IT202000003443A1 - Velivolo tropo-stratosferico migliorato - Google Patents

Description

Descrizione dell?Invenzione Industriale avente per titolo: ?VELIVOLO TROPO-STRATOSFERICO MIGLIORATO?

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo: "VELIVOLO TROPO-STRATOSFERICO MIGLIORATO?

La presente invenzione riguarda un velivolo per utilizzo nella troposfera e nella stratosfera con caratteristiche innovative migliorate.

Gli attuali sistemi di osservazione della Terra sono basati principalmente sull?utilizzo di satelliti o costellazioni satellitari e su piattaforme aeronautiche. I sistemi satellitari permettono di osservare un?ampia porzione di territorio ma hanno un tempo di rivisita che pu? variare da un minimo di alcuni giorni (includendo anche le immagini ottenute con un angolo di vista diverso dal nadir) ad alcune settimane. La risoluzione spaziale dipende dall?orbita dei satelliti. Inoltre, nel caso delle costellazioni satellitari ? quasi impossibile, o estremamente oneroso, effettuare interventi manutentivi o di aggiornamento tecnologico dei sottosistemi di bordo e del payload stesso. Il vantaggio delle costellazioni satellitari ? la loro lunga vita operativa.

Le piattaforme aeronautiche, sia droni a guida autonoma sia a guida umana, offrono la possibilit? di imbarcare sensori per l?osservazione della Terra che, data la vicinanza al suolo, fornisco immagini con una risoluzione spaziale molto elevata ma su una zona estremamente ridotta. La durata delle missioni, sia per i limiti di durata del sistema energetico nel caso dei droni sia per non aumentare eccessivamente il workload del pilota per i velivoli manned, ? estremamente ridotta.

Inoltre, la possibilit? di utilizzare le piattaforme aeronautiche ? subordinata alla presenza di condizioni meteo favorevoli.

Per alcune applicazioni di tipo ISR (Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance), come ad esempio il controllo delle frontiere sia marittime che terrestri, si rende necessario un sistema di sorveglianza che offra una copertura della zona d?interesse in maniera continua per un periodo di alcuni mesi all?anno. Nel caso, ad esempio, del controllo delle rotte percorse dai barconi che trasportano i clandestini nel mar Mediterraneo, il sistema di sorveglianza ? maggiormente richiesto nel periodo estivo, quando le condizioni del mare sono favorevoli all?attraversamento.

Per questo tipo di applicazioni i sistemi satellitari offrono un tempo di rivisita e una risoluzione che non ? utile a monitorare il fenomeno di interesse, d?altra parte sarebbe impensabile avere in volo in maniera continuata diversi velivoli per garantire il pattugliamento della zona di interesse.

Nel caso di applicazioni che richiedono il dispiegamento di un?infrastruttura di telecomunicazioni protette in uno scenario di guerra, i sistemi satellitari e le piattaforme aeronautiche non sono utilizzabili. I primi per i costi e per la complessit? di design di una nuova costellazione e di dispiegamento che rendono il processo non fattibile per un?esigenza che ? limitata nello spazio e nel tempo; i secondi, di nuovo, per l?endurance ridotta.

Risulta, quindi, attualmente non disponibile nella dotazione dei sistemi militari, una piattaforma volante che abbia la capacit? di offrire una copertura, su un?area avente un?estensione regionale, con una risoluzione spaziale e temporale adeguata alle applicazioni ISR e che inoltre sia facilmente dispiegabile in loco e configurabile in base allo scenario operativo.

L?esigenza di ottenere un sistema di osservazione della Terra e telecomunicazioni che offra adeguata risoluzione spaziale e copertura dell?area di interesse in maniera persistente trova una risposta negli High-Altitude Pseudo-Satellite.

Gli High-Altitude Pseudo Satellite (HAPS) sono piattaforme dispiegate nella Stratosfera, in un intervallo di quote pari a 18000-20000 m.

Le piattaforme stratosferiche rappresentano una nuova generazione di strumenti in grado di rilevare in tempo reale ed in modo automatico, dati ed immagini con modalit? che costituiscono una netta evoluzione nel quadro dell?Osservazione della Terra (OT) in termini di continuit? di osservazione, precisione e accuratezza.

Rispetto ai sistemi oggi esistenti, come Aeromobili e Satelliti, un HAPS a differenza dei satelliti pu? ottenere una maggiore risoluzione spaziale, e soprattutto rispetto ai satelliti LEO permette un?elevatissima risoluzione temporale potendo garantire una sostanziale persistenza su scala locale (circa 800 km<2>).

I vantaggi delle piattaforme HAPS hanno indotto, nel tempo, a dare sempre maggior credito alla possibilit? di un loro utilizzo come validi complementi a satelliti e droni.

Al fine di garantire l?operativit? temporale necessaria all?esecuzione della missione, gli HAPS utilizzano l?energia fotovoltaica.

Definita l?irradianza, che dipende dalla posizione e dal periodo dell?anno, il sistema fotovoltaico deve essere in grado di alimentare direttamente il carico durante le ore in cui ? irradiato e in pi? deve fornire l?energia sufficiente per caricare le batterie di accumulo per le altre ore del giorno. Sul mercato esistono moduli fotovoltaici con un ottimo rapporto Wp/Kg. Tali moduli sono basati sulla tecnologia dell?Arseniuro di Gallio (GaAs) promettono un rapporto Wp/kg anche superiore a 1000.

Le celle al GaAs assicurano il massimo rapporto Wp/Kg e anche il minimo spazio necessario ma sono molto costose. Esistono anche alternative di produzione e realizzazione di celle solari flessibili ad un costo di gran lunga inferiore, ad esempio il fotovoltaico basato sulla tecnologia CIGS (diseleniuro di gallio indio e rame), che mostra rapporti comparabili all?GaAs per quanto riguarda il rapporto potenza/peso (Wp/Kg), ma esprimendo efficienze minori, ? necessaria l?occupazione di spazi maggiori, che non mancano su un velivolo stratosferico. Le sottili e flessibili celle fotovoltaiche, qualunque sia la tecnologia, vengono spesso incollate sull?involucro polimerico che racchiude il volume di Elio necessario ad ottenere la spinta aerostatica che consente la permanenza in quota.

La radiazione incidente sulle celle fotovoltaiche, solo in parte viene trasformata in energia elettrica, un?altra parte viene riflessa, la maggior parte viene trasformata in energia termica producendo il riscaldamento delle celle stesse e del substrato su cui sono connesse.

Alla quota di esercizio, intorno ai 20000 m, l?aria risulta rarefatta, con una densit? circa 13 volte inferiore rispetto alla densit? che si pu? misurare al livello del mare. La bassa densit? rende molto basso lo scambio termico delle celle per via convettiva, malgrado la temperatura ambiente sia intorno a -55?C anche l?irraggiamento delle celle ? relativamente basso, in quanto al disotto di 100?C tale fenomeno non risulta preponderante, quindi con una insolazione tipica la temperatura delle celle sale raggiungendo 70?C e oltre. La conseguenza di tale riscaldamento ? una riduzione notevole dell?efficienza della conversione fotovoltaica e l?invecchiamento precoce del collante e del substrato polimerico del velivolo con conseguente aumento della permeabilit? all?elio.

L?innovazione che si intende brevettare, prevede l?inserimento di dispositivi atti a creare una circolazione forzata del gas all?interno del velivolo, tale da raffreddare, grazie alle correnti convettive realizzate, il substrato su cui sono posizionate le celle, e quindi raffreddando anche le celle stesse.

Grazie a questo dispositivo si ottengono quindi tre importanti vantaggi:

1) Riduzione del rischio di danni per surriscaldamento dell?involucro del velivolo nelle aree in contatto con le celle fotovoltaiche;

2) Essendo noto che l?efficienza della conversione fotovoltaica aumenta al ridursi della temperatura di giunzione delle celle, risulta quindi un aumento della produzione elettrica quando l?impianto fotovoltaico lavora a temperature pi? basse;

3) Poich? la densit? del gas all?interno del velivolo risulta funzione non lineare della temperatura d=p*MM/(R*T),

dove p indica la pressione

MM ? il peso molecolare dell?aria

R ? la costante dei gas

T ? la temperatura

risulter? una densit? totale del gas inferiore per una distribuzione delle temperature con varianza pi? bassa, risultando una minore quantit? di gas necessaria alla spinta aerostatica.

La presente invenzione sar? ora descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: La figura 1 mostra una possibile forma del velivolo in cui (1) ? l?involucro, ad esempio un tessuto laminato costituito da ultra polietilene ad altissimo peso molecolare in monofilamenti di fibra e poliestere, PVF, film, e altro. Sull?involucro vengono fissate le celle fotovoltaiche (2) in posizione tale da massimizzare l?esposizione ai raggi solari. Il velivolo ? riempito di gas (3) pi? leggero dell?aria, tipicamente elio, ma ? possibile utilizzare altri gas o miscele di essi. All?interno del velivolo, tramite i supporti (4), ? presente un motore elettrico (5) su cui ? fissata un?elica (6) che girando produce le correnti convettive atte a uniformare la temperatura all?interno del velivolo e raffreddare le il substrato su cui sono installate le celle fotovoltaiche.

Si vuole sottolineare come nel seguito sar? illustrate, a titolo esemplificativo, ma non limitativo, soltanto un esempio di realizzazione della presente invenzione, con relativi calcoli, essendo possibile descriverne molte altre sulla base delle particolari soluzioni tecniche individuate.

Il calcolo ? stato effettuato al 21 di giugno che rappresenta il giorno dell?anno con maggiore insolazione, alla latitudine di Roma a un?altezza di 20Km.

Si ? assunto:

Temperatura dell'atmosfera: 217K

Irradiazione solare diretta: 1367 W/m<2>

Coefficiente di emissivit? della struttura: 0,88 Coefficiente di assorbimento: 0,33

Coefficiente di emissivit? dell?esterno: 0,8 Coefficiente di emissivit? dell?interno dell?involucro: 0,73

Conducibilit? termica: 2 W/m<2>K

Celle solari:

Efficienza di conversione delle celle solari: 13% Coefficiente di assorbimento: 0,85

Coefficiente di emissivit?: 0,8

Conducibilit? termica: 4,5 W/m<2>K

Parametri del Velivolo:

Lunghezza: 40 m

Diametro: 10 m

Superficie del velivolo: 1000 m<2>

Superficie celle: 100 m<2>

Efficienza di conversione fotovoltaica: 13%

Gas di riempimento: Elio

Volume: 2100 m3

Quota di volo: 20 Km

Latitude, Longitude: 42N, 12,3E

Giorno dell?anno 21 giugno (solstizio d?estate).

In queste condizioni risulta una temperatura delle celle massima attesa pari a 60-65?C.

L?andamento dell?efficienza in funzione della temperatura (grafico fig.4) per la tecnologia CIGS, ? possibile simulare l?andamento della potenza durante il giorno nei tre casi:

1) Alla temperatura di riferimento ideale di 20?C (Figura 5, curva blu output 20?C);

2) Alla temperatura di 60?C (Figura 5, curva arancio output 60?C);

3) Alla temperatura ridotta grazie al sistema di raffreddamento inserito (Figura 5, curva verde output con ventilazione.);

Risulta quindi una produzione di energia elettrica sensibilmente maggiore grazie all?attivazione delle correnti convettive che raffreddano le celle.

La presente invenzione ? stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo alcune forme di realizzazione preferite, ma ? da intendersi che eventuali variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del settore senza per questo uscire fuori dal relativo ambito di protezione, cos? come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un VELIVOLO TROPO-STRATOSFERICO MIGLIORATO (1), comprendente: - una struttura aerostatica, ovvero un involucro (1) contenente gas pi? leggero dell?aria (3), equipaggiato con celle fotovoltaiche (2), con all?interno un sistema di movimentazione del gas costituito da eliche (6) mosse da un motore (5), sostenuto da supporti (4), in grado di creare correnti convettive atte a uniformare la temperatura all?interno del velivolo per raffreddare le celle fotovoltaiche e quindi aumentare la produzione di energia elettrica; 2. Un VELIVOLO TROPO-STRATOSFERICO MIGLIORATO (1), secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere: - un?area dell?involucro polimerico su cui sono fissate o incollate le celle fotovoltaiche (2), la cui temperatura, essendo mitigata dalle correnti convettive, ? tale da non produrre un invecchiamento precoce del polimero. 3. Un VELIVOLO TROPO-STRATOSFERICO MIGLIORATO (1), secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che: - il velivolo necessita di una minore quantit? di gas per la spinta aerostatica, poich? la densit? del gas all?interno dello stesso risulta funzione non lineare della temperatura, ed essendo miscelato dal sistema di ventilazione produrr? una densit? totale del gas inferiore per una distribuzione delle temperature con varianza pi? bassa.