Efeito de batidas de asa na geração de potência para VANTs bioinspirados usando células solares

Abstract

O presente trabalho investiga o efeito do movimento oscilatório de asas bioinspiradas na eficiência da geração de potência elétrica por células solares embarcadas em Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs), por meio de abordagem numérica e experimental. A pesquisa foi motivada pela lacuna existente na literatura sobre a integração de geração fotovoltaica em plataformas aéreas com cinemática variável, especialmente em configurações de asas batentes. A metodologia adotada contemplou duas frentes complementares. Primeiramente, desenvolveu-se um modelo computacional baseado na teoria de vigas de Euler-Bernoulli e no método dos Elementos Finitos para simular a resposta dinâmica da asa sujeita a excitação rotacional harmônica. A partir da reconstrução da geometria defletida ao longo do ciclo de batimento, aplicou-se um modelo vetorial para cálculo da irradiância solar incidente em diferentes blocos de células fotovoltaicas. O modelo possibilitou avaliar o impacto das amplitudes e frequências de oscilação na captação de energia solar, considerando diferentes orientações relativas ao sol. Em paralelo, realizou-se uma campanha experimental em bancada controlada, utilizando um mecanismo oscilatório para reproduzir o movimento de batida em asas instrumentadas com placas solares comerciais. Os ensaios permitiram comparar a geração de potência em condições estacionária e oscilante, evidenciando perdas associadas à variabilidade angular induzida pela oscilação. Os resultados indicaram que o movimento de batida provoca uma redução na potência gerada em regime oscilante, com magnitude dependente da amplitude e frequência de oscilação. A pesquisa contribui para a compreensão dos desafios e oportunidades associados à integração de sistemas fotovoltaicos em VANTs bioinspirados, oferecendo subsídios para o aprimoramento do projeto de aeronaves energeticamente autossuficientes.

This study investigates the effect of the oscillatory motion of bio-inspired wings on the efficiency of electrical power generation by solar cells embedded in Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), through numerical and experimental approaches. The research is motivated by the existing gap in the literature regarding the integration of photovoltaic generation in aerial platforms with variable kinematics, particularly in flapping-wing configurations. The adopted methodology comprises two complementary approaches. First, a computational model based on the Euler-Bernoulli beam theory and the Finite Element method was developed to simulate the dynamic response of a wing subjected to harmonic rotational excitation. From the reconstruction of the deflected geometry along the flapping cycle, a vector-based model was applied to calculate the incident solar irradiance on different photovoltaic cell blocks. The model enabled the evaluation of the influence of oscillation amplitudes and frequencies on solar energy capture, considering different orientations relative to the sun. In parallel, an experimental campaign was conducted using a controlled bench-top setup equipped with an oscillatory mechanism to reproduce the flapping motion in wings instrumented with commercial solar panels. The tests allows one to compare power generation under stationary and oscillatory conditions, highlighting losses associated with the angular variability induced by the motion. The results indicated that the flapping motion leads to a reduction in the generated electrical power under oscillatory operation, with a magnitude dependent on the amplitude and frequency of oscillation. The research contributes to understand the challenges and opportunities related to the integration of photovoltaic systems in bio-inspired UAVs, providing insights for improving the design of energetically self-sufficient aircraft.