太陽(yáng)能/甲醇混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)

王海瑞 張成茂 周泉知 曾憲平

【摘 要】本文針對(duì)一種太陽(yáng)能/甲醇作為無(wú)人機(jī)的混合動(dòng)力進(jìn)行了研究。研究了太陽(yáng)能飛機(jī)日趨成熟技術(shù)，以及微型直接甲醇燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，從而能夠?qū)⑻?yáng)能電池和直接甲醇燃料電池結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無(wú)污染、低噪音、綠色飛行，同時(shí)增加續(xù)航時(shí)間。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī)；太陽(yáng)能；甲醇；混合動(dòng)力

中圖分類號(hào)： TM611.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：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(yáng)能、甲醇等新型能源因儲(chǔ)量巨大、效率高、無(wú)污染、無(wú)排放等優(yōu)勢(shì)，逐漸受到世界各國(guó)的重視。使用太陽(yáng)能電池、直接甲醇燃料電池作為綠色能源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)無(wú)人機(jī)應(yīng)用而生。本文針對(duì)一種太陽(yáng)能/甲醇作為無(wú)人機(jī)的混合動(dòng)力進(jìn)行了研究。

1 太陽(yáng)能飛機(jī)日趨成熟的技術(shù)

2016年7月26日，世界上最大的太陽(yáng)能飛機(jī)“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”，成功降落于阿聯(lián)酋首都阿布扎比商務(wù)機(jī)場(chǎng)，他代表著人類有史以來(lái)不需任何燃料完全依靠太陽(yáng)能作為動(dòng)力的環(huán)球航行，促進(jìn)了太陽(yáng)能飛機(jī)的發(fā)展。機(jī)體平臺(tái)，由于太陽(yáng)能飛機(jī)具有能源不足的特點(diǎn)，為了保持飛行速度，多數(shù)飛機(jī)采用傳統(tǒng)的氣動(dòng)布局作為機(jī)載平臺(tái)。隨著研究的不斷發(fā)展，折線型翼型比光滑基準(zhǔn)翼型具有一定的潛力，能夠提升飛機(jī)的氣動(dòng)效率。環(huán)氧樹(shù)脂、凱夫拉、碳纖維等先進(jìn)的符合材料，有效的減輕了飛機(jī)的重量。能源系統(tǒng)，太陽(yáng)能飛行器對(duì)太陽(yáng)能電池的性能有較高的要求。目前單晶硅太陽(yáng)能電池已經(jīng)有相當(dāng)成熟的技術(shù)、高效率、低成本、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于飛行器上，提高無(wú)人機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率。推進(jìn)系統(tǒng)，分布式推進(jìn)系統(tǒng)往往是太陽(yáng)能飛機(jī)采用的布置，它在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。直驅(qū)電機(jī)和定距螺旋槳的結(jié)合使飛機(jī)效率大大提高。

2 太陽(yáng)能/甲醇混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)

（1）綜合分析了太陽(yáng)能飛機(jī)比較成熟的技術(shù)，和直接甲醇燃料電池的不斷發(fā)展，對(duì)于太陽(yáng)能/甲醇混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。法國(guó)某研究團(tuán)隊(duì)從2009年就開(kāi)始研發(fā)“零排放”混合動(dòng)力飛機(jī)——Eraole的。太陽(yáng)能動(dòng)力占25%，當(dāng)太陽(yáng)能動(dòng)力不足時(shí)，將其切換成生物燃料發(fā)電。該研發(fā)團(tuán)隊(duì)從微藻中提取了特殊生物燃料，將為飛機(jī)提供55%的動(dòng)能，另外20%的動(dòng)能靠飛機(jī)滑翔提供。綜合分析，該款太陽(yáng)能/甲醇混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)將有40%的太陽(yáng)能，及40%的直接甲醇燃料電池能提供動(dòng)力，其余20%的動(dòng)能由飛機(jī)滑翔提供。太陽(yáng)能/甲醇混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)三維圖如圖1所示，采用傳統(tǒng)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)，機(jī)翼、水平尾翼均有太陽(yáng)能板覆蓋，動(dòng)力系統(tǒng)采用直驅(qū)電機(jī)和定距螺旋槳。

（2）結(jié)合飛機(jī)氣動(dòng)布局和長(zhǎng)時(shí)間航行的需要，機(jī)翼的設(shè)計(jì)參數(shù)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(shè)計(jì)速度10m/s的情況下，整個(gè)機(jī)翼的強(qiáng)度完全富裕，受力比較均勻，機(jī)翼前緣是整個(gè)機(jī)翼受力較大的地方，機(jī)翼上翼面是整個(gè)飛機(jī)受力最小的部分。該機(jī)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(qiáng)度，能夠完全滿足應(yīng)對(duì)機(jī)翼前緣應(yīng)力集中的要求。機(jī)翼上需要覆蓋太陽(yáng)能電池片，太陽(yáng)能電池片材質(zhì)較脆不能受力，該機(jī)翼上翼面受力最小，不會(huì)損壞太陽(yáng)能電池片。綜合分析，該機(jī)翼能夠滿足此款飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

（3）將直接甲醇燃料電池組放到機(jī)翼下方位于重心處的儲(chǔ)存艙內(nèi)，將電源線引出，同太陽(yáng)能電池電源線共同接到飛機(jī)控制模塊中，來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩種電能之間的切換，從而時(shí)刻滿足飛機(jī)的電量需要。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一種太陽(yáng)能/甲醇作為無(wú)人機(jī)的混合動(dòng)力進(jìn)行了研究。研究了太陽(yáng)能飛機(jī)日趨成熟技術(shù)，以及微型直接甲醇燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，從而能夠?qū)⑻?yáng)能電池和直接甲醇燃料電池結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無(wú)污染、低噪音、綠色飛行，同時(shí)增加續(xù)航時(shí)間。

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