- 相關推薦
最新淺析太陽能無人機電源系統的發展現狀與展望的論文
太陽能無人機技術的發展成熟，依賴于以太陽能為輸入能源的電源系統的技術發展，最早該電源系統用于衛星、空間站、宇宙飛船的供電，隨著作戰需求的多樣化和太陽能光伏發電技術的成熟化，使得太陽能電源系統成功地應用于臨近空間無人機上，從而拓寬了新的設計領域。
太陽能飛機是利用機翼鋪設太陽電池陣，機身和機翼內部的安裝儲能電池組，并通過電纜網和電源控制器為飛機機載設備及推進系統提供能量，完成飛行任務。具有代表性并實現長時間留空飛行的太陽能無人機有美國的Helios，英國的Zephyr，瑞士的Sky-Sailor 等。
太陽能無人機為了達到足夠的照射面積，一般飛機尺寸較大，翼載小，飛機的結構質量相對較低，這就要求太陽能電源系統本身的質量不能過高，并有更高的質量比功率。由于在飛行過程中，能量的吸收率會在不同季節，不同時間有很大變化，在優化航跡和動力系統的基礎上，必須選擇效率更高的太陽電池和儲能電池，并對電源管理系統提出了更高的要求。太陽能飛機電源系統的可靠性，可維護性和操作性要高，要有相應的可擴展性和升級能力，適應重復使用和較長壽命周期的要求。在高空飛行的太陽能飛機，還要求其電源系統具有較好的低溫特性，在臨近空間低溫低傳熱的極限環境下仍能保持較好的充放電能力。在選擇太陽電池和制造過程中，也要考慮到價格因素，由于要實現產品化，對性價比提出了更高的要求。
1 太陽能無人機電源系統組成及特點
1.1 系統組成
太陽能無人機的電源系統一般由發電子系統、儲能子系統、電源控制子系統共同構成。電源系統在飛機上與飛控系統、航電系統、動力系統等相連，另外，電源系統還要與地面的控制站實現數據通訊。
1.2 太陽能無人機電源系統特點
太陽能無人機電源系統不同于衛星電源系統設計思想，既要保證系統的高可靠性，又要要求質輕效優，還要具備在大氣環境及臨近空間內的環境適應性，并且在設計與選材上考慮高性能價格比和性能質量比。
2 太陽能無人機電源體系發展現狀
2.1 發電子系統
太陽能功率密度會隨著高度增加而提高，從地面上的80 mW/cm2 上升到太空中的136.7 mW/cm2。采用太陽輻射能作為發電單元，可以實現長時間留空飛行;且太陽能是清潔能源，飛機不用安裝排氣裝置，不會對環境造成污染，也不會對機載大氣測量傳感器帶來干擾。
鋪設在機翼和尾翼表面的太陽電池，以硅基太陽電池和化合物太陽電池為主。目前成熟的可用于太陽能飛機的太陽電池主要有單晶硅太陽電池，非晶硅太陽電池，GaAs 系列太陽電池，CIS(CIGS)系列太陽電池等，其中非晶硅和CIS(CIGS)系列太陽電池為薄膜太陽電池。
2.1.1 硅太陽電池
硅太陽電池可以分為三種，單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池。其中單晶硅太陽電池的轉換效率最高，大量用于航天飛行器的發電系統，單晶硅太陽電池單體轉換效率可以達到20%，目前國內應用型單體厚度達到150 mm，組件級轉換效率達17.5%(AM1.5，25 ℃)，多塊單體的陣列串聯可實現在柔性機翼上大規模鋪設。單晶硅的制備和原材料價格較高，使得電池成本居高不下，制約了單晶硅電池在太陽能飛機上的廣泛應用。多晶硅太陽電池成本較低，但是轉換效率較低，現階段技術還不能滿足太陽能無人機的能量需要。美國Pathfinder 無人機上使用了單晶硅太陽電池，其組件平均轉換效率達到15.29%。
非晶硅a-Si 薄膜太陽電池作為單晶硅的替代品，目前成為一種最具潛力的研究對象，利用柔性輕質襯底制備的電池模塊，使得非晶硅電池的轉換效率提高到10%以上。美國USO(United Solar Ovonic) 公司聲稱其非晶硅產品采用一系列新技術已經將電池效率提升至12%(AM0)，采用聚合物襯底的研究和開發使得電池單體質量比功率超過1000WK。非晶硅薄膜電池被“西風”無人機選作為主電源，完成了多次長時間飛行測試。
2.1.2 GaAs 系列太陽電池
砷化鎵(GaAs)太陽電池比硅太陽電池具有更高的轉換效率，但價格昂貴。受大范圍溫度循環影響小而且抗輻射性能好。它可制成薄膜和超薄型太陽電池，其有源層只需3~5 μm，就可達到較高的吸收系數。目前，由于金屬有機化學汽相外延技術的日益完善，普通GaAs 電池逐步被特性更好的異質襯底和多結級聯太陽電池所取代。
1993 年，ASEC 公司的GaAs/Ge 電池在美國制成。這些砷化鎵單體通過金屬有機物氣相外延生長的方法生長在一個活性不強的鍺元素基上。這些電池單體都是6 cm×6 cm 大小，厚度為8.89×10-2 或11.43×10-2mm，極其容易破碎。在高空環境下，電池單體的效率在14%到19%之間。GaAs/Ge 電池最高單體效率可達20.43%，Iles 等人對其進行的研究結果顯示GaAs/Ge 電池比一般的GaAs 電池具有更好的抗反向擊穿能力。近年來，圍繞多結GaAs 電池的研究取得了一定成果，四結GaAs 電池的理論效率高達43%。其中GaInP2/GaAs/Ge 三結電池已成功應用于國內衛星、飛船等空間產品上，轉換效率不低于28%，厚度僅175 μm。
2.1.3 CIS 系列太陽電池
從20 世紀80 年代以來，銅銦硒(CIS)和銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池以其廉價、高效、接近于單晶硅太陽電池的穩定性和較強的空間抗輻射性能等優點而成為最具潛力的第三代太陽電池材料。目前，圍繞CIGS 電池的研究方法非常多，國外采用多源蒸發法制備的電池已經將電池效率提高到19.5%，國內研究人員也制成了效率超過14%的成品。利用柔性襯底的薄膜技術，CIS(CIGS)電池的質量比功率和抗輻射能力也有巨大提高。但是目前該系列電池受制備工藝復雜性的限制，如何制造大面積薄膜電池陣，實現商業化還有許多課題需要研究。目前，國外CIS 和CIGS 電池的應用主要是航天器太陽電池陣。
2.2 儲能子系統
太陽能飛機能源存儲系統在整機質量中占有較大的比例，這是因為各種儲能電池的比能量還比較低，歷史上，太陽能飛機上應用的儲能電池先后采用了銀鋅電池、鎘鎳電池、氫鎳電池、鋰離子電池、鋰硫電池、燃料電池等。目前較為先進的輕小型太陽能飛機仍采用傳統的鋰電池，氫鎳電池等傳統電池，具有較高的輕便性和可靠性。大型高空太陽能飛機多用大規模鋰離子電池、鋰硫電池、燃料電池等高比能量電池，使得飛機能夠飛得更高，加載更多的有效載荷。
2.2.1 鋰離子電池
鋰離子電池是目前普遍應用于先進太陽能飛機上的儲能裝置，Solong 太陽能飛機上搭載了5.6 kg 鋰電池，Solar Impulse太陽能飛機在其晝夜飛行實驗中，采用了400 kg 的鋰電池。鋰離子電池優點是工作電壓高達3.6 V，充放電壽命長，比能量高(可達150 Wh/kg)，無記憶效應，維護方便，無污染。缺點是如果出現過充電，Li+ 將以單質狀態出現，電池也可能會產生安全問題。因此，國內外研制開發了多種鋰聚合物電池，提高其安全性。鋰聚合物電池中的固態高聚物同時充當電解質與隔膜，從而提高了電池比能量。目前國內鋰離子電池采用新型高能多元復合材料，單體比能量可以達到235 Wh/kg，組合后電池組比能量達到200 Wh/kg 以上。
與鋰離子電池相比，鋰聚合物電池結構可燃性低、體積小、質量輕、比能量高、自放電小、可制成任意形狀。NASA 正在開發的一種適合空間用及民用的改進型鋰聚合物電池研究目標為質量比能量200~250 Wh/kg，體積比能量為350~400 Wh/L，25%DOD 循環壽命周期為35 000 周，100%DOD 循環壽命周期為2 000 周。目前，鋰聚合物電池未能應用于太陽能無人機，關鍵是其低溫特性不良的問題，在高空低溫低壓環境下，對于儲能電池特性是一個巨大挑戰。
2.2.2 鋰硫電池
“西風”搭載的儲能電池為鋰- 硫電池，為其夜間飛行提供動力，比能量是鋰聚合物電池的2 倍。該電池不僅比能量高，并且能以大電流狀態下連續放電，以保證為太陽能無人機推進系統大功率供電。單質硫的理論比容量為1 675 mAh/g，與鋰組裝成電池，理論比能量可達2 600 Wh/kg，具有相當可觀的研究前景。美國Sion Power 公司制造的鋰硫電池產品比能量在350~380 Wh/kg 左右，質量14~16 g，容量為2.4~2.8 Ah。但是目前該項技術還不成熟，鋰硫電池還存在安全性問題，目前國內研制的鋰硫電池在大電流放電狀態下不穩定。另外，循環性能不高的問題還需要進一步研究解決。
2.2.3 燃料電池
與蓄電池基礎儲能系統相比，再生燃料電池系統(RFCS)因為比能量和電效率不具備足夠的吸引力，使得其沒有得到足夠的重視。后來采用輕質壓力容器設計改進減輕了質量，改善了性能，使RFCS 能源儲存系統的比能量的提高成為可能。該項技術應用于NASA 的“太陽神”無人機，其比能量達到790 Wh/kg，發電效率可達到53.4%。
目前，RFCS 技術的主要研究重點在于電解池電解水的效率問題，因為與技術較成熟的H2-O2燃料電池的放電過程相比，電解效率不高一直制約著燃料電池系統的整體能量轉換效率，而且充放電兩個過程中均產生大量熱，也使得能量不能夠充分利用，因此，在應用RFCS 于太陽能無人機儲能系統時，仍要持謹慎態度，其可靠性仍需進一步提高。
2.2.4 鋰空氣電池
鋰空氣電池是利用了金屬鋰在空氣中的劇烈反應放出大量能量為原理，制成能夠反復充放電的超高比能量電池，理論比能量可達11 140 Wh/kg，且價格低廉，環境友好，是未來儲能電池的研究熱點。目前鋰空氣電池尚處于實驗室研究階段，循環壽命與可靠性問題還需深入研究與解決。
2.3 控制子系統
電源控制器是管理電源系統的關鍵，如今采用分布式管理的MPPT 控制器成為應用的首選。這種控制器具有太陽電池陣工作點自適應匹配功能的MPPT 控制器，具有輕質高效體積小發熱量小的特點，能夠通過輸入輸出的雙向追蹤來匹配太陽陣輸出功率和負載得到的功率，達到能量的最佳利用率。對于太陽能長航時飛行任務，對于電源控制器提出了新要求，它需要與飛控系統，大氣檢測系統等協同工作，優化能源利用率，適應飛行包線內的環境要求。
2.4 太陽電池陣- 蓄電池組電源系統的應用
太陽電池陣- 蓄電池組電源系統雖然具有功率范圍寬，工作壽命長，自主性強的特點，但是比功率仍比較低，制約了該電源系統在太陽能飛機上的應用，目前國內太陽電池陣- 蓄電池組電源系統主要應用于航天器，比功率僅為13 W/kg 左右。電源系統的質量約占航天器總質量的30%以上，目前針對太陽能無人機，必須采用高效薄型電池片，使用高比能量的新型鋰離子電池，在電源控制裝置中，采用高頻高效開關電源技術，可顯著減少電源系統的質量。對于高效的氫氧燃料電池，雖然其本身比能量較高，但是電池的整體質量較大，對于輕質太陽能飛機還存在很多現實困難，需要更大的機翼面積才可搭載整個燃料電池系統。
3 未來研究熱點與前景展望
未來太陽能無人機設計的目標是高空長航時留空巡航，因此對無人機電源系統的設計要求提出了更高的要求：
(1)由于單晶硅電池技術最為成熟，因此現階段太陽能無人機仍將主要采用硅電池作為主要的發電材料。如何降低硅太陽電池陣的成本，提高轉換效率和質量比功率，使其更適合于平流層內的大氣環境;
(2)發展多種新型太陽電池。非晶硅和CIGS 等薄膜太陽電池因其柔性好，成本低，效率高，未來將向大規模太陽電池陣產品化和輕型化方向發展，輕質襯底和一體化集成技術都將成為挑戰，為減輕質量，需要在壓低成本的基礎上整體轉換效率超過20%;
(3) 開展太陽電池組件的力學特性、環境特性的研究。目前國內科研機構圍繞太陽電池陣組件的研究多偏重光學、電學特性，對于復雜力學環境、高空熱環境、大氣環境的研究還需進一步深入;
(4) 提高儲能電池的比能量和安全性，儲能電池比能量超過200 Wh/kg。鋰電池發展已基本成熟，在此基礎上，開發安全性更高，性能更好的儲能蓄電池，如鋰- 聚合物電池、鋰- 硫磺電池等。減小整個儲能系統在整機中的質量密度;
(5) 進一步開展可再生燃料電池作為儲能設備的技術研究，目前國內對再生燃料電池系統尚處于研發階段，未來將朝著輕便、高效、安全的方向發展，必將帶動太陽能無人機整體性能的提升;
(6)開發功能強、效率高、可靠性好的電源控制與管理系統。對于逐漸發展起來的大型太陽能無人機，隨著其飛行領域的擴展和設備的增多，電源系統將更為復雜，自動化程度和可靠性要求都要更高，必然朝著智能化的方向發展。
【最新淺析太陽能無人機電源系統的發展現狀與展望的論文】相關文章：
淺析我國手機出版發展現狀06-01
我國農業機械自動化發展現狀與展望論文（精選10篇）04-30
土木工程發展現狀及趨勢論文04-13
中國技術貿易的發展現狀論文（通用11篇）05-16
淺析當前我國蒙臺梭利教育的現狀及對策論文04-12
淺析電子證據論文04-28
淺析廣電專用饋電轉換電源裝置的設計和使用06-01
農產品物流發展現狀與對策論文（精選7篇）04-26
分析中國商務英語的現狀及發展趨勢論文04-25