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小編前言：其實(shí)光伏的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只有太陽能并網(wǎng)發(fā)電，國內(nèi)有些企業(yè)在并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域里，由于激烈的市場競爭，已經(jīng)奄奄一息。也許換個(gè)角度思考，擴(kuò)充新的下游應(yīng)用領(lǐng)域，開拓出新的藍(lán)海應(yīng)用市場，也是個(gè)不錯的選擇。比如下文介紹的：高空長航時(shí)太陽能無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù) ，開動思想，轉(zhuǎn)換角度，也許能得到新的行業(yè)機(jī)會呢。

核心提示：以太陽能為動力的高空長航時(shí)無人機(jī)擁有廣闊的應(yīng)用前景，但制造這種無人機(jī)需要大量先進(jìn)技術(shù):高效率電力系統(tǒng)、輕量化結(jié)構(gòu)和先進(jìn)能源管理系統(tǒng)等，以提高無人機(jī)性能。

高空長航時(shí)太陽能無人機(jī)具有飛行高度高、工作時(shí)間長、覆蓋區(qū)域廣、使用靈活、運(yùn)行成本低和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，成為執(zhí)行情報(bào)、偵察、監(jiān)視和通信中繼等任務(wù)的理想空中平臺，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

太陽能飛機(jī)在白天使用太陽能電池維持系統(tǒng)工作并對機(jī)上蓄電池充電；晚上通過釋放蓄電池中儲存的電能來維持整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。太陽光輻射強(qiáng)度在近地面受地球大氣層影響顯著，太陽能飛機(jī)通常要在距地面20km以上的臨近空間飛行。如果能量平衡能夠一直維持，那么高空飛行的太陽能無人機(jī)在理論上就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)月乃至數(shù)年的不間斷飛行。

隨著太陽能電池、蓄電池和相關(guān)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的突破，高空長航時(shí)太陽能無人機(jī)將會實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

基于重量和能量平衡的飛行器總體綜合設(shè)計(jì)

與其他使用燃料的飛行器相比，太陽能飛機(jī)有個(gè)特點(diǎn)，即在飛行過程中始終保持重量和能量平衡，沒有燃料消耗帶來的重量變化。正因如此，太陽能飛機(jī)的氣動力設(shè)計(jì)屬于“單設(shè)計(jì)點(diǎn)”。在飛機(jī)總體方案設(shè)計(jì)過程中，如果使飛機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)的效率達(dá)到最高，就可以把全機(jī)需用功率降到最低。

長航時(shí)太陽能無人機(jī)要完成長時(shí)間持續(xù)飛行，必須使整個(gè)系統(tǒng)在一晝夜內(nèi)獲得的可用能量與全機(jī)實(shí)際消耗的能量之間達(dá)到平衡。由于從太陽光獲得的能量受到可用的太陽能電池面積影響，太陽能電池面積又與機(jī)翼面積密切相關(guān)，而實(shí)現(xiàn)夜間飛行所需要的蓄電池重量又影響到飛機(jī)總重，這些因素最終都會影響到飛機(jī)的翼載和推重比，因此在太陽能飛機(jī)總體設(shè)計(jì)過程中必須采用基于能量平衡的方法確定飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)參數(shù)。

先進(jìn)太陽能電池和儲能系統(tǒng)

太陽能電池按基體材料的不同可分為：硅太陽能電池、化合物太陽能電池和有機(jī)太陽能電池。太陽能電池的性能，尤其是轉(zhuǎn)換效率，是太陽能飛機(jī)基本性能的決定因素。近幾十年來太陽能電池研究方面的進(jìn)步很快，例如美國Solar Junction公司制造的三結(jié)疊層太陽能電池在418倍聚光條件下效率已達(dá)到43.5%。


除太陽能電池本身，太陽能電池在飛機(jī)上的施工工藝也是技術(shù)難點(diǎn)。通常太陽能電池既是產(chǎn)生電能的功能元件，同時(shí)又可作為飛機(jī)蒙皮的一部分承載部分氣動載荷。過去的太陽能電池由于自身厚度薄、剛度差、易碎易裂，很難適應(yīng)機(jī)翼上曲率變化大的部位。

當(dāng)機(jī)翼受載變形時(shí)，電池可能嚴(yán)重受損。這就要求既要解決對太陽能電池的封裝問題，又要為電池提供良好的鋪設(shè)平臺。為保證氣動效率，太陽能電池不僅要保證安裝時(shí)與飛機(jī)蒙皮共形，而且要保證在整個(gè)飛行過程中與蒙皮的緊密貼合，
所以太陽能電池的柔韌性也至關(guān)重要。

儲能系統(tǒng)是太陽能飛機(jī)實(shí)現(xiàn)晝夜持續(xù)飛行的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，目前在太陽能飛機(jī)上應(yīng)用最成熟的主要有燃料電池和鋰電池。雖然燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)40%～50%，而且重量輕、符合環(huán)保要求，但由于燃料電池依賴燃料補(bǔ)充，無法滿足長航時(shí)飛行對續(xù)航時(shí)間的要求，因此大多數(shù)太陽能飛機(jī)仍然采用高能量密度的鋰電池來儲備電能。

與其他電池相比，鋰電池的能量密度大、電壓高、自放電率低、循環(huán)使用壽命長、高溫放電性能優(yōu)于其他各類電池、不含有重金屬有害物質(zhì)，無環(huán)境污染等。表1為不同種類的蓄電池的性能對比。

盡管鋰電池的能量密度已經(jīng)很高，目前也只能滿足電動推進(jìn)系統(tǒng)的最低要求。因此，要滿足高空長航時(shí)太陽能無人機(jī)的使用要求，儲能器件還需有較大幅度的提高，另外，鋰電池在高空低溫環(huán)境下使用時(shí)的環(huán)境適用性也是需要解決的關(guān)鍵問題之一。

能源綜合管理系統(tǒng)

高空長航時(shí)太陽能無人機(jī)通過太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過鋰電池或燃料電池的配合，以及相關(guān)電器附件，如功率轉(zhuǎn)化器、電子調(diào)速器等設(shè)備的配合，驅(qū)動無刷直流電機(jī)和螺旋槳，為無人機(jī)提供動力，同時(shí)為機(jī)上的飛控、航電以及任務(wù)系統(tǒng)等設(shè)備提供能源。

由于供電和用電系統(tǒng)并存，而且大量不同用電品質(zhì)的負(fù)載同時(shí)工作，因此，為了在有限的資源下最大程度地滿足各單元的用電需求，需要通過能源綜合管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對全機(jī)能源的管理分配和優(yōu)化。通常對能源綜合管理系統(tǒng)的要求有：實(shí)時(shí)接收飛行管理計(jì)算機(jī)給出的電力需求信息；實(shí)時(shí)探測太陽能電池、蓄電池的工作狀態(tài)信息；根據(jù)測量信息對能源進(jìn)行控制，滿足不同階段的能量需求：能夠處理來自能源系統(tǒng)的突發(fā)故障情況等。


能源綜合管理系統(tǒng)的主要作用就是實(shí)時(shí)監(jiān)測各單元的能源供給和需求，并合理高效地進(jìn)行能量分配，使得太陽能電池吸收轉(zhuǎn)換的能量得到最好的利用。太陽能無人機(jī)的飛行過程可以概括為能量的收集、儲存、管理和消耗的過程。在設(shè)計(jì)過程中, 需要通過能源綜合管理系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高能源利用率。


完整的能源管理系統(tǒng)組成包括：地面站控制端、飛行控制模塊、動力系統(tǒng)模塊、電源系統(tǒng)模塊、能源管理控制模塊以及傳感器模塊等。地面站控制端將能源控制指令發(fā)射給機(jī)載計(jì)算機(jī)，機(jī)載計(jì)算機(jī)將無人機(jī)飛行的功率需求信息和能源控制指令以及傳感器測量到的信息都傳遞給能源管理控制單元，能源管理控制單元將電力需求信息傳遞給電子調(diào)速器，以控制動力系統(tǒng)的功率輸出，執(zhí)行給定的能源管理控制策略，控制各個(gè)電源的輸出以滿足動力系統(tǒng)的需求。