Análise integrada de melhoria em um protótipo de drone multirotor solar: simulações CFD, caracterização de encapsulantes e testes de potência

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Menezes, Caio Ramos de
Orientador(a): Almeida, Ana Fabíola Leite
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82705
Resumo: In recent decades, to address the environmental crisis caused by human use of fossil energy, solar energy has been considered one of the possible alternative energy sources. Photovoltaic solar cells are being used in a variety of applications, from powering watches and calculators to charging batteries for boats. One of the areas of interest for researchers is alternative energies associated with drones, whether for mapping solar farms, monitoring wind farms, or designing prototypes using solar cells. The objective of this work is to apply innovations and improvements to a hybrid solar multirotor drone as a continuation of the research conducted by two graduates from the Graduate Program in Mechanical Engineering at the Federal University of Ceará (PPGEM-UFC). The study began with a bibliometric analysis related to drones powered by or utilizing solar energy. For this analysis, documents were selected from the Scopus and Web of Science databases, and duplicates were unified and removed from the data, resulting in 404 documents. From the analysis, it was observed that China is the country with the most publications, accounting for around 40%. The four institutions that produced the most on this topic are all based in China, representing about 46% of the listed publications. To achieve these objectives, an aerodynamic study was developed through fluid dynamics simulations of the three prototypes built by (VELANDIA, 2018), using Ansys Fluent software with the SST K-ω turbulence model. The results showed a large turbulence region at the rear and negative lift coefficients in all three prototypes, factors responsible for the poor aerodynamic performance of the models. Another proposed study involved evaluating the mass, electrical power, and mechanical resistance of acrylic encapsulants in solar cells through analyses using a digital scale, conventional multimeter, and a universal tensile testing machine. The results indicated that PETG sheets are a potential solution for improving mechanical resistance, with an increase in mass, although this increase is smaller compared to 2 mm acrylic sheets. To assess the potential power of the four motor/propeller assemblies and verify the maximum load capacity associated with the drone, a test bench was created using 3D printing, and the motor connection circuit was assembled. The maximum thrust capacity of the four motors was 1145.5g with a 2S battery and 2311g with a 3S battery. Therefore, a 3S battery is better suited for the project.
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spelling Menezes, Caio Ramos deFreire, Francisco Nivaldo AguiarAlmeida, Ana Fabíola Leite2025-09-25T13:39:20Z2025-09-25T13:39:20Z2025MENEZES, Caio Ramos de. Análise integrada de melhoria em um protótipo de drone multirotor solar: simulações CFD, caracterização de encapsulantes e testes de potência. 2025. 127 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82705In recent decades, to address the environmental crisis caused by human use of fossil energy, solar energy has been considered one of the possible alternative energy sources. Photovoltaic solar cells are being used in a variety of applications, from powering watches and calculators to charging batteries for boats. One of the areas of interest for researchers is alternative energies associated with drones, whether for mapping solar farms, monitoring wind farms, or designing prototypes using solar cells. The objective of this work is to apply innovations and improvements to a hybrid solar multirotor drone as a continuation of the research conducted by two graduates from the Graduate Program in Mechanical Engineering at the Federal University of Ceará (PPGEM-UFC). The study began with a bibliometric analysis related to drones powered by or utilizing solar energy. For this analysis, documents were selected from the Scopus and Web of Science databases, and duplicates were unified and removed from the data, resulting in 404 documents. From the analysis, it was observed that China is the country with the most publications, accounting for around 40%. The four institutions that produced the most on this topic are all based in China, representing about 46% of the listed publications. To achieve these objectives, an aerodynamic study was developed through fluid dynamics simulations of the three prototypes built by (VELANDIA, 2018), using Ansys Fluent software with the SST K-ω turbulence model. The results showed a large turbulence region at the rear and negative lift coefficients in all three prototypes, factors responsible for the poor aerodynamic performance of the models. Another proposed study involved evaluating the mass, electrical power, and mechanical resistance of acrylic encapsulants in solar cells through analyses using a digital scale, conventional multimeter, and a universal tensile testing machine. The results indicated that PETG sheets are a potential solution for improving mechanical resistance, with an increase in mass, although this increase is smaller compared to 2 mm acrylic sheets. To assess the potential power of the four motor/propeller assemblies and verify the maximum load capacity associated with the drone, a test bench was created using 3D printing, and the motor connection circuit was assembled. The maximum thrust capacity of the four motors was 1145.5g with a 2S battery and 2311g with a 3S battery. Therefore, a 3S battery is better suited for the project.Nas últimas décadas, para enfrentar a crise ambiental causada pelo uso humano de energia fóssil, a energia solar têm sido consideradas uma das possíveis energias alternativas. As células solares fotovoltaicas estão sendo utilizadas em uma variedade de aplicações, desde a alimentação de relógios e calculadoras até o carregamento de baterias para barcos. Um dos campos de interesse dos pesquisadores é as energias alternativas associadas a drones seja para mapeamento de fazendas de energia solar, monitoramento em parques éolicos ou dimensionamento de protótipos utilizando células solar. Esse trabalho possui como objetivo aplicar inovações e melhorias a um drone multirotor híbrido solar como continuação da pesquisa de dois egressos do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica - Universidade Federal do Ceará (PPGEM-UFC). O estudou iniciou com uma análise bibliométrica relacionada a drones com aplicação ou movidos a energia solar. Para a análise, os documentos foram selecionados na base Scopus e Web Of Science, realizou a unificação e remoção de duplicatas de arquivos pertecentes as duas bases de dados, resultando em 404 documentos. A partir da análise realizada, observou-se a China como o país com mais produções, cerca de 40%. As quatro instituições que mais produziram nessa temática pertencem a China, sendo cerca de 46% das publicações listadas. Para alcançar esses objetivos, elaborou-se um estudo aerodinâmico através de simulações fluidodinâmicas dos três protótipos construidos por (VELANDIA, 2018) utilizando o software Ansys Fluent com o modelo de turbulência SST K-ω. Os resultados exibiram uma grande região de turbulência na região traseira e coeficientes de sustentação negativos nos três protótipos, fatores responsáveis pelo baixo desempenho aerodinâmico dos modelos. Outro estudo proposto foi a avaliação de massa, potência elétrica e resistência mecânica de encapsulates de acrílico em células solares, através de análises com auxílio de balança digital, multímetro convencional e ensaio de máquina a tração universal. Como resultados as chapas de PETG se mostram como uma possível solução para melhoria da resistência mecânica, e com um aumento de massa, porém o aumento é menor em relação ao acrílico de 2 mm. Para avaliar as condições possíveis da potência dos 4 conjuntos de motor/hélice e averiguar a capacidade de carga máxima atrelada ao drone foi montada uma bancada de testes fabricada em impressão 3D e montado o circuito de ligação do motor, a capacidade máxima de empuxo do conjunto dos 4 motores para uma bateria 2S ficou de 1145,5g e para uma bateria 3S ficou de 2311g, portanto uma bateria 3S se adequa melhor ao projeto.Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.Análise integrada de melhoria em um protótipo de drone multirotor solar: simulações CFD, caracterização de encapsulantes e testes de potênciaIntegrated analysis for the improvement of a solar multirotor drone prototype: CFD simulations, encapsulant characterization, and power testinginfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisDroneEnergia solarProtótipo - AvaliaçãoAvaliaçãoDrone aircraftSolar energyPrototype evaluationCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAinfo:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC)instname:Universidade Federal do Ceará (UFC)instacron:UFChttps://orcid.org/0000-0002-8179-6164http://lattes.cnpq.br/8863935294712421https://orcid.org/0000-0002-8867-5453http://lattes.cnpq.br/9559388539403580https://orcid.org/0000-0001-5449-2635http://lattes.cnpq.br/15502462667343802025-05-27ORIGINAL2025_dis_crmenezes.pdf2025_dis_crmenezes.pdfapplication/pdf6118152http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/82705/5/2025_dis_crmenezes.pdf65b8f3b4f284ece0b2605ac861bc329cMD55LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748http://repositorio.ufc.br/bitstream/riufc/82705/1/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD51riufc/827052025-09-25 10:39:21.694oai:repositorio.ufc.br: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Repositório InstitucionalPUBhttp://www.repositorio.ufc.br/ri-oai/requestbu@ufc.br || repositorio@ufc.bropendoar:2025-09-25T13:39:21Repositório Institucional da Universidade Federal do Ceará (UFC) - Universidade Federal do Ceará (UFC)false
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