ソーラー発電ドローンはどれくらいの大きさになるのでしょうか?

[#動画: https://www.youtube.com/embed/bJPplmWb-vI

素晴らしいアイデアですね。ドローンにソーラーパネルを搭載すれば、バッテリーは不要になります。バッテリーがなくても、太陽が照っている限りドローンを飛ばすことができます。（純粋な動機があればの話ですが）素晴らしいアイデアです。まさにシンガポール国立大学の学生たちがそれを実現しました。

しかし、動画を見ればすぐに分かるように、このドローンはシートのように薄いのです。では、本当の疑問は、この機体はどれくらいのサイズと質量で、太陽光発電だけで完全に稼働できるのか、ということです。この疑問にお答えするために、太陽光発電クワッドコプターの計算ツールをご紹介します。まずは、この計算式を構成する物理的な原理と考え方について見ていきましょう。

太陽光発電

電力は、エネルギー使用量の時間率（エネルギーの変化を時間の変化で割ったもの）として定義され、ワット単位で測定されます。

理想的には、ソーラーパネルからの電力をすべて飛行に充てたいところです。つまり、一時的にエネルギーを蓄えるバッテリーは不要ということです。バッテリーがあれば機体の質量が増えるので、これは問題ありません。しかし、ソーラーパネルからどれだけの電力を得られるのでしょうか？これが真の問題です。

ソーラーパネルからの電力出力は、次の値に依存します (これは私による初期の推定値です)。

太陽、あるいは太陽からのエネルギー。地球表面における太陽エネルギーの面積当たりのエネルギーは、1平方メートルあたり約1000ワットです。太陽を変えない限り、この値を変えることはできません（推奨しません）。（Eで表されます）
ソーラーパネルのサイズ。パネルが大きいほど消費電力は大きくなります。まずは約0.04平方メートルから始めましょう。（Aは面積です）
ソーラーパネルの効率。1000W/ ^m²の太陽光がソーラーパネルに当たったからといって、そのすべてが電気に変換されるわけではありません。28%という効率は妥当な水準と言えるでしょう。(効率 = e )
方位角。太陽光がソーラーパネルに対して垂直であれば最適です。もちろん、太陽が真上にあるとは考えられません。入射角θ = 45°の場合はどうでしょうか？

これにより、電力出力は次の式で得られます。

画像には単語、テキスト、ラベル、ロゴ、シンボル、商標が含まれている場合があります

太陽光発電については以上です。

ホバリングパワー

ホバリングするクワッドコプターに必要な動力はもう少し複雑です。とはいえ、空気を押し下げてホバリングするあらゆる飛行体にはこの原理が当てはまります。

力と運動の性質から始めましょう。静止している物体の速度を上げるには、力が必要です。この押す力の大きさは、物体の質量、速度の変化、そして速度が変化する時間に依存します。では、この物体を空気に置き換えてみましょう。飛行機は空気を使って飛行しているからです。より大きな空気の質量とローター面積を使うことで、より大きな推力を得ることができます。また、空気の速度を上げることでも、より大きな推力を得ることができます。

もう少し数学的な話になりますが、ここでは省略します（もしよければ目を通してください）。でもちょっと待ってください！私たちが求めているのは推力ではなく、出力です。空気の速度（質量を含む）が上昇すると、運動エネルギーが増加します。運動エネルギーの増加速度が速いほど、必要な電力も大きくなります。

つまり、小型ローターで空気を非常に速く押し下げるホバリング機と、大型ローターで空気を低速で押し下げるホバリング機のどちらかを選べるということです。しかし、この2つの選択肢では出力は同じではありません。運動エネルギーは速度の2乗に比例するため、小型ローターで空気が高速であれば、ホバリングにははるかに多くの出力が必要になります。ちなみに、人力ヘリコプター（実在する）が人間並みの出力を得るために、非常に大型になるのは、このためです。

ホバリングパワーの計算

では、詳細を見ていきましょう。このクワッドコプターの大きさはどれくらいでしょうか？ローターの大きさはどれくらいでしょうか？ソーラーパネルのサイズはどうでしょうか？もし誰かがもっと効率的なソーラーパネルを発明したらどうなるでしょうか？あらゆる可能性を計算する代わりに、計算機のようなものを作ってみましょう。実際には、これは与えられたパラメータセットでホバリングするために必要なローターサイズを計算するPythonプログラムです。ちなみに、これはPythonが一般的な科学計算用電卓よりも優れている理由の一つです。（しかもPythonは無料です。）

コードはこのページにあります。値を編集して計算を再実行してください。ご安心ください。何も壊れることはありません。これは破られないコードです。「再生」をクリックして実行し、「鉛筆」をクリックして編集してください。

デフォルトの推定値では、ローターの直径は約5.9cmになります。これはかなり妥当な値に思えます。しかし、質量を増やしたらどうなるでしょうか？ソーラーパネルのサイズはどうなるでしょうか？はい、コードを少し編集するだけで、これらの変更が可能になります。これで、自作のソーラードローンを作る準備が整いました。

WIREDのその他の素晴らしい記事