在許多較大型的系統設計中,通常存在多種提供基礎電源的可能性和方法。例如,你可以先在電力與碳氫化合物之間做一個初步的選擇,然後再進一步決定細節:搜尋與採集太陽能、風力、天然氣、丙烷、甲烷、壓縮空氣......等等「族繁不及備載」。

然而,假設傳統上使用的電源會是正確的選擇也很正常,特別是當設計團隊擁有採用該方法的一些經驗。

然而,成功的系統設計可能還需要確認數字,重新評估情況並保持客觀。如果數字看來並不支援,就必須避免採用一些「時下流行」或「自我感覺良好」的解決方案。最近有兩個例子,恰巧都來自美國麻省理工學院(MIT)——或許這也並非巧合,均顯示了毫無偏頗的思維如何成功實現創新的系統級設計。

第一項設計是無人機,其目標是讓無人機在承載約20磅(9公斤)的正常負重下,持續在高空停留五天。該無人機的設計目的在於作為機載通訊節點,當現有系統因暴風雨、洪水、地震和其他災害而無法運行時,讓無人機承載設備(蜂巢式網路、電話、無線電、網際網路)並停留於空中以建立備援連線。

負責該計劃的MIT研究團隊(圖1)一開始先考慮使用太陽能解決方案。畢竟,這個方法已經成功用於其他長期任務了。然而,當他們真正展開實際操作過程後,他們發現太陽能並不是最佳辦法。以太陽能為基礎的電力系統需要更重的電池來儲存夜間、雲端或高緯度部署時的多餘電量(如果有的話)。因此,他們最後決定採用約有5匹馬力(hp)引擎的傳統汽油動力途徑。

181203_schweber_1

MIT「叢林貓頭鷹」(Jungle Hawk Owl)計劃研究團隊展示翼展約24英呎(7.3公尺)寬的輕型滑翔機(來源:MIT)

MIT在其發佈的《工程師設計可在高空中停留五天的無人機》(Engineers design drones that can stay aloft for five days)一文中討論到關鍵的設計和模擬工具GPkit,這是由MIT教授Warren Hoburg開發的,讓工程師能夠針對特定限制或任務要求,確定車輛的最佳設計決策或尺寸。該工具也讓研究團隊可以同時考慮大約200種限制和實體模型,並將它們組合在一起打造最佳的飛機設計,並且評估各種主要的設計權衡。

該團隊的最終設計出稱為「叢林貓頭鷹」(Jungle Hawk Owl)的固定翼無人機,其重量不到150磅(68公斤),可可鬆攜帶10-20磅的通訊設備留空長達5天時間(圖2)。

181203_schweber_2

這架固定翼無人機是從移動中的車頂起飛。當汽車達到最佳起飛速度時,釋放Jungle Hawk Owl的夾具後,這架無人機即開始騰空起飛(來源:MIT)

181203_schweber_3

MIT「叢林貓頭鷹」固定翼無人機在2017年5月4日首航…(來源:MIT)

另一個例子來自一支從MIT獨立而出的研究團隊——Top Flight Technologies,該公司開發出一款結合不同供電組合的新型無人機,目前並正為其實現商用化。這款新型的無人機設計試圖結合兩種動力世界之最:汽油和電力(圖4)。

事實上,研究人員模擬混合動力車(HEV)採用直接混合(straight-hybrid)架構的途徑,即以汽油引擎發電,然後再用於為馬達、電子裝置等各種汽車需求提供動力。(在一些HEV使用更複雜的並聯途徑中,汽油引擎和電動馬達有時可同時用於動力傳動系統,實際情況取決於充電和燃料狀態、負載條件以及其他因素。這種作法可能會更有效率,但也更難以控制而導致機械和重量折衷的問題。)

181203_schweber_4

從MIT獨立而出的Top Flight Technologies開發了混合汽油/電力的新型混合動力無人機,其續航力、有效載重以及供電都明顯增加了,並超過僅限使用電池供電的同類產品(來源:Top Flight Technologies)

採用所謂的直接混合架構十分合理,因為它讓馬達進行全電子式智慧控制,這部份任務在電力領域中更容易且有效率地完成。當然,它在汽油引擎階段和電力電源軌之間還存在著耗損的權衡,但是,透過更有效控制以及提高純電動驅動的效率,則有助於抵消這些損耗。這樣的工程權衡很有意思,它需要更詳細的系統分析。

在MIT發表的《混合動力無人機飛得更遠載重更輕鬆》(Hybrid drones carry heavier payloads for greater distances)中,詳細介紹了關於熱問題的一些有趣觀點...

...繼續閱讀請連結EE Times Taiwan網站