Volo solare. Utilizzo delle celle solari

Le celle solari sono elementi estremamente fragili. Ciò vale sia per la fase di costruzione dell’ala solare sia per il successivo trasporto del modello e le operazioni di volo. Nel modello «EZE Solar Glider 3» di Serge Encoua (vedi MFS n. 4/2018), i delicati dischi di silicio sono ben protetti e integrati nell’ala. Le mie considerazioni che seguono partono dal presupposto che le celle solari vengano disposte sulla parte superiore dell’ala, dove sono esposte alla radiazione solare diretta e vengono raffreddate dal vento durante il volo1.

Le mie prime esperienze con le celle solari, fatte dieci anni fa, sono state deludenti. Molte delle lastre di silicio, spesse solo 0,3 mm, erano già difettose durante la costruzione dell’ala: mancanza di cautela nella manipolazione in officina, appoggio troppo morbido durante i lavori di saldatura, pressione eccessiva con il saldatore, punti di contatto in argento bruciati a causa di un’esposizione troppo prolungata al calore, rotture durante l’incollaggio alle centine, ecc.

All’epoca optai per il profilo ad alta portanza S4083 (Selig), lo stesso utilizzato da Oskar Czepa per il suo «Quäntchen». Sebbene fosse ottimale dal punto di vista aerodinamico, dal punto di vista costruttivo era estremamente complesso. Con l’impiego di stringhe a scandole2, disposte in una linea poligonale, ho risolto il problema dell’elevata curvatura nella zona anteriore del profilo.

Dopo un atterraggio fuori campo del mio «Sunnevogu» in un campo di mais durante il raduno di aerei autocostruiti a Huttwil (guasto al motore, problema alla trasmissione), è stato necessario sostituire le prime celle – e un cacciavite che mi era scivolato di mano è caduto anche sull’ala. Così il materiale di riserva, acquistato per precauzione, si è esaurito rapidamente. Nel frattempo, né le stringhe a scandole né i ritagli di celle ricavati da wafer da 100 × 100 mm erano più disponibili.

Poi è apparso l’articolo sull’«EZE Solar Glider». In questo modello non viene utilizzato né uno speciale profilo alare solare3 né un profilo ad alta portanza, bensì un moderno profilo HLG! Questa è stata la motivazione per costruire una nuova ala solare, ma questa volta migliore!

Il profilo AG16 (Mark Drela) utilizzato nell’«EZE Solar Glider 3» presenta una curvatura uniforme su un ampio tratto della superficie superiore ed è quindi particolarmente adatto al montaggio di celle solari di grandi dimensioni su tale superficie.

Le lastre di silicio, dello spessore di 0,25 mm, consentono una leggera flessione prima di rompersi. Una leggera precompressione meccanica offre addirittura il vantaggio di consentire alle celle solari di sopportare una pressione leggermente maggiore sulla superficie. In questo caso non si può fare a meno di effettuare delle prove (con eventuali perdite). Le prove di flessione hanno dimostrato che l’aumento dello spessore del profilo dal 7,12% all’8,1%, auspicato per motivi costruttivi (alette), è perfettamente realizzabile.

Il rinforzo delle celle solari sul lato inferiore con carta giapponese verniciata aumenta la resistenza alla rottura con un aumento di peso minimo:

La carta giapponese Japico da 21 g/m² inumidita con acqua (con ritagli in corrispondenza delle aree di saldatura) viene incollata sul

e, una volta asciutta, viene ricoperta con un altro strato di vernice. Ovviamente, le aperture delle aree di saldatura devono rimanere prive di vernice!

Grazie alla forza di tensione della carta di rivestimento durante il processo di essiccazione, la cella solare, in precedenza piana, si piega come desiderato nella direzione corretta.

La direttiva UE sulla riduzione delle sostanze pericolose (RoHS) vieta all’industria elettronica, dal 2005, l’uso di saldature contenenti piombo; pertanto, anche le saldature morbide oggi disponibili nel settore hobbistico sono per lo più leghe di stagno prive di piombo (1,2).

La «saldatura speciale» con aggiunta di argento (2) raccomandata dal mio fornitore di celle solari ha sì un punto di fusione più basso rispetto allo standard industriale attuale, ma anche con quella si finiscono presto per bruciare i delicati punti di contatto rivestiti d’argento sulle celle solari.

Il risultato è migliore con la lega di stagno e piombo ottimizzata per una temperatura di fusione minima, con il 2% di argento (3), che utilizzavo già dieci anni fa per le celle solari di allora. Queste leghe per saldatura sono ancora disponibili per applicazioni speciali. Sono convinto che qualche grammo di questa lega per saldatura non comprometta gli obiettivi della direttiva RoHS!

La saldatura diventa però davvero rilassante solo con la lega a bassa temperatura composta da bismuto, stagno e argento (4), come quella offerta da Chipquik sotto forma di filo per saldatura dello spessore di 1 mm (fornitore: DigiKey). Questo materiale è molto costoso, pertanto è opportuno utilizzarlo solo per saldare i punti di contatto rivestiti d’argento.

Il fondente (flux) contenuto nell’anima del filo di saldatura serve a garantire che lo stagno si leghi bene alle superfici di saldatura. Per le delicate superfici di saldatura rivestite d’argento delle celle solari, tuttavia, si consiglia un ulteriore pretrattamento con una matita di fondente. Con due pennellate decise si bagna la superficie di saldatura e contemporaneamente si raschia via l’ossido d’argento. Con entrambe le marche testate ho ottenuto buoni risultati di saldatura:

Saldatore a bassa temperatura e stick di flussante.

È indispensabile utilizzare un saldatore elettronico a temperatura regolabile (ad es. Weller WHS 40).

I connettori per celle solari sono conduttori piatti in rame stagnato, con cui le singole celle vengono collegate tra loro per formare un modulo solare. Grazie alla loro forma piatta, le forze di flessione esercitate sui dischi di silicio, sensibili alla rottura, sono minime.

Per la preassemblaggio degli elementi a striscia, mi sono costruito una pinza a gomito utilizzando una piccola pinza piatta. Eventuali impurità e residui di vernice derivanti dall’applicazione del rinforzo in carta sono stati rimossi con alcool denaturato e bastoncini di cotone. Segue poi l’applicazione del flussante con una penna apposita, l’applicazione di una piccola quantità di stagno per saldatura e infine la saldatura dell’elemento a striscia. Chi non vuole scottarsi le dita, può utilizzare delle pinzette.

Il montaggio su entrambi i lati degli elementi a striscia (polo positivo e polo negativo) prima dell’installazione offre il vantaggio di evitare un delicato processo di saldatura una volta che la superficie alare è già montata. Si devono solo saldare tra loro gli elementi a striscia. Anche la sostituzione di una cella rotta dovrebbe essere semplice-

potrebbe verificarsi (fortunatamente non è ancora successo).

Ho incollato le celle solari sulle alette, seguendo le indicazioni del mio fornitore, utilizzando strisce autoadesive di gomma espansa dello spessore di circa 1 mm (vedi Lemo Solar, Manuale delle celle solari). Contrariamente alle raccomandazioni, tuttavia, il lato esposto all’irraggiamento non è stato rivestito con vernice protettiva. →

Il rischio maggiore di danneggiare l’ala solare si presenta durante il trasporto al campo di volo per aeromodelli. Le calotte negative in polistirolo posizionate sulla parte superiore e inferiore delle due metà dell’ala, fissate tra loro con nastri in velcro, si sono dimostrate molto efficaci.

Finalmente arriva la ricompensa per le tante ore di lavoro: il

modello, dopo il lancio a mano, sale tranquillamente in quota. La propulsione e l’alimentazione del sistema RC avvengono esclusivamente grazie all’irraggiamento solare sulle ali; solo un piccolo condensatore di riserva da 10F (5 V/circa 3 mAh) per il ricevitore e i servocomandi fa sperare che, in caso di eclissi solare imprevista, il modello possa comunque atterrare in sicurezza.