Quão plausível é a afirmação sobre uma solução de bateria de 200 kW?

Após esta pergunta publicada na Aviação: SE:

• O hoverboard ARCA viola os limites conhecidos dos ventiladores elétricos de pequeno diâmetro?

que está relacionado a uma placa flutuante descrita no site do fornecedor :

^{( fonte )}

Gostaria de avaliar a afirmação de que este dispositivo realmente existe. Em particular, gostaria de saber se é possível usar as baterias para fornecer 200 kW, conforme reivindicado. Não estou tentando avaliar os aspectos aerodinâmicos.

Não vejo que tecnologia poderia ser usada além das células de íons de lítio. Supondo que isso seja verdade, essa solução seria compatível com as características reivindicadas:

• Potência fornecida: 200 kW,
• Tempo de execução: 3 min para um usuário de 110 kg, a 6 min para um usuário de 82 kg,
• Tempo de carregamento: 6 horas, reduzido para 35 minutos usando uma docking station.

Levando em consideração as características do íon de lítio com o conhecimento de um engenheiro elétrico, existe algum aspecto que impediria essa solução de funcionar, por exemplo:

• Peso, volume das baterias (a placa mede 145 × 76 × 15 cm),
• Tamanho dos fios (há pouco espaço disponível na caixa),
• Corrente para carregamento (é possível cobrar em 35 min),
• Tempo de descarga (as células permitiriam descarregar em 3 a 6 min),
• Custo (a substituição de baterias é oferecida por US $ 6.840).

Nenhuma especulação, por favor, mas fatos conhecidos que definitivamente contradizem ou apóiam a possibilidade da solução. Por exemplo, acho que essas deduções estão corretas:

• Por três minutos pairando, com 200 kW, são usados ​​cerca de 10 kWh.
• Devido à energia e densidade específicas do íon de lítio, isso significa 40 kg e 14 dm3 para as baterias.
• Preço das baterias: com um otimista 0,40 $ / Wh, isso seria $ 4.000.
• Carregar 10 kWh em meia hora requer um carregador de 20 kW.
• Supondo que cos φ = 1, isso significaria 91 A para 220V (muito além do que geralmente é encontrado em casa) e 5.000 A para a tensão da célula de íons de lítio (isso exigiria fios grandes que não são visíveis na figura).

203kW / 36 ventiladores = 5,6kW por ventilador.

A tensão de trabalho de 38V implica 10S Lipo (3,8V por célula).

5.6kW / 38V = 150A. Queremos 3 minutos com força total. Com meia potência, ele desenha 75A por 6 minutos (duração máxima). Será necessária uma capacidade da bateria maior que 150 * (3/60) ou 75 * (6/60) = 7,5Ah por ventilador.

Isso pode ser feito?

Parece que as ventoinhas de 120 mm de diâmetro cabem no espaço fornecido. Aqui está uma ventoinha de 120 mm que pesa 1 kg e produz 7,5 kg de empuxo no 12S: -

Liga de lâmina de 120 mm 11 EDF 700kv - 7000 watts

No 10S, ele consumia cerca de 30% menos energia e produzia 15% menos empuxo, digamos 5kW e 6,5kg (os ventiladores que eles estão usando podem ter motores diferentes, mas podemos esperar um desempenho semelhante no mesmo nível de potência).

E aqui está uma bateria 10S 4Ah que pesa 905g: -

ZIPPY Compact 4000mAh 10S 25C Lipo Pack

A placa parece usar um total de 72 baterias - duas baterias por ventilador. 2 x 4Ah = 8Ah, próximo à capacidade necessária. A taxa de descarga máxima é de 4 x 25C = 100A por bateria ou 200A por par paralelo (e nós 'precisamos' apenas de 150A!). A taxa de carga máxima é de 5 ° C, bem acima da taxa de 2 ° C necessária para uma carga de 35 minutos. Por US $ 67 por pacote, o custo total da bateria é de US $ 4824.

Nossas 72 baterias pesam 905g x 72 = 65kg. Os 36 fãs pesam 36 kg. Adicione outros 10% para ESCs, fiação e estrutura de suporte, e obteremos um peso total da placa de ~ 110 kg. Esta placa deve gerar 6,5 kg x 36 = 234 kg de impulso ao ar livre. A meia potência, o impulso seria reduzido para cerca de 75%, mas poderia ser impulsionado pelo efeito de solo - portanto, talvez 210 kg de impulso duradouro com 'duração'. Retire o peso da prancha e você tem uma capacidade de carga útil de 100 kg.

Parece possível!

Gostaria de avaliar a afirmação de que este dispositivo realmente existe. Em particular, gostaria de saber se é possível usar as baterias para fornecer 200 kW, conforme reivindicado.

1) O peso da bateria necessário para alimentar o ArcaBoard por 2,4 minutos é realista. Por exemplo, se usarmos baterias do tipo Tattu 22,2V, 22Ah, 488,4Wh, 25C, peso = 5,8 libras , obteremos 43,7 kg para a massa total da embalagem necessária para gerar 272 hp por 60 min / 25 = 2,4 min ( próximos aos 3 minutos reivindicados pela ARCA):

2 x 5,8 libras x 272 hp / (22 A x 44,4 V x 25) = 43,7 kg

Mesmo considerando 38 V em vez de 44,4 V, a massa total da embalagem aumentará de 43,7 kg para 51 kg, o que deixa outros 31 kg para o peso da placa, ventiladores e outros acessórios (ArcaBoard pesa 82 kg). A questão principal não é o peso das baterias, mas a enorme ineficiência dos ventiladores de dutos usados ​​pela ARCA. Eles são totalmente inadequados para o conselho da Arca, conforme explicado no ponto (2).

2) O impulso estático máximo teórico que pode ser obtido com um ventilador elétrico caracterizado por: Diâmetro = 120 mm e Potência = 272 hp / 36 = 5,63 kW é:

(1,2 kg / m ^ 3 x (5,63 kW) ^ 2 x pi x (120 mm) ^ 2/2) ^ (1/3) = 9,7 kgf

(Usei a fórmula que fornece o máximo de empuxo estático possível em função da potência e do diâmetro da hélice. A eficiência geral é considerada 100%. Para eficiências realistas, menores que 1, a potência não é 5,63 kW, mas 5,63 x eficiência )

Como você vê, 36 ventiladores, que totalizam 272 hp, podem levantar, em teoria, 9,7 kg x 36 = 349 kg, bem acima dos 192 kg do ArcaBoard (incluindo o peso do piloto). Nenhum limite é violado.

No entanto, a configuração com rotores de 36, 120 mm de diâmetro é ruim porque a mesma fórmula que usei acima diz que uma única hélice de 26 polegadas alimentada por um motor de 5,63 kW gera:

(1,2 kg / m ^ 3 x (5,63 kW) ^ 2 x pi x (26 pol.) ^ 2/2) ^ (1/3) = 30 kgf

Consequentemente, oito motores de 5,63 kW, girando hélices de 26 polegadas, puxarão apenas 45 kW (60,4 hp) e elevarão 240 kg, mais do que a massa máxima do ArcaBoard em vôo.

Hélices de pequeno diâmetro são simplesmente ineficientes para gerar empuxo estático. Esta é a razão pela qual os helicópteros têm grandes rotores. Pranchas flutuantes como o ArcaBoard, também perfeitamente realizáveis, não têm futuro porque gastam uma quantidade enorme de energia .

3) Um hoverboard elétrico bem projetado e construído foi fabricado pela CA Duru. Exige consideravelmente menos energia que o ArcaBoard e voa muito melhor.

Uma comparação entre o hoverboard de Catalin Alexandru Duru (veja: o vídeo) e o feito por Dumitru Popescu da ARCA.

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

Prancha de hoverboard de Catalin Alexandru Duru

• 8 rotores, 4,5 kW cada
• Potência total: 36 kW = 48.3 hp
• Carga útil: 1 pessoa

Hoverboard de Dumitru Popescu

• 36 rotores, 5,63 kW cada
• Potência total: 203 kW = 272 hp
• Carga útil: 1 pessoa

Concluindo, o ArcaBoard nada mais é do que uma prancha com prancha mal projetada que requer uma enorme potência, 272 cv, para transportar um homem, enquanto 48,3 cv são suficientes para esse trabalho, como demonstrado por CA Duru.

Fonte: Um multicopter com 36 hélices que carrega um homem