[無人機(jī),電源系統(tǒng),發(fā)展現(xiàn)狀]淺析太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1、淺析太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望太陽能無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展成熟，依賴于以太陽能為輸入能源的電源系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，最 早該電源系統(tǒng)用于衛(wèi)星、空間站、宇宙飛船的供電，隨著作戰(zhàn)需求的多樣化和太陽能光伏發(fā) 電技術(shù)的成熟化，使得太陽能電源系統(tǒng)成功地應(yīng)用于臨近空間無人機(jī)上，從而拓寬了新的設(shè) 計領(lǐng)域。太陽能飛機(jī)是利用機(jī)翼鋪設(shè)太陽電池陣，機(jī)身和機(jī)翼內(nèi)部的安裝儲能電池組，并通過電 纜網(wǎng)和電源控制器為飛機(jī)機(jī)載設(shè)備及推進(jìn)系統(tǒng)提供能量，完成飛行任務(wù)。具有代表性并實現(xiàn) 長時間留空飛行的太陽能無人機(jī)有美國的Helios,英國的Zephyr,瑞士的Sky-Sai lor等。太陽能無人機(jī)為了達(dá)到足夠的照射面積，一般飛機(jī)尺寸

2、較大，翼載小，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量 相對較低，這就要求太陽能電源系統(tǒng)本身的質(zhì)量不能過高，并有更高的質(zhì)量比功率。由于在 飛行過程中，能量的吸收率會在不同季節(jié)，不同時間有很大變化，在優(yōu)化航跡和動力系統(tǒng)的 基礎(chǔ)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(tǒng)提出了更高的要求。 太陽能飛機(jī)電源系統(tǒng)的可靠性，可維護(hù)性和操作性要高，要有相應(yīng)的可擴(kuò)展性和升級能力， 適應(yīng)重復(fù)使用和較長壽命周期的要求。在高空飛行的太陽能飛機(jī)，還要求其電源系統(tǒng)具有較 好的低溫特性，在臨近空間低溫低傳熱的極限環(huán)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(xiàn)產(chǎn)品化，對性價比提出了更高的

3、要 求。1太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)組成及特點1. 1系統(tǒng)組成太陽能無人機(jī)的電源系統(tǒng)一般由發(fā)電子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)、電源控制子系統(tǒng)共同構(gòu)成。 電源系統(tǒng)在飛機(jī)上與飛控系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等相連，另外，電源系統(tǒng)還要與地面的 控制站實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。1.2太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)特點太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)不同于衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計思想，既要保證系統(tǒng)的高可靠性，又要 要求質(zhì)輕效優(yōu)，還要具備在大氣環(huán)境及臨近空間內(nèi)的環(huán)境適應(yīng)性，并且在設(shè)計與選材上考慮 高性能價格比和性能質(zhì)量比。2太陽能無人機(jī)電源體系發(fā)展現(xiàn)狀2.1 發(fā)電子系統(tǒng)太陽能功率密度會隨著高度增加而提高，從地而上的80 mW/cm2上升到太空中的136. 7 mW/c

4、m2.采用太陽輻射能作為發(fā)電單元，可以實現(xiàn)長時間留空飛行;且太陽能是清潔能源，飛 機(jī)不用安裝排氣裝置，不會對環(huán)境造成污染，也不會對機(jī)載大氣測量傳感器帶來干擾。鋪設(shè)在機(jī)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(jī)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(zhuǎn)換效率最高，大量用于航天飛行器的發(fā)電系統(tǒng)，單晶硅太陽電池單體

5、轉(zhuǎn) 換效率可以達(dá)到20%,目前國內(nèi)應(yīng)用型單體厚度達(dá)到150 mm,組件級轉(zhuǎn)換效率達(dá)17. 5%(AM1. 5, 25 C),多塊單體的陣列串聯(lián)可實現(xiàn)在柔性機(jī)翼上大規(guī)模鋪設(shè)。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(jī)上的廣泛應(yīng)用。多晶硅太陽 電池成本較低，但是轉(zhuǎn)換效率較低，現(xiàn)階段技術(shù)還不能滿足太陽能無人機(jī)的能量需要。美國 Pathfinder無人機(jī)上使用了單晶硅太陽電池，其組件平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(zhì)襯底制備的電池模塊，使得非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高到10%以上

6、。美國 US0(United Solar Ovonic)公司聲稱其非晶硅產(chǎn)品采用一系列新技術(shù)已經(jīng)將電池效率提升 至12%(AM0),采用聚合物襯底的研究和開發(fā)使得電池單體質(zhì)量比功率超過lOOOWKo非晶硅薄 膜電池被西風(fēng)無人機(jī)選作為主電源，完成了多次長時間飛行測試。2. 1.2 GaAs系列太陽電池神化錢(GaAs)太陽電池比硅太陽電池具有更高的轉(zhuǎn)換效率，但價格昂貴。受大范圍溫度 循環(huán)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35 m,就 可達(dá)到較高的吸收系數(shù)。目前，由于金屬有機(jī)化學(xué)汽相外延技術(shù)的日益完善，普通GaAs電 池逐步被特性更好的異質(zhì)襯底和多結(jié)級聯(lián)太陽電池所取

7、代。1993年，ASEC公司的GaAs/Ge電池在美國制成。這些硅化錢單體通過金屬有機(jī)物氣相 外延生長的方法生長在一個活性不強(qiáng)的倍元素基上。這些電池單體都是6 cm6 cm大小，厚 度為8. 8910-2或11. 4310-2mm,極其容易破碎。在高空環(huán)境下，電池單體的效率在14$到19% 之間。GaAs/Ge電池最高單體效率可達(dá)20. 43$, Iles等人對其進(jìn)行的研究結(jié)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(jié)GaAs電池的研究 取得了一定成果，四結(jié)GaAs電池的理論效率高達(dá)其中GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池已成 功應(yīng)用于國內(nèi)衛(wèi)星、飛船

8、等空間產(chǎn)品上，轉(zhuǎn)換效率不低于28樂厚度僅175 m。3. 1.3 CIS系列太陽電池從20世紀(jì)80年代以來,銅錮硒(CIS)和銅錮錢硒(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(wěn)定性和較強(qiáng)的空間抗輻射性能等優(yōu)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(fā)法制備的電池已 經(jīng)將電池效率提高到19. 5%,國內(nèi)研究人員也制成了效率超過14舟的成品。利用柔性襯底的薄 膜技術(shù)，CIS (CIGS)電池的質(zhì)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(fù)雜性的限制.如何制造大面積薄膜電池陣，實現(xiàn)商業(yè)化還有許多課題需要

9、研究。目 前，國外CIS和CIGS電池的應(yīng)用主要是航天器太陽電池陣。4. 2儲能子系統(tǒng)太陽能飛機(jī)能源存儲系統(tǒng)在整機(jī)質(zhì)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(jī)上應(yīng)用的儲能電池先后采用了銀鋅電池、鎘饃電池、氫銀 電池、鋰離子電池、鋰硫電池、燃料電池等。目前較為先進(jìn)的輕小型太陽能飛機(jī)仍采用傳統(tǒng) 的鋰電池，氫銀電池等傳統(tǒng)電池，具有較高的輕便性和可靠性。大型高空太陽能飛機(jī)多用大 規(guī)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(jī)能夠飛得更高，加載更多 的有效載荷。5. 2. 1鋰離子電池鋰離子電池是目前普遍應(yīng)用于先進(jìn)太陽能飛機(jī)上的儲能裝置，Solong太陽能

10、飛機(jī)上搭 載了 5.6 kg鋰電池，Solar Impulse太陽能飛機(jī)在其晝夜飛行實驗中，采用了 400 kg的鋰 電池。鋰離子電池優(yōu)點是工作電壓高達(dá)3.6 V,充放電壽命長，比能量高(可達(dá)150 Hh/kg), 無記憶效應(yīng)，維護(hù)方便，無污染。缺點是如果出現(xiàn)過充電，Li+將以單質(zhì)狀態(tài)出現(xiàn)，電池也 可能會產(chǎn)生安全問題。因此，國內(nèi)外研制開發(fā)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(tài)高聚物同時充當(dāng)電解質(zhì)與隔膜，從而提高了電池比能量。目前國內(nèi)鋰離子電 池采用新型高能多元復(fù)合材料，單體比能量可以達(dá)到235 Wh/kg,組合后電池組比能量達(dá)到 200 Wh/kg 以上。與鋰離子電池相比，鋰

11、聚合物電池結(jié)構(gòu)可燃性低、體積小、質(zhì)量輕、比能量高、自放電 小、可制成任意形狀。NASA正在開發(fā)的一種適合空間用及民用的改進(jìn)型鋰聚合物電池研究目 標(biāo)為質(zhì)量比能量200250 Wh/kg,體積比能量為350400 Wh/L, 25%D0D循環(huán)壽命周期為35 000周，100%D0D循環(huán)壽命周期為2 000周。目前，鋰聚合物電池未能應(yīng)用于太陽能無人 機(jī)，關(guān)鍵是其低溫特性不良的問題，在高空低溫低壓環(huán)境下，對于儲能電池特性是一個巨大 挑戰(zhàn)。6. 2.2鋰硫電池西風(fēng)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(tài)下連續(xù)放電，以保證為太陽

12、能無人機(jī)推進(jìn) 系統(tǒng)大功率供電。單質(zhì)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(dá) 2 600 Wh/kg,具有相當(dāng)可觀的研究前景。美國Sion Power公司制造的鋰硫電池產(chǎn)品比能量 在350380 Wh/kg左右，質(zhì)量1416 g,容量為2.42.8 Ah。但是目前該項技術(shù)還不成熟, 鋰硫電池還存在安全性問題，目前國內(nèi)研制的鋰硫電池在大電流放電狀態(tài)下不穩(wěn)定。另外， 循環(huán)性能不高的問題還需要進(jìn)一步研究解決。7. 2.3燃料電池與蓄電池基礎(chǔ)儲能系統(tǒng)相比，再生燃料電池系統(tǒng)(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(zhì)壓力容器設(shè)計改

13、進(jìn)減輕了質(zhì)量，改善 了性能，使RFCS能源儲存系統(tǒng)的比能量的提高成為可能。該項技術(shù)應(yīng)用于NASA的太陽神 無人機(jī)，其比能量達(dá)到790 Wh/kg,發(fā)電效率可達(dá)到53.4到目前，RFCS技術(shù)的主要研窕重點在于電解池電解水的效率問題，因為與技術(shù)較成熟的 H2-02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(tǒng)的整體能量轉(zhuǎn)換效 率，而且充放電兩個過程中均產(chǎn)生大量熱，也使得能量不能夠充分利用，因此，在應(yīng)用RFCS 于太陽能無人機(jī)儲能系統(tǒng)時，仍要持謹(jǐn)慎態(tài)度，其可靠性仍需進(jìn)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(yīng)放出大量能量為原理，制成能夠反復(fù)充 放電的超高比

14、能量電池，理論比能量可達(dá)11 140Wh/kg,且價格低廉，環(huán)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(huán)壽命與可靠性問題還需深 入研究與解決。2. 3控制子系統(tǒng)電源控制器是管理電源系統(tǒng)的關(guān)鍵，如今采用分布式管理的MPPT控制器成為應(yīng)用的首 選。這種控制器具有太陽電池陣工作點自適應(yīng)匹配功能的MPPT控制器，具有輕質(zhì)高效體積 小發(fā)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(fù)載得到的功率, 達(dá)到能量的最佳利用率。對于太陽能長航時飛行任務(wù)，對于電源控制器提出了新要求，它需 要與飛控系統(tǒng)，大氣檢測系統(tǒng)等協(xié)同工作，優(yōu)化能源利用率，適應(yīng)飛行包線內(nèi)的環(huán)境要

15、求。2.4太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)的應(yīng)用太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)雖然具有功率范圍寬，工作壽命長，自主性強(qiáng)的特點， 但是比功率仍比較低，制約了該電源系統(tǒng)在太陽能飛機(jī)上的應(yīng)用，目前國內(nèi)太陽電池陣-蓄 電池組電源系統(tǒng)主要應(yīng)用于航天器，比功率僅為13 W/kg左右。電源系統(tǒng)的質(zhì)量約占航天器 總質(zhì)量的30%以上，目前針對太陽能無人機(jī)，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(guān)電源技術(shù)，可顯著減少電源系統(tǒng)的質(zhì) 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(zhì)量較大，對于輕 質(zhì)太陽能飛機(jī)還存在很多現(xiàn)實困難，需要更大的機(jī)翼而積才可搭載整

16、個燃料電池系統(tǒng)。3未來研究熱點與前景展望未來太陽能無人機(jī)設(shè)計的目標(biāo)是高空長航時留空巡航，因此對無人機(jī)電源系統(tǒng)的設(shè)計要 求提出了更高的要求：(1)由于單晶硅電池技術(shù)最為成熟，因此現(xiàn)階段太陽能無人機(jī)仍將主要采用硅電池作為 主要的發(fā)電材料。如何降低硅太陽電池陣的成本，提高轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量比功率，使其更適合 于平流層內(nèi)的大氣環(huán)境；(2)發(fā)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(guī)模太陽電池陣產(chǎn)品化和輕型化方向發(fā)展，輕質(zhì)襯底和一體化集成技術(shù)都將 成為挑戰(zhàn)，為減輕質(zhì)量，需要在壓低成本的基礎(chǔ)上整體轉(zhuǎn)換效率超過20%;(3)開展太陽電池組件的力學(xué)特性、環(huán)境特性的研究。目前國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)圍繞太陽電池陣組件的研究多偏重光學(xué)、電學(xué)特性，對于復(fù)雜力學(xué)環(huán)境、高空熱環(huán)境、大氣環(huán)境的研究還 需進(jìn)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(fā)展已