V posledních letech byla ekonomika nízkých letových výšek začleněna do národních strategických rozvojových plánů a průmysl bezpilotních letounů (dronů) zažívá rychlý růst. Podle údajů Čínské správy civilního letectví dosáhl počet registrovaných dronů v Číně ke konci roku 2025 čísla 3,287 milionu a celková velikost trhu ekonomiky nízkých letových výšek by měla do roku 2026 přesáhnout jeden bilion jüanů.
Jak drony létají stále vyšší, dále a déle, stávají se požadavky na stabilitu elektronických systémů na palubě stále přísnějšími. Vysoká integrace subsystémů, jako jsou infračervené zobrazování, výkonné lithiové baterie, řídicí systémy letu a komunikační moduly, způsobuje hromadění tepla, které se stává kritickým rizikem pro bezpečnost letu.
Když tradiční systémy chlazení vzduchem potýkají se obtížemi při zvládání tepelné zátěže a kapalinové chladicí systémy jsou často příliš těžké a složité, tichá a vysoce účinná technologie chlazení na bázi pevných látek – termoelektrické chlazení (TEC) – se stává slibným řešením pro tepelné řízení u bezpilotních letounů.
Možná jste pozorovali fascinující jev: když je malý termoelektrický modul napájen stejnosměrným proudem, jedna jeho strana rychle ochladne a dokonce se na ní může vytvořit námraza, zatímco druhá strana se zahřeje.
Tento jev je založen na „Peltierově jevu“, který v roce 1834 objevil francouzský fyzik Jean Charles Athanase Peltier. Při průchodu stejnosměrného proudu obvodem složeným z polovodičových materiálů typu N a P přenášejí elektrony teplo z jedné strany na druhou, čímž dochází současně k absorpci i uvolňování tepla.
Více termoelektrických dvojic spojených sériově tvoří termoelektrický modul (TEC), který umožňuje přesnou regulaci teploty v širokém rozsahu přibližně od –130 °C do 150 °C. Ohřev i chlazení lze dosáhnout jednoduše obrácením směru proudu.
Ve srovnání s tradičními kompresorovými systémy a složitými kapalinovými chladicími řešeními nabízí technologie TEC pro aplikace v dronech několik klíčových výhod:
Bezpečný, odolný proti vibracím: Žádné pohyblivé části – zajišťují tišší a vysoce spolehlivý provoz za podmínek vibrací a rázů.
Přesná kontrola teploty: Rychlá odezva, umožňující v některých aplikacích regulaci teploty na úrovni pod 0,01 °C.
Kompaktní a snadno integrovatelný: Jednoduchá konstrukce, ideální pro drony s omezeným místem a hmotností.
Ekologické: Nejsou vyžadovány žádné chladiva; jeden modul umožňuje jak ohřev, tak chlazení obrácením směru proudu.
Použití technologie TEC u bezpilotních letounů není omezeno na jeden jediný subsystém, ale zasahuje do celé palubní tepelné ekosystémy i do systémů pozemní podpory.
LiDAR je základním senzorem průmyslových bezpilotních letounů používaných pro průzkum, inspekci a bezpečnostní aplikace. U laserových radarových systémů je vysílací vlnová délka polovodičových laserových diod silně závislá na teplotě přechodu: při každém zvýšení teploty o 1 °C se vlnová délka obvykle posune přibližně o 0,2–0,3 nm.
Tento posun vlnové délky může způsobit, že odražený signál spadne mimo úzkopásmový optický filtr, což vede k úplnému selhání měření. Stabilita vlnové délky je proto funkční požadavek, nikoli pouze optimalizace výkonu.
Rozsah provozních teplot systémů LiDAR se liší v závislosti na konstrukci a aplikaci, obvykle mezi –40 °C a 85 °C.
Termoelektrické chlazení (TEC) je běžným hardwarovým řešením pro udržení stability vlnové délky laserové diody v systémech LiDAR. Technické výzvy zahrnují teplotní regulaci s přesností lepší než milikelvin, tepelné řízení optických komponentů a dokonce i vícestupňové chlazení pro aplikace ladění vlnové délky.
Baterie jsou hlavním omezujícím faktorem výdrže dronů. V prostředí s vysokou teplotou mohou lithiové akumulátory trpět přehříváním, nafukováním nebo tepelným rozbouřením. Při nízkých teplotách pod –10 °C se využitelná kapacita může snížit až o 30 %.
TEC systémy lze integrovat do systému pro správu baterií (BMS), aby poskytovaly aktivní tepelnou regulaci: chlazení při příliš vysokých teplotách a ohřev při příliš nízkých teplotách. Tím se baterie udržují v optimálním provozním rozsahu 25–40 °C, což zlepšuje jak jejich životnost, tak účinnost nabíjení a vybíjení.
Prostým obrácením směru proudu umožňují moduly TEC bezproblémové obousměrné řízení tepla, čímž dokonale vyhovují požadavkům na topení i chlazení bateriových systémů dronů.
V prostředí s vysokou nadmořskou výškou nebo v extrémních podmínkách je klíčová stabilní činnost řídicích jednotek motorů a servosystémů.
Termoelektrické chladicí moduly odvádějí teplo z výkonové elektroniky během normálního provozu a v nízkoteplotních prostředích ve vysoké nadmořské výšce přepínají do režimu vytápění, čímž zajišťují, že elektronické součástky zůstávají v optimálních provozních podmínkách. To výrazně zvyšuje spolehlivost systému a zároveň snižuje přísné požadavky na návrh zařízení pro konkrétní prostředí.
Stanoviště pro drony plní funkci „základních center“ pro nabíjení a parkování v exteriéru. Vnitřní systémy regulace teploty přímo určují, zda lze dosáhnout plně autonomního provozu.
V létě může vnitřní teplota překročit 60 °C, čímž klesá účinnost nabíjení a zvyšují se bezpečnostní rizika. V zimě nízké teploty výrazně snižují kapacitu baterie.
Systém založený na termoelektrických článcích (TEC) dokáže poskytnout jak chlazení, tak vytápění jednoduše změnou směru proudu. Ve spojení s vysokopřesnými teplotními čidly a algoritmy řízení PID lze dosáhnout teplotní stability v rozmezí ±0,1 °C.
Protože termoelektrické moduly (TEC) nemají žádné pohyblivé části a nepotřebují chladiva, jsou vysoce spolehlivé pro provozní stanice dronů nasazované v odlehlých nebo obtížně přístupných prostředích, jako jsou hory nebo střechy budov.
Přestože má TEC řada výhod, jeho integrace do systémů dronů zůstává inženýrskou výzvou na úrovni celého systému:
Koordinace energetické účinnosti: TEC je v podstatě tepelné čerpadlo. Bez dostatečného odvádění tepla na horké straně se výkon systému rychle zhoršuje. U aplikací s vysokým výkonem je často nutné použít povinné chlazení proudem vzduchu s chladiči nebo dokonce kapalinové chladicí systémy.
Přesná tepelná regulace: Pro dynamickou regulaci výkonu a optimalizaci energie jsou vyžadovány vysokopřesné senzory NTC v kombinaci s algoritmy PID.
Ochrana prostředí a návrh proudění vzduchu: Kryty pro drony musí splňovat stupeň krytí IP65 nebo vyšší a vnitřní proudění vzduchu musí být pečlivě navrženo tak, aby bylo zajištěno rovnoměrné rozložení tepla.
Úvaha z hlediska celkových nákladů na životní cyklus: Ačkoli počáteční náklady mohou být vyšší než u tradičních řešení, systémy TEC nabízejí dlouhodobé výhody, jako je absence pohyblivých částí, žádná údržba chladiva a nižší provozní náklady.
Společnost P&N preferuje považovat TEC nikoli pouze za chladicí komponentu, ale za nástroj pro přesnou tepelnou regulaci.
U bezpilotních letounů (dronů) rozhodující není teplota sama o sobě, nýbrž dlouhodobá stabilita kritických komponentů za provozních podmínek.
Různé aplikace kladou různé požadavky na tepelnou přesnost, spotřebu energie, hmotnost a spolehlivost. Každé řešení je proto nutné navrhovat jako celek, nikoli pouze optimalizovat za účelem snížení teploty.
S rychlým rozvojem technologií LiDAR, infračerveného snímání, stanovišť pro drony a platform s dlouhou výdrží se domníváme, že precizní tepelné řízení bude hrát v budoucích systémech dronů stále důležitější roli.
Společnost P&N bude nadále úzce spolupracovat se zákazníky při výzkumu efektivnějších a spolehlivějších řešení tepelného řízení s využitím termoelektrických prvků.
EN
