» дают 15–24 В — прямое питание силовой шины 4S–6S.
  • Мощность: пакет 50–500 Вт, удельная мощность 0,3–1 Вт/см² по активной площади.
  • КПД системы: 40–60 % от теплотворной способности водорода (у LiPo «КПД» — 85–90 %, но энергия в разы меньше).
  • Водород: хранят в композитных баллонах 350–700 бар (альтернатива — металлогидридные ёмкости 30–100 бар, рисунок — Wikipedia). Масса водорода — лишь примерно 10–25 % массы «системы» (баллоны + компрессор + элемент), что надо учитывать в расчётах.
  • Температура: PEM работает при 40–80 °C, нужен контур охлаждения; при минусе — предзапуск на прогрев.

Ключевое преимущество — удельная энергия (рисунок — Wikipedia / Плотность энергии): у водорода 33,9 кВт·ч/кг (низшая теплота) — против 0,4–0,7 у LiPo. Даже система целиком (баллоны + элемент) даёт 2,5–4 кВт·ч/кг — в 5–7 раз больше.

↑ К оглавлению

7. Сравнение источников энергии

ИсточникУд. энергия, кВт·ч/кгУд. мощность, Вт/кгПрименение на БПЛА
LiPo (ст. 36) 0,4–0,7 200–600 базовый: 20–40 мин, взлёт/манёвр
Водород + PEM (система) 2,5–4 150–300 10–40 ч, мониторинг, связь
Солнечная панель 0 (источник мощности) 100–250 (по площади панели) «навсегда» у крыла, дозарядка LiPo
Бензин (для сравнения, ДВС/ГТД) 12,4 300–800 крыло 30–120 кг, 5–20 ч (ст. 12 — газы)

Вывод для авиатехника: LiPo — на взлёт, манёвр и короткий полёт; водород — на долгий автономный полёт (10–40 ч); солнце — когда аппарат крылатый и задача «сидеть над целью» сутками. Часто — комбинация: LiPo + топливоэлемент или LiPo + панель.

↑ К оглавлению

8. Практика: типовые задачи (с решениями)

Задача 1. Фактическая мощность панели

Панель P_номинал = 100 Вт, V_mp = 18 В, I_mp = 5,5 А. Ясно, но наклон крыла не оптимален (отдача 65 %). Найти фактическую отдачу и ток при напряжении шины 16 В (преобразователь с MPPT, КПД 90 %).

Заданные параметры.

ПараметрЗначение
Номинальная мощность панели, P_номинал 100 Вт
Напряжение в точке MPP, V_mp 18 В
Ток в точке MPP, I_mp 5,5 А
Коэффициент фактической отдачи 65 %
Напряжение шины, U_шина 16 В
КПД преобразователя (MPPT), η 90 %

Искомые параметры. Фактическая отдача панели (Вт); мощность на шине (Вт); ток (А).

Решение.

  1. Фактическая отдача панели: P = 100·0,65 = 65 Вт.
  2. Мощность на шине: P_шина = 65·0,9 = 58,5 Вт.
  3. Ток: \(I = P_{шина}/U_{шина} = 58{,}5/16 \approx 3{,}7\ А \).
Ответ: 65 Вт с панели, 58,5 Вт на шине, I ≈ 3,7 А. Вывод: зарядка 4S2200 (1C = 2,2 А, 14,8 В = 32,6 Вт) идёт с запасом; лишний ток — в буфер или отключается.

Задача 2. Баланс солнечного БПЛА

Крыловой аппарат: крюиз 180 Вт (включая электронику). Панель 400 Вт на крыле, средняя отдача 65 %. Найти дневной и среднесуточный баланс и время «тёмного» полёта от батареи 1 кВт·ч.

Заданные параметры.

ПараметрЗначение
Мощность полёта (крюиз), P_полёт 180 Вт
Номинальная мощность панели, P_панель 400 Вт
Средняя фактическая отдача панели 65 %
Среднесуточный солнечный ресурс 55 % (от полуденного)
Ёмкость буферной батареи, E 1 кВт·ч

Искомые параметры. Дневной баланс (Вт); среднесуточный баланс (Вт); время тёмного полёта (ч).

Решение.

  1. Фактическая мощность панели: P = 400·0,65 = 260 Вт.
  2. Дневной баланс: 260 − 180 = +80 Вт.
  3. Среднесуточная мощность: 260·0,55 = 143 Вт; баланс: 143 − 180 = −37 Вт.
  4. Время тёмного полёта от батареи: t = E/P_полёт = 1/0,18 ≈ 5,5 ч.
Ответ: днём +80 Вт, по суткам −37 Вт; батарея 1 кВт·ч ≈ 5,5 ч. Вывод: «вечный полёт» — теория; практик — 10–30 суток с посадкой, либо увеличить панели до 600–700 Вт.

Задача 3. Топливный элемент: напряжение и ток

PEM-пакет: 25 ячеек по 0,75 В под нагрузкой. Нагрузка 150 Вт. Найти напряжение и ток пакета.

Заданные параметры.

ПараметрЗначение
Количество ячеек, n 25
Напряжение ячейки под нагрузкой, U_яч 0,75 В
Мощность нагрузки, P 150 Вт

Искомые параметры. Напряжение пакета U (В); ток I (А).

Решение.

  1. Напряжение пакета (ячейки последовательно): U = n·U_яч = 25·0,75 = 18,75 В.
  2. Ток: \(I = P/U = 150/18{,}75 = 8{,}0\ А \).
Ответ: 18,75 В, 8,0 А. Вывод: напряжение пакета совпадает с шиной 5S–6S; количество ячеек выбирают под напряжение шины, ток — под мощность.

Задача 4. Расход водорода

Тот же пакет: 150 Вт, КПД системы 50 %. Найти расход водорода в г/ч (низшая теплота 33,9 кВт·ч/кг).

Заданные параметры.

ПараметрЗначение
Мощность пакета, P 150 Вт = 0,15 кВт
КПД системы, η 50 %
Низшая теплота водорода, q 33,9 кВт·ч/кг

Искомые параметры. Расход водорода (г/ч).

Решение.

  1. Тепловой эквивалент: \(P_{т} = P/\eta = 0{,}15/0{,}5 = 0{,}3\ кВт \).
  2. Тепло за час: 0,3 кВт·ч.
  3. Масса водорода: \(m = 0{,}3/33{,}9 = 0{,}00885\ кг \approx 8{,}9\ г/ч \).
Ответ: ≈ 8,9 г/ч. Вывод: 1 кг водорода даёт ~113 ч полёта при 150 Вт (1000/8,9 ≈ 113); реальные 10–30 ч дальних БПЛА ограничены объёмом баллона и массой системы, а не расходом.

Задача 5. Удельная мощность: кто висит на солнце

Мультиротор 10 кг висит с P = 1 200 Вт. На крыльях — панели 250 Вт (отдача 65 %). Можно ли висеть «на солнечной»?

Заданные параметры.

ПараметрЗначение
Масса аппарата, m 10 кг
Мощность висения, P_вис 1 200 Вт
Мощность панелей (номинал), P_панель 250 Вт
Коэффициент фактической отдачи 65 %

Искомые параметры. Требуемая удельная мощность (Вт/кг); доля покрытия панели (%).

Решение.

  1. Требуемая удельная мощность: 1 200/10 = 120 Вт/кг.
  2. Панель (номинал): 250/10 = 25 Вт/кг; с отдачей 65 %: 250·0,65/10 = 16,25/10 ≈ 16 Вт/кг.
  3. Доля покрытия: номинал 25/120 ≈ 21 %; с отдачей 65 % — 16/120 ≈ 13 %.
Ответ: 21 % (номинал) / 13 % (факт) — висеть нельзя. Вывод: солнечная мощность 10–25 Вт/кг по площади крыла — в 4–15 раз ниже потребности висения (100–150 Вт/кг); для мультиротора панель — только дозарядка (ст. 42), а «автономный полёт на солнце» — задача крылового аппарата.
↑ К оглавлению

9. Чек-лист самопроверки знаний

Отметьте пункты, которые вы действительно понимаете и можете применить без подсказок.

✓НавыкПроверка
Панель читаю V_mp/I_mp, считаю фактическую отдачу 60–70 %
MPPT знаю, зачем нужен преобразователь к панели
Баланс считаю P_панель vs P_полёта, понимаю «среднесуточный» ресурс
Топливноэлемент считаю U = n·U_ячейки, I = P/U
Расход H2 считаю m = P·t/(η·33,9 кВт·ч/кг)
Сравнение знаю уд. энергию LiPo 0,4–0,7 / H2-системы 2,5–4 кВт·ч/кг
↑ К оглавлению

10. Источники

  1. Wikipedia, «Solar panel» — параметры STC, V_mp/I_mp, КПД (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Solar_panel / ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_батарея (Солнечная батарея)
  2. Wikipedia, «Photovoltaic system» — состав системы (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic_system
  3. Wikipedia, «Maximum power point tracking» — принцип MPPT (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_point_tracking / ru.wikipedia.org/wiki/Отслеживание_точки_максимальной_мощности (Отслеживание точки максимальной мощности)
  4. Wikipedia, «Fuel cell» — PEM-ячейка, 0,7–0,8 В, КПД (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell / ru.wikipedia.org/wiki/Топливный_элемент (Топливный элемент)
  5. Wikipedia, «Energy density» — удельная энергия H2 33,9 кВт·ч/кг (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Energy_density / ru.wikipedia.org/wiki/Плотность_энергии (Плотность энергии)
  6. Wikipedia, «Hydrogen storage» — баллоны 350–700 бар (рисунок). en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_storage
  7. Статьи цикла 6 (атмосфера, высота), 26 (висение, мощность), 28 (крюиз, расход), 36 (LiPo), 42 (энергобюджет) — база.

Диапазоны паспортных данных панелей 100–400 Вт и PEM-пакетов 50–500 Вт — типовые для БПЛА-классов; среднесуточный солнечный ресурс 50–60 % — оценка по солнечной инсоляции умеренных широт. Числовые примеры рассчитаны автором. Проверено: 03.09.2026.

↑ К оглавлению
  • мод. : Вторник, 08 сентября 2026