バッテリーの話と航続距離
かずお、ついにドローンを購入！
ついに買っちゃったよ～ ボーナスで
DJI Inspire 2！！！感動モノだ。。。
マジ！？うらやましすぎる～～！これでツーリング中に空撮したり、すげえアングルの動画とか作れるんじゃね？？
そう思って早速試してきたんだ！
時速90キロも出るし5K画質のカメラは期待以上のクオリティでいい買い物したよ。。。
ん、、、どしたん？浮かない顔して
あ、もしかして不良品だったとか！？それとも嫁氏に内緒で買ったんじゃ？そりゃやばいっしょ
いや、ちゃんと相談して買ったよ。性能も十二分に満足してるんだ。ただ自動操縦を使い込んでいくと、バッテリーの持ちが気になっちゃって。。。20~30分って長いようで一瞬だったりするんだよね
このような悩みを持っている方もいるのではないでしょうか？高性能化した家庭用ドローンですが、電池の持ちはどうしても不足気味なところはありますよね。ホビーで少し楽しむ程度ならまだしも、ある程度のガチ勢になると車から充電し続けたり、何十個もバッテリーを積むようなことも珍しくなかったり。。。(私の周りではむしろ長くて使い切れないという人も多いです、人それぞれかもしれませんね)
我社でも工場間の迅速な資材の輸送にドローンを検討したことがあって、積載能力はなんとかなったんだが、航続距離がどうしても足りなくてのう。。。
長距離や長時間の飛行の場合、なんとかならないかなぁ～なんて思う人も少なくはないと思います。
“いや、でも固定翼機があるじゃないか。”
そんな声も聞こえてきそうですが、実際のところ滑走路を用意できる人なんてかなり少数はなのではないでしょうか！
Inspire 2のバッテリー搭載量は0.2kWhもあります。大容量バッテリーを持つスマホが0.01kWhぐらいであることを考えると、かなりの大容量のはずです。この大容量を持ってしても30分が限界なのはなぜなのでしょう？ドローンのバッテリー問題はどうにかならないのでしょうか？
う～ん、性能は今のでも十分だから、もう少しだけバッテリーが持ってくれたらなぁ
今日は近い未来に、ホビー用ドローンに大きな革命を起こすかもしれない?新商品、そして最新のドローンの実力について紹介して行きたいと思います。
ドローンが大量のバッテリーを消費する理由
そもそも、なぜドローンは大量にバッテリーを消費するのでしょうか。同じ電気で動く電気自動車は、ガソリン車に劣るとは言え、数百kmの航続距離があります。バッテリーが足りないから？バッテリーが重いから？ドローンは機体が小型で搭載スペースが少ないから？果たしてそうなのでしょうか？それだけが理由ではなさそうです。実は空を飛ぶ乗り物と、地上を走る乗り物では、ある点で大きく異なることがあります。
要因1.:空を飛ぶのにはたくさんエネルギーが必要
①電車や車の場合、走る時に受ける抵抗は空気抵抗と路面抵抗、そして摩擦等の損失によってエンジンで発生したエネルギーが失われて行きます。高速道路の場合大部分は空気抵抗になり、車体のサイズが同程度であれば、それほど抵抗は変わりません。
しかし②飛行機やヘリコプター、そしてドローンなど、空を飛ぶ乗り物は、前に進む力に加えて、飛ぶだけで重力に逆らっているので、大きなパワーを必要とします。同じ重さの乗り物でもたくさんのエネルギーを消費しないと空を飛ぶことは難しいのです。
更にこれに加えて、決定的な違いが一つあります。
例えば車にたくさん荷物を積むと、路面抵抗が増えたり、加速する時に大きなパワーを使いますが、一定速度で走る限りは、最も大きな抵抗である空気抵抗は車体が同じであれば増えることはありません。高速道路を走ると普通車と軽自動車の燃費が逆転するのは皆さんもよくご存知かと思います。以下の例を考えてみます。
- 1.燃費30km/Lで車重1.5tのハイブリッド乗用車
- 2.燃費3km/Lで車重27tの大型トラック
どう考えても乗用車のほうが10倍燃費がいいですよね？しかし待ってください。大型トラックは27tも重量があり、これは乗用車の18倍にもなります。仮に両者の重量が同じであった場合、トラックは54km/Lも走る計算になります。
27t / 1.5t x 3km/L = 54 km/L
つまり重量あたりでは燃費に優れるということになります。地上を走る限り、自重は地面が支えてくれるので、大型化しても大幅に燃費が悪化することがありません。むしろ改善することが多いのです。(トラックのエンジンのほうが燃費が良かったり細かい違いはたくさんありますが、大雑把に言って大型のほうが輸送効率には優れます)
これが飛行機の場合はどうでしょうか？
- 離陸重量60t、空虚重量30tの旅客機、燃料は30t
- 離陸重量300t、空虚重量150tの旅客機、燃料は150t
- 離陸重量300t、空虚重量100tの旅客機、燃料は200t
もうお分かりですね。2.は重量が2倍になった分、自重を支えるのに必要な力も2倍、翼の面積も2倍。空力効率が同等であれば、2倍のエネルギーを消費します。これでは3.のように、燃料は2倍以上搭載しない限り、航続距離は変わりませんよね。空を飛ぶのがいかに大変かは、鳥人間コンテストなどを見てみるとイメージしやすいと思います。とにかく、大きなパワーが必要です。(これも細かく見ると、エンジン自体の効率や空気の特性の影響で大型のほうが燃費には優れることもありますが、地上と比べるとその影響は小さいです。)
中でも燃費効率の順番は 旅客機等の一般的な固定翼機＞ヘリコプター＞クアッドコプターとなるので、ドローンのような形状は乗り物のなかでも、かなり燃費面では不利な形状となってしまいます。
*クアッドコプター：ローターが4セットついているタイプのドローン。”Quad”とは”4つ”という意味です。クアッドコアと同じですね。
翼とプロペラの効率の違い、プロペラ直径による効率の違いについてはまた気が向いたら別の機会に紹介したいと思います。お楽しみに！ (風車とかのお話の予定です)
2021/6/12 補足：風車のお話
要因2.:石油とバッテリーのエネルギー密度
これはご存知の方も多いかなと思います。同じエネルギーを蓄えるために必要な重量が燃料とバッテリーとでは、バッテリーが格段に大きいです。エネルギー密度 (1kgあたりに貯蔵できるエネルギー)で見てみましょう。
- ガソリンのエネルギー密度：44MJ/kg
- 最新鋭の超高性能バッテリーのエネルギー密度：0.3kWh/kg = 1.1MJ/kg
単純計算で、25kgのガソリンと同等のエネルギーを貯蔵するには1000kgもの重量のバッテリーが必要になってしまいます。実際には、ガソリンエンジンはエネルギーの1/3程度しか使えず、残りは熱として失われてしまいます。なので、効率の良いバッテリーの場合1/3ほどの容量、大体350kg程度で済みます。
信じられないと思う方は調べてみてください。リーフのバッテリーパックは250kg、テスラにもなると540kgもの重量になり、ミニバンの満載積載量に匹敵します。乗員4名が乗ると280kg、バッテリーのほうが荷物よりも重くなってしまいますね。。。
これでも車はまだマシで、飛行機の場合もっと大量に必要になります。
先程の例で紹介したように、電気自動車の場合はたとえ数百kgの巨大なバッテリーを搭載してもエネルギー消費は少ししか増えません。なので多少重くとも、力技で大量のバッテリーを搭載すれば良いだけの話です。将来的にはバッテリーの高性能化が進みガソリン並の密度が実現するかもしれません。そうなれば航続距離や重量は遜色ないものになり、電気自家用車が一気に普及していくと思われます。
しかしドローンの場合は、バッテリーを搭載した分だけ飛行するのに多くのエネルギーが必要になり、結果的にたくさん搭載してもさほど航続距離や滞空時間は伸びない、という結果になってしまうのです。
これがバッテリーの代わりにガソリンや灯油の場合、そもそもの搭載量が少ないため、多少増えたところで影響がない、ということになります。もし車に100L給油できるとしたら？航続距離は50Lの２倍になりますよね。でも走りに大きな影響は出ないかと思います、高速道路を走るのであれば燃費もほとんど変わらないでしょう。
さて、ここまで大きな2つの理由を見てきました。だいぶ理解が深まってきたのではないでしょうか？？
しかし、実はこれらの理由は微々たるものです。
一般的に言われる、バッテリーとガソリンのエネルギー密度の違い。これは実は序の口で、実際には遥かに大きな問題が立ちはだかります。
要因3.:本当の理由
実はバッテリーで飛ぶ乗り物が必ずぶち当たる壁があります。そしてこの要因は圧倒的に影響が大きいもので、世界各社の大手航空機メーカーが毎年何兆円もの研究開発費を投じても未だ明確な解は見つかっていません。
燃料は消費するにつれて機体は軽くなるが、バッテリーは残容量が減っても、重量は変わらないまま
旅客機のように飛行距離が長い場合、バッテリーよりも燃料電池や水素エンジンが盛んに研究されている背景はこのためです。
いや、多少はそういう影響もあるだろうけど、さすがに盛りすぎっしょ
そんな声が聞こえてきそうです、、、しかし実際のところ、どれぐらいの影響があるのでしょうか？
再び自動車を例に見てみましょう。
- 運転手が乗った状態で50kg分のガソリンを入れて、総重量1500kgの車があるとします。
- ガソリンが無くなるまで走り続けるとしましょう。
- 抵抗は空気抵抗が半分、路面抵抗が半分と仮定し、路面抵抗は重量に比例するとします。
走り終わった時の重量は何kgでしょうか？簡単ですね、
1500-50=1450kg
です。簡便化のために、元の抵抗を”1kN”と仮定すると、この時の抵抗は：
(1450kg x 0.5+1500kg x 0.5)/1500kg x 1kN = 0.983 kN
元々の98.3%になりました。つまり走り終わる直前に必要なパワーは最初の98%です。同じ距離を走るのに必要なエネルギーも98%で済みます。
たったの2%じゃないか、、ほら言った通りだ、やっぱり誤差だよ！
まあ、そう言わずに最後まで聞いてよ。。。
この例からわかることは、車の場合大量の燃料やバッテリーを搭載しても、高速道路のように直線を一定速度で走るだけならば、劇的に燃費が悪化することはない、ということです。ただし加速や上り坂などではもちろん悪化します。
次に飛行機を見てみましょう。
- 離陸重量は250t、そのうち150tは燃料(灯油)です。
- 灯油が無くなるまで飛び続け、無くなったら着陸するとしましょう。(ちょっとエキストリームですが、、、)
- 抵抗は空気抵抗が100%です。また、抵抗は揚力、つまり重量に比例します。
着陸の瞬間の重量は250-150 = 100t、つまり 100,000kgになります。この時の抵抗は
100t/250t=0.41
離陸した時と比べてたったの41%、半分以下になりました。重量が減少したため、必要な揚力も減少して、結果的に空気抵抗が減りました。
次に合計消費エネルギーを見てみましょうエネルギーはパワーx時間、そして必要なパワーはほぼ抵抗=重量に比例します。仮に離陸時のパワーを1、着陸直前を0.41としましょう。この場合の必要パワーと累積エネルギー消費は下記のようなグラフになります：
このグラフからわかることは、燃料を消費すればするほど機体重量が軽くなって行き、必要なパワーと消費エネルギーが減少していく。ということです。仮に機体自体が極めて軽く、荷物もほとんど載せないで、最後まで燃料だけを消費し続ける場合、10倍、100倍という距離を飛行することも可能になります。下のグラフの緑の線を見てお気づきの方もいるかもしれません。現実には有り得ませんが、仮に重量がゼロになれば必要パワーもゼロ、無限大の距離が飛べることになります。
*冒頭に出てきた大型固定翼ドローンなどはその典型例で、機体のほとんどが燃料タンクのため航続距離は2万キロ以上もあります。
まとめ
ここまで挙げてきた理由を見ていくと、なぜドローンの滞空時間、すなわち燃費を改善するのは至難の業であるかお分かり頂けたと思います。もう一度整理してみましょう。主に三点になります。
解決策
残念ながらこれまで説明してきた通り、現状バッテリーで長大な航続距離や滞空時間を確保することは容易ではありません。解決策としてはいくつかが挙げられます。
いやいや、またまた、キテレツな理想論ばかり言っちゃって！と思われるかもしれません。しかし既にこれらの大部分は既に発売されているか、実用化間近だったりします。次の項ではそんな奇想天外の面白機械達を見ていきたいと思います。
面白いコンセプトのご紹介
レンジエクステンダー
“バッテリーがすぐに無くなるなら、発電機を積めばいいんじゃね？”という実にシンプルな発想から生まれた、ドローン搭載型発電機です。O.S. Engine社のこれまでのラジコンエンジンで培ったノウハウが詰まっていて、10時間以上の飛行時間を可能にするデバイスです。圧倒的な性能差ですよね。
写真のGT33REUなら重量もたったの2キロ。超小型のホビー用ドローンでは厳しいかもしれませんが、中上級者向けの上位モデルであれば個人用でも十分搭載可能なサイズで、ドローン利用の範囲が大きく広がります。またお値段もラジコンの延長線上の装置なので、個人購入もできる価格帯です。このようにエンジンでバッテリーを充電しながら飛ぶハイブリッドドローンは今後ますます人気になっていくと思われます。
これだよ、これ！ぜひウチにも導入しよう！
既存のドローンにも取り付けできるんだね。これはすごい！一日中飛っぱなしで撮影もできちゃうな～
ハイブリッドドローン
IHIエアロスペースによる全備重量150kg、滞空時間2時間超を誇る中型ドローンi-Gryphonです。先程の発電機を更に一段本格的にした感じですよね。特筆すべき点は：
- 浮上用と姿勢制御用でローターが別れている。
- 浮上用ローターと発電機を駆動するためにロータリーエンジンを搭載している。
ロータリーエンジンは、そうです、”あの”ロータリーエンジンです。なんというか、もう”変態”ですよね。でも小型低出力や、ドローンにとっての大敵である振動が少ない、という利点は実はこの用途にピッタリです。残念ながら自治体や企業向けの製品で高級車に匹敵するような価格ですが、究極を目指したいお金持ちや、運送業者には最高の選択肢なのではないでしょうか？
もはやもう消えゆくしかないと思っていたロータリーがこんなところで活躍できるなんて、、、感無量だぜ。。。
チルトローター
垂直に離陸して水平に飛行する、オスプレイのようなタイプのドローンです。クアッドコプターの本質的な弱点を翼をつけることで解決するアプローチです。KARIを中心に米国や中国、韓国、欧州 で盛んに開発が進んでいます。更にAero-Tech社は燃料電池を搭載し、長大な航続距離の実現を目指しています。どちらかというと産業用の大型ドローンが中心になりますが、これもドローンの近未来の姿なのかもしれませんね。
ソーラープレーン
給電しながら飛ぶ、ソーラーカーがあるならソーラープレーンは？誰しもが妄想したことはあると思います。比較的昔からあるコンセプトです。雲の上を飛び、常に充電し続けながら数ヶ月の飛行ができるため、バッテリーや燃料とは比較にならない超長時間の滞空が可能です。数少ない弱点は非力のため、大きな荷物を搭載するには巨大な機体が必要、またスピードが出せない、という点に限られます。また大きさは通常の飛行機とあまり変わらなかったりするので、滑走路がないと運用できないのは難点です。
衛星の代わりに通信基地局の役割を担うような用途で活躍が期待されています。一時googleやAmazonも参入していましたが、残念ながら今は少し下火になっています。しかし他の例とは違い、燃料を使用しないため、将来的にはこういった方式もどんどん普及していくと良いですよね。
番外編：バッテリーを捨てよう
このコンセプトはまだ市場には存在しません。またコスト面からも、少し難しいようにも思われます。しかし、ドローン以外に目を向けると、バッテリーを捨てながら稼働する変わった機械も存在します。また機会があれば是非紹介して行きたいと思います。(予告)
最後に
本日の記事はどうでしたか？当たり前だと感じた方も、初めて知った！という方も、楽しんで頂けたなら良かったです。自動車の電動化が進む中、ドローンはもしかしたらエンジン化が今後進むかもしれません。まさに時代逆行？いえ、いつの時代でも最良の技術の組み合わせこそが、最良の機械なのですから。今後様々な新しいコンセプトが登場することにワクワクしますね！
後半はちょっと個人で手を出すには本格的すぎたかもしれません。。。でも誰でも簡単に手に入る発電機型なら、ガジェットギークの皆さんなら余裕ですよね！いつもありがとうO.S.さん！私達はずっとこういうのを待っていたんです！！
正体を表したか、、、管理人てただのエンジンオタクだろ。。。
(くっ、バレたか。。。)私のブログで何を主張しようと自由です！ジークO.S.!ジークO.S.!ジークO.S.!
6/25 更新：ついに出ました
記事を書いてからわずか数週間後ですが、Japan Drone 2021にて発表された、AGL社による、持久時間140分のロングレンジドローンが出ました！官公庁向けから納入する高額機種ですが、期待値が高まります！燃料タンクの存在は従来のラジコンユーザーからしたら当たり前かもしれませんが、ドローンではかなり物珍しいですよね。2~3年以内には出ると思っていたのですが、あまりにも早くて驚きました。。。
ヤマハからは水平対向エンジンを発電機とするレンジエクステンダーが発表。めちゃくちゃアツイですね。
アツすぎるので次回は行こうかな。。。て思いました。
最高ですね。
参考記事・クレジット
今回はO.S.Engine社、IHI Aerospace社、DJI社、Northrop Grumman社、Aero-Tech社、NASAの製品を紹介させて頂きました。画像キャプションにリンク先を貼ってあるので、興味のある方は是非見てみてくださいね。
今回の補足の参考記事です。
[…] 【ガジェット・ドローン】滞空時間10時間?？ロータリーエンジン搭載？？驚異の航続力を誇る最新ドローンの実力これまでドローンの弱点だった航続距離や滞空時間。新旧技術の組み合 […]
最近このブログを知りました。機械・乗り物オタクです。ホリエモンチャンネルでH3ロケット打ち上げ中止理由の解説を聞きまして、H2A用とH3用のエンジンの違いを説明されてましたが、そこで詳しく知りたくなり検索してたところこのブログを見つけました。今過去の色々な記事を読み漁りだしたところです。
前置き長くなりましたが、今後取り上げてほしいテーマがあります。
このページでも27tのトラックのほうが1.5tの乗用車より効率が良いことに少し触れていますが、この理由について取り上げた記事はありますか？あった気がしますが見つけられなくなりました。
例えば車重200kg排気量400ccのオートバイは車重2000kg排気量4000ccの乗用車の10倍燃費が良くなるわけではなく、それは、このページにもある乗用車と大型車の関係もそうですし、航空機や船舶も大型化すれば航続距離が伸びますし、発電所なども大規模になるほど効率が上がるようですが、その理由について理論的な解説が見つからないですのでぜひ取り上げてほしいです。
ご検討よろしくおねがいします。
購読ありがとうございますーー！
大型化するほうが必ず効率が良くなる、と言った確固たる理由はありませんが、一般的には実績として効率は改善する方法です。主な理由としては：
・二乗三乗の法則により、大型機関ほど熱損失が少ない。つまりこれは、機関の大きさが2倍になった時に、表面積は4倍、体積は8倍になります。発生できる仕事量は8倍になるのに、冷却しなくてはいけない面積は4倍しかないため、その分だけ冷却損失が小さくなります。摩擦損失についても同じくです。これは内燃機関だけでなく、動物においても同じことが言え、大型の動物ほど体重当たりの重量で言えばより少ない食料でも生存することができます。
・大型の機関ほど搭載スペースに余裕があり、効率改善のための様々な補器を設置しやすい。例えばコバインドサイクルなどに代表される廃熱回収装置。発電所にはほぼ必ず装備されますが、乗用車にこのような装置を取り付けると巨大となり、スペース、重量的に成立しなくなります。大型機関であるから搭載可能なアイテムになります。
細かいことを言えば理論燃焼効率が最大となる容積や、タービン周速/形状の制約等大型化して有利になる項目は他にもありますが、ざっと挙げると上記のような理由になります。