Dal momento che l’impianto fotovoltaico dell’aeromobile in questione è un impianto di tipo stand-alone, cioè un’utenza isolata, risulta necessario avere a disposizione un sistema che sia in grado di accumulare l’energia elettrica in eccesso in maniera tale da renderla disponibile per compensare i deficit del diagramma di produzione rispetto a quello di consumo delle utenze, che nel caso in oggetto possono essere identificate essenzialmente con il motore elettrico e l’avionica di bordo.
Dato che la superficie fotovoltaica a disposizione del velivolo solare in questione è abbastanza ridotta, durante il volo sarà generato un surplus di energia elettrica solo in corrispondenza delle fasi in cui non è previsto l’utilizzo del sistema propulsivo, proprio perché i moduli solari non sono in grado di erogare l’entità di potenza richiesta dal motore, ma riescono a generare abbastanza potenza da alimentare l’avionica di bordo durante tutte le fasi di volo e da riuscire a ricaricare una parte dell’energia nelle batterie.
Durante le fasi di volo sostenute dall’apparato propulsivo, cioè quelle di decollo, salita in quota e crociera, il sistema di accumulo dovrà quindi essere in grado di colmare il deficit di potenza causato dall’impianto fotovoltaico.
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Nella maggior parte dei casi, il tempo dedicato al volo libero (planate e salite attraverso lo sfruttamento delle correnti ascensionali che non prevedono l’apporto di spinta da parte del motore ad elica) non è sufficiente a permettere la ricarica completa delle batterie.
Questa operazione sarà quindi resa possibile solo una volta atterrati, dato che durante la fase di sosta in cui il motoaliante si trova fermo a terra non vi è più alcun consumo di potenza da parte delle utenze (motore + avionica) e di conseguenza si registra un eccesso di produzione di energia elettrica da parte del sistema fotovoltaico. In queste condizioni sarà quindi consentito il completamento della ricarica degli accumulatori e, se si desidera, sarà possibile effettuare un altro volo.
2.4.1 Tipologie di batterie ricaricabili e loro principali caratteristiche
A seguito di questa breve introduzione si procede con la descrizione delle principali tipologie di batterie ad oggi più utilizzate, in maniera tale da mettere in evidenza i valori tipicamente assunti dai parametri principali che caratterizzano la qualità delle performance di un accumulatore di energia elettrica, cioè la densità specifica di energia ed i rendimenti di carica e scarica, i quali solitamente sono contraddistinti dal medesimo valore.
I tipi di accumulatori ad oggi maggiormente impiegati sono i seguenti: (3)
• batterie agli ioni di Litio (Li-ion batteries), le quali vengono utilizzate maggiormente nei telefoni cellulari, computer e veicoli elettrici e sono contraddistinte da valori di densità di energia pari a circa 𝟐𝟎𝟎 ÷ 𝟐𝟓𝟎 [𝐖𝐡 𝐤𝐠⁄ ], densità specifica di potenza che va dai 𝟑𝟎𝟎[𝐖 𝐤𝐠⁄ ] fino ai 𝟏𝟓𝟎𝟎 [𝐖 𝐤𝐠⁄ ] ed efficienze di carica/scarica tipicamente attorno al 𝟗𝟓 ÷ 𝟗𝟖% ;
• batterie ai polimeri di Litio (Li-Poly batteries), le quali pur differendo dalle precedenti dal punto di vista strutturale, dal momento che in questo caso l’elettrolita si trova in fase solida (polimerica), sono caratterizzate da simili prestazioni e livelli di energia immagazzinabile per unità di massa (anche se si possono raggiungere energie specifiche superiori del 20% rispetto a quelle relative alla tecnologia agli ioni di Litio);
• batterie al solfato di Litio (Li-S batteries), le quali sono state recentemente progettate da un gruppo di ricercatori dell’Università di Waterloo e risultano essere costituite per la maggior parte da Zolfo e da una ridotta quantità di Silicio. Esse sono composte da tubi di carbonio mesoporoso riempiti con Zolfo sciolto e, dato che risultano essere particolarmente leggere ed efficienti, sono contraddistinte da un’elevata densità specifica di energia, di molto superiore ai 𝟐𝟓𝟎 [𝐖𝐡 𝐤𝐠⁄ ]. In ambiente di ricerca sono stati raggiunti valori pari a circa 𝟑𝟓𝟎 [𝐖𝐡 𝐤𝐠⁄ ]; • celle a combustibile rigenerative (RFCs), composte da una cella al combustibile, un
elettrolizzatore e dei serbatoi per il contenimento del combustibile. Questa tipologia di accumulatore è in grado di garantire livelli di densità energetica molto maggiori rispetto a quelli che generalmente caratterizzano le tecnologie precedentemente riportate, raggiungendo valori tra i 𝟐𝟓𝟎 [𝐖𝐡 𝐤𝐠⁄ ] e i 𝟕𝟎𝟎 [𝐖𝐡 𝐤𝐠⁄ ]. Questo particolare sistema di accumulo è però contraddistinto da un peso e da un ingombro molto elevati, che lo rendono difficilmente applicabile ad un velivolo solare dalle dimensioni ridotte come quello in esame.
La scelta della tipologia di accumulatore di energia adatto al sistema in oggetto ha un grosso impatto sugli esiti del dimensionamento, poiché, dal momento che i pannelli solari non sono in grado di erogare una potenza sufficientemente elevata, la gran parte della potenza necessaria all’alimentazione dell’apparato propulsivo proviene dalle batterie, le quali devono essere quindi contraddistinte da
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un’elevata energia specifica, in maniera tale da non rischiare di incorrere in un aumento del peso totale del velivolo a causa dell’ingombro del sistema di accumulo di energia.
Per questo motivo, la scelta della tecnologia adatta al motoaliante in oggetto ricade sulle batterie agli ioni di Litio (Li-ion) o su quelle ai polimeri di Litio (Li-Poly) dato che sono contraddistinte da una notevole efficienza di carica/scarica, da un’elevata energia specifica e una buona densità di potenza, che permette a questo tipo di sistemi di erogare energia ad alte correnti.
A questo punto si passa ad un confronto diretto tra queste due tipologie di accumulatori di energia elettrica: (58)
Tipologia di accumulatore PRO CONTRO
Batterie agli ioni di Litio
• Possono assumere diverse forme e dimensioni; • Nessun effetto memoria; • No deterioramento causa
cicli carica/scarica; • Non è necessaria la carica
completa al primo utilizzo.
• Anche se potenzialmente possiede infiniti cicli di caricanel tempo subisce ugualmente un
deterioramento; • Eccessiva carica e/o
surriscaldamento possono provocare esplosione della batteria;
• Se sottoposte a calore, il deterioramento avviene più velocemente.
Batterie ai polimeri di Litio
• Maggiore capacità di energia (circa il 20% in più);
• Peso ridotto e maggiore autonomia;
• Nessun effetto memoria; • Minor degrado nel tempo; • Minor tempo di ricarica; • Possono assumere più
forme diverse.
• Facilmente infiammabili se forate;
• Deterioramento con i cicli di carica/scarica molto elevato;
• Caricatore specifico, altrimenti la ricarica avviene troppo lentamente o la batteria può venire danneggiata.
Tabella 2.7
Confronto tra le caratteristiche principali delle batterie agli ioni di Litio e di quelle ai polimeri di LitioIn passato entrambe le tecnologie sono state impiegate nel campo dell’aviazione solare: per quanto riguarda le batterie agli ioni di Litio si può richiamare il già sopraccitato velivolo Solong, il quale era equipaggiato con 120 celle agli ioni di Litio della Sanyo (Sanyo 18650 Li-ion cells) caratterizzate da una energia specifica pari a 𝟐𝟐𝟎 [𝐖𝐡 𝐤𝐠⁄ ], mentre per quanto concerne gli accumulatori ai polimeri di Litio si può rintracciare una loro applicazione nel sistema elettrico dell’aeromobile Silent 2 Electro dell’Alisport, il quale utilizza le high quality Superior Lithium Polymer cells, cioè celle ai polimeri di Litio altamente performanti prodottedall’azienda Kokam. (59)
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Dopo aver messo in luce gli aspetti positivi e le problematiche legate all’utilizzo di queste due differenti tecnologie ed aver evidenziato il loro contributo in due velivoli solari, si procede con la definizione dei parametri caratteristici delle batterie che verranno impiegate nel processo di dimensionamento del motoaliante in esame.
Dal momento che entrambe le tecnologie dimostrano ottime prestazioni, a questo livello preliminare di design si procede ipotizzando di utilizzare delle batterie al Litio caratterizzate da un valore di energia specifica pari a 𝟐𝟐𝟎 [𝐖𝐡 𝐤𝐠⁄ ] e da un’efficienza di carica/scarica del 95%. Per effettuare il dimensionamento non viene quindi scelto uno dei due sistemi di accumulo in particolare, ma è sufficiente conoscere il valore relativo alle due grandezze caratteristiche sopra riportate, dal momento che, assieme al rendimento del convertitore associato alle batterie, risultano essere gli unici parametri necessari nella procedura di calcolo.
Il seguente grafico rappresenta l’evoluzione delle prestazioni e del costo degli accumulatori agli ioni di Litio. Dal momento che già nel 2005 il valore della densità di energia gravimetrica si attestava a circa 𝟐𝟎𝟐 [𝐖𝐡 𝐤𝐠⁄ ], risulta sensato e logico pensare che nel 2018 siano stati raggiunti valori ben superiori a questo e che si aggirino attorno ai 𝟐𝟓𝟎 ÷ 𝟐𝟔𝟎 [𝐖𝐡 𝐤𝐠⁄ ].