太陽能/甲醇混合動力無人機

王海瑞 張成茂 周泉知 曾憲平

【摘 要】本文針對一種太陽能/甲醇作為無人機的混合動力進行了研究。研究了太陽能飛機日趨成熟技術，以及微型直接甲醇燃料電池技術的不斷發展，從而能夠將太陽能電池和直接甲醇燃料電池結合，實現無污染、低噪音、綠色飛行，同時增加續航時間。

【關鍵詞】無人機；太陽能；甲醇；混合動力

中圖分類號： TM611.3 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）08-0058-002

Solar/Methanol Hybrid UAV

WANG Hai-rui1 ZHANG Cheng-mao1 ZHOU Quan-zhi1 ZENG Xian-ping2

（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Linyi University，Linyi，Shandong 276000，China；

2.Linyi Sports School，Shandong Linfen 276000，China）

【Abstract】This paper focuses on a solar/methanol hybrid as a drone. Research has been conducted on the growing maturity of solar-powered aircraft and the continuous development of micro-direct methanol fuel cell technology to enable the integration of solar cells and direct methanol fuel cells to achieve pollution-free，low-noise，green flight and increased battery life.

【Key words】UAV；Solar energy；Methanol；Hybrid

0 引言

太陽能、甲醇等新型能源因儲量巨大、效率高、無污染、無排放等優勢，逐漸受到世界各國的重視。使用太陽能電池、直接甲醇燃料電池作為綠色能源驅動電動無人機應用而生。本文針對一種太陽能/甲醇作為無人機的混合動力進行了研究。

1 太陽能飛機日趨成熟的技術

2016年7月26日，世界上最大的太陽能飛機“陽光動力2號”，成功降落于阿聯酋首都阿布扎比商務機場，他代表著人類有史以來不需任何燃料完全依靠太陽能作為動力的環球航行，促進了太陽能飛機的發展。機體平臺，由于太陽能飛機具有能源不足的特點，為了保持飛行速度，多數飛機采用傳統的氣動布局作為機載平臺。隨著研究的不斷發展，折線型翼型比光滑基準翼型具有一定的潛力，能夠提升飛機的氣動效率。環氧樹脂、凱夫拉、碳纖維等先進的符合材料，有效的減輕了飛機的重量。能源系統，太陽能飛行器對太陽能電池的性能有較高的要求。目前單晶硅太陽能電池已經有相當成熟的技術、高效率、低成本、性能穩定等優點，廣泛應用于飛行器上，提高無人機的能量轉化效率。推進系統，分布式推進系統往往是太陽能飛機采用的布置，它在一定程度上提高了系統的可靠性。直驅電機和定距螺旋槳的結合使飛機效率大大提高。

2 太陽能/甲醇混合動力無人機的設計

（1）綜合分析了太陽能飛機比較成熟的技術，和直接甲醇燃料電池的不斷發展，對于太陽能/甲醇混合動力無人機的設計提供了理論依據。法國某研究團隊從2009年就開始研發“零排放”混合動力飛機——Eraole的。太陽能動力占25%，當太陽能動力不足時，將其切換成生物燃料發電。該研發團隊從微藻中提取了特殊生物燃料，將為飛機提供55%的動能，另外20%的動能靠飛機滑翔提供。綜合分析，該款太陽能/甲醇混合動力無人機將有40%的太陽能，及40%的直接甲醇燃料電池能提供動力，其余20%的動能由飛機滑翔提供。太陽能/甲醇混合動力無人機三維圖如圖1所示，采用傳統氣動布局設計，機翼、水平尾翼均有太陽能板覆蓋，動力系統采用直驅電機和定距螺旋槳。

（2）結合飛機氣動布局和長時間航行的需要，機翼的設計參數如表1所示。利用XFLR5受力分析如圖2所示。由彩色受力圖可以看出，在設計速度10m/s的情況下，整個機翼的強度完全富裕，受力比較均勻，機翼前緣是整個機翼受力較大的地方，機翼上翼面是整個飛機受力最小的部分。該機翼前緣采用了泡沫填充，在不增加重量的情況下增加了前緣的強度，能夠完全滿足應對機翼前緣應力集中的要求。機翼上需要覆蓋太陽能電池片，太陽能電池片材質較脆不能受力，該機翼上翼面受力最小，不會損壞太陽能電池片。綜合分析，該機翼能夠滿足此款飛機的設計要求。

（3）將直接甲醇燃料電池組放到機翼下方位于重心處的儲存艙內，將電源線引出，同太陽能電池電源線共同接到飛機控制模塊中，來實現這兩種電能之間的切換，從而時刻滿足飛機的電量需要。

3 結束語

本文針對一種太陽能/甲醇作為無人機的混合動力進行了研究。研究了太陽能飛機日趨成熟技術，以及微型直接甲醇燃料電池技術的不斷發展，從而能夠將太陽能電池和直接甲醇燃料電池結合，實現無污染、低噪音、綠色飛行，同時增加續航時間。

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