¿Cuán plausible es el reclamo sobre una solución de batería de 200 kW?

Después de esta pregunta publicada en Aviación: SE:

• ¿El aerotabla ARCA viola los límites conocidos de los ventiladores eléctricos de diámetro pequeño?

que está relacionado con un tablero flotante descrito en el sitio del proveedor :

^{( fuente )}

Me gustaría evaluar la afirmación de que este dispositivo realmente existe. En particular, me pregunto si es posible usar las baterías para entregar 200 kW como se afirma. No estoy tratando de evaluar los aspectos aerodinámicos.

No veo qué tecnología podría usarse aparte de las células de iones de litio. Suponiendo que esto sea cierto, ¿sería esta solución compatible con las características reclamadas:

• Potencia entregada: 200 kW,
• Tiempo de ejecución: 3 minutos para un usuario de 110 kg, a 6 minutos para un usuario de 82 kg,
• Tiempo de carga: 6 horas, reducido a 35 min utilizando una estación de acoplamiento.

Teniendo en cuenta las características de iones de litio con el conocimiento de un ingeniero eléctrico, ¿hay algún aspecto que impida que esta solución funcione, por ejemplo:

• Peso, volumen de las baterías (la placa mide 145 × 76 × 15 cm),
• Tamaño de los cables (hay poco espacio disponible en la caja),
• Corriente para cargar (es factible cargar en 35 min),
• Tiempo de descarga (las celdas permitirían descargarse en 3 a 6 min),
• Costo (el reemplazo de baterías se ofrece a $ 6,840).

Sin especulaciones, por favor, pero hechos conocidos que definitivamente contradicen o respaldan la posibilidad de la solución. Por ejemplo, creo que estas deducciones son correctas:

• Para un vuelo estacionario de 3 minutos, con 200 kW, se utilizan aproximadamente 10 kWh.
• Debido a la energía y densidad específicas para el ion de litio, esto significa 40 kg y 14 dm3 para las baterías.
• Precio de las baterías: con un optimista 0.40 $ / Wh, esto sería $ 4,000.
• Cargar 10 kWh en media hora requiere un cargador de 20 kW.
• Suponiendo que cos φ = 1, esto significaría 91 A para 220 V (mucho más allá de lo que generalmente se encuentra en el hogar) y 5,000 A para el voltaje de la celda de iones de litio (esto requeriría cables grandes que no son visibles en la imagen).

203kW / 36 ventiladores = 5.6kW por ventilador.

El voltaje de trabajo de 38V implica 10S Lipo (3.8V por celda).

5.6kW / 38V = 150A. Queremos 3 minutos a plena potencia. A media potencia consumirá 75A durante 6 minutos (duración máxima). Se requerirá una capacidad de batería superior a 150 * (3/60) o 75 * (6/60) = 7.5Ah por ventilador.

Se puede hacer?

Parece que los ventiladores de 120 mm de diámetro caben en el espacio provisto. Aquí hay un ventilador de 120 mm que pesa 1 kg y produce 7,5 kg de empuje en 12S:

120 mm 11 cuchillas aleación EDF 700kv - 7000 vatios

En 10S, consumiría aproximadamente un 30% menos de potencia y produciría aproximadamente un 15% menos de empuje, así que digamos 5kW y 6.5kg (los ventiladores que están usando pueden tener motores diferentes, pero podemos esperar un rendimiento similar al mismo nivel de potencia).

Y aquí hay una batería 10S 4Ah que pesa 905 g: -

ZIPPY Compact 4000mAh 10S 25C Lipo Pack

La placa parece usar un total de 72 baterías, dos baterías por ventilador. 2 x 4Ah = 8Ah, cerca de nuestra capacidad requerida. La velocidad máxima de descarga es 4 x 25C = 100A por batería o 200A por par paralelo (¡y 'solo' necesitamos 150A!). La tasa de carga máxima es 5C, muy por encima de la tasa de 2C requerida para una carga de 35 minutos. A $ 67 por paquete, el costo total de la batería es de $ 4824.

Nuestras 72 baterías pesan 905 gx 72 = 65 kg. Los 36 ventiladores pesan 36 kg. Agregamos otro 10% para ESC, cableado y estructura de soporte, y obtenemos un peso total de la placa de ~ 110 kg. Esta placa debe generar 6.5 kg x 36 = 234 kg de empuje en aire libre. A la mitad de la potencia, el empuje se reduciría a aproximadamente el 75%, pero podría verse impulsado por el efecto del suelo, por lo que quizás 210 kg de empuje flotante de 'duración'. Elimine el peso de la tabla y tendrá una capacidad de carga de 100 kg.

Parece posible!

Me gustaría evaluar la afirmación de que este dispositivo realmente existe. En particular, me pregunto si es posible usar las baterías para entregar 200 kW como se afirma.

1) El peso de la batería necesaria para alimentar ArcaBoard durante 2,4 minutos es realista. Por ejemplo, si usamos baterías del tipo Tattu 22.2V, 22Ah, 488.4Wh, 25C, peso = 5.8 lbs , obtenemos 43.7 kg para la masa total del paquete necesario para generar 272 hp durante 60 min / 25 = 2.4 min ( cerca de esos 3 minutos reclamados por ARCA):

2 x 5.8 lbs x 272 hp / (22 A x 44.4 V x 25) = 43.7 kg

Incluso considerando 38 V en lugar de 44.4 V, la masa total del paquete aumentará de 43.7 kg a 51 kg, lo que deja otros 31 kg para el peso de la placa, los ventiladores con conductos y otros accesorios (ArcaBoard pesa 82 kg). El problema principal no es el peso de las baterías, sino la enorme ineficiencia de los ventiladores canalizados utilizados por ARCA. Son totalmente inadecuados para el tablero Arca como se explica en el punto (2).

2) El empuje estático teórico máximo que se puede obtener con un Ventilador Eléctrico Conducido caracterizado por: Diámetro = 120 mm y Potencia = 272 hp / 36 = 5.63 kW es:

(1.2 kg / m ^ 3 x (5.63 kW) ^ 2 x pi x (120 mm) ^ 2/2) ^ (1/3) = 9.7 kgf

(Utilicé la fórmula que proporciona el máximo empuje estático posible en función de la potencia y el diámetro de la hélice. La eficiencia general se considera 100%. Para eficiencias realistas, menores que 1, la potencia no es 5.63 kW sino 5.63 x eficiencia )

Como puede ver, 36 ventiladores, que dibujan un total de 272 hp, pueden levantar en teoría 9.7 kg x 36 = 349 kg, muy por encima de los 192 kg de ArcaBoard (incluido el peso del piloto). No se viola ningún límite.

Sin embargo, la configuración con 36 rotores de 120 mm de diámetro es mala porque la misma fórmula que utilicé anteriormente dice que una sola hélice de 26 pulgadas alimentada por un motor de 5.63 kW genera:

(1.2 kg / m ^ 3 x (5.63 kW) ^ 2 x pi x (26 pulgadas) ^ 2/2) ^ (1/3) = 30 kgf

En consecuencia, ocho motores de 5.63 kW, que giran hélices de 26 pulgadas, consumirán solo 45 kW (60.4 hp) y elevarán 240 kg, más que la masa máxima de ArcaBoard en vuelo.

Las hélices de diámetro pequeño son simplemente ineficientes para generar empuje estático. Esta es la razón por la que los helicópteros tienen rotores grandes. Las tablas flotantes como ArcaBoard, también perfectamente realizables, no tienen futuro porque desperdician una enorme cantidad de energía .

3) CA Duru hizo un hoverboard eléctrico bien diseñado y construido. Requiere considerablemente menos energía que ArcaBoard y vuela mucho mejor.

Una comparación entre el hoverboard de Catalin Alexandru Duru (ver: el video) y el realizado por Dumitru Popescu de ARCA.

Video: https://www.youtube.com/watch?v=Bfa9HrieUyQ

Hoverboard de Catalin Alexandru Duru

• 8 rotores, 4.5 kW cada uno
• Potencia total: 36 kW = 48.3 hp
• Carga útil: 1 persona

Hoverboard de Dumitru Popescu

• 36 rotores, 5.63 kW cada uno
• Potencia total: 203 kW = 272 hp
• Carga útil: 1 persona

En conclusión, ArcaBoard no es más que un hoverboard mal diseñado que requiere una enorme potencia, 272 hp, para transportar a un hombre, mientras que 48.3 hp son suficientes para tal trabajo, como lo demostró CA Duru.

Fuente: un multicopter con 36 hélices que lleva un hombre