平流層浮空器能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

郭 進，陸運章，周 蒙，張佳亮，唐 榮，黃齊鳴

(中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

平流層浮空器是指距地面20～100 km的空域飛行的飛艇、高空氣球以及可以環(huán)繞地球長時間漂浮的平流層衛(wèi)星。隨著科技的發(fā)展，可用于高空防御、對地觀測、通訊保障的平流層浮空器越來越受到各國科學界的重視。

傳統(tǒng)浮空器采用燃料電池或氣體燃燒為浮空器上的設(shè)備提供能源，此種方法能量密度比低，安全性低，不能長時間提供能源。目前，使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)為浮空器提供能源已經(jīng)成為一種趨勢。

1 能源系統(tǒng)組成

如圖1所示，平流層浮空器能源系統(tǒng)主要包括光伏陣列、能源控制器、儲能電池組和負載設(shè)備。能源系統(tǒng)采用分布式發(fā)電、高壓傳輸、集中配電、就近轉(zhuǎn)換的電源配電及管理。浮空器光伏陣列采用分布式發(fā)電模式，囊體表面同一受光曲面的光伏陣列構(gòu)成一個發(fā)電單元，盡量減少由于囊體曲面導致的光強不均對系統(tǒng)整體發(fā)電功率影響；大功率、長距離傳輸電能采用高壓直流母線傳輸，盡量減少傳輸損耗；DC-DC轉(zhuǎn)換電路及控制電路盡量布置在負載設(shè)備附近，就近轉(zhuǎn)換供電。能源系統(tǒng)為提高能源系統(tǒng)輸出效率，采用分布式MPPT模式為儲能電池充電和負載供電。每個MPPT模塊連接囊體表面同一受光曲面的光伏陣列，使用多個MPPT模塊構(gòu)成分布式MPPT能源控制器。

圖1 浮空器能源系統(tǒng)示意圖

2 優(yōu)化設(shè)計

2.1 光伏組件優(yōu)化設(shè)計

平流層浮空器所有太陽電池當前形式是柔性薄膜和薄化的晶體硅太陽電池兩類，兩類電池各自有優(yōu)缺點，但主要矛盾還是轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量密度。傳統(tǒng)的柔性薄膜電池效率較低，衰減較大，成本較高。薄化工藝制備的晶體硅太陽電池，由于采用和借鑒傳統(tǒng)制備工藝，工程化水平高，可大批量生產(chǎn)和應用，國內(nèi)轉(zhuǎn)換效率較高，單體的比功率水平已經(jīng)超過薄膜太陽電池水平，且功率面密度高，更有利于電源的管理和控制，厚度在100～150 μm水平的質(zhì)量密度，在組件封裝后足以達到薄膜太陽電池水平，且具有更高的功率質(zhì)量比。

平流層浮空器囊體表面擬采用柔性光伏組件，柔性組件外觀為長790 mm，寬680 mm，厚度4 mm，在組件四周分布有安裝孔。單塊組件的質(zhì)量小于325 g，面密度小于650 g/m2。彎曲半徑可達到1 m，柔性組件彎曲照片如圖2所示。

柔性組件在標準測試條件（大氣質(zhì)量AM1.5、1 000 W/m2的輻照度、25℃的環(huán)境溫度）下，最佳工作點功率Pmax大于等于85 W，其不同負載輸出條件下I-V輸出曲線如圖3所示。

圖2 柔性組件彎曲實驗圖

圖3 柔性組件I-V曲線圖

在AM1.5光譜標準測試條件下單塊組件的典型電性能參數(shù)如表1所示。

表1 柔性組件典型電性能參數(shù)

2.2 MPPT控制電路設(shè)計

本設(shè)計方案采用的分布式MPPT控制器，將浮空器彎曲表面入射角接近的光伏組件接入一個MPPT控制器，根據(jù)彎曲表面光伏組件的多少，使用多個MPPT控制器，最大限度地追蹤每一路光伏組件最大功率。由于采用多個中小功率的MPPT控制器，單個MPPT控制器的發(fā)熱量較小，無需安裝散熱器，在每個MPPT控制器上安裝散熱片即可。在常規(guī)的MPPT基礎(chǔ)上增加充電保護功能，當蓄電池快充滿時，啟動充電保護功能，MPPT進入均充模式，蓄電池充滿時，MPPT完全關(guān)斷輸出，均充電壓和關(guān)斷電壓可根據(jù)蓄電池的性能進行設(shè)置。MPPT控制器電路圖如圖4所示。

2.3 熱分析

圖4 MPPT控制器電路圖

光伏組件的發(fā)電功率隨溫度升高而降低，要計算出柔性組件的發(fā)電功率，需求出柔性組件溫度隨時間變化曲線。

組件的裝機功率是在常溫（25℃）下測試獲得，組件的發(fā)電效率隨溫度的升高而降低，每升高1℃，組件功率下降0.3%，在溫度為T的時候，組件的溫度系數(shù)（ηT）：

圖5 柔性組件能量平衡示意圖

根據(jù)能量守恒原理，柔性組件接收的太陽能量等于輸出的電能、反射出的太陽能、上表面熱交換的能量、上表面熱輻射的能量、下表面熱輻射能量、下表面熱交換能量的總和，能量平衡如圖5所示。

以某日浮空器在北緯41.7°處飛行為例進行組件熱分析。

根據(jù)太陽高度角計算公式得出組件垂直入射光強，進行熱仿真，如圖6所示，柔性組件由電池片、透明封裝材料、隔熱材料組成。太陽光通過透明封裝材料照射在電池片表面，電池片吸光率較高，產(chǎn)生的熱量也最大，其溫度也最高，隔熱材料的熱傳導最低，能很好地進行隔熱，組件的上表面和下表面溫度相差30℃，使組件產(chǎn)生的熱量較少地傳導至浮空器氣囊。

圖6 柔性組件熱場仿真圖

通過ANSYS仿真軟件模擬出組件溫度，最高溫度為74.2℃，出現(xiàn)在北京時間14:30，組件溫度隨時間變化曲線如圖7所示。

圖7 光強和組件溫度隨時間的變化

2.4 光強分析

柔性組件發(fā)電功率受光強、溫度、太陽高度角等因素的影響。

2.4.1 海拔高度對光強的影響

隨著海拔高度的增加直射光強呈增強趨勢，但是海拔到15 km以上時直射光強變化基本穩(wěn)定，在18～22 km高空光照強度約為1.26 kW/m2，海拔高度與直射光強關(guān)系如圖8所示。

2.4.2 太陽高度角影響

組件的垂直入射光強E為太陽光強乘以太陽高度角γ的正弦值：

圖8 海拔高度和直射光強的關(guān)系

式中：φ為地理緯度，北半球為正，南半球為負；δ為赤緯角，ω為太陽時角；H為時刻，0～24 h；dn代表從1月1日起的第dn天，即1≤dn≤365。

3 實驗及結(jié)果分析

如圖9所示，能源管理系統(tǒng)由柔性光伏陣列、能源控制器、儲能電池組、DC-DC和負載構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集端接入工控機作為上位機。

圖9 浮空器能源系統(tǒng)測試連接框圖

在晴天太陽輻照度較好的時候，將108塊85 W光伏組件（裝機功率為9.18 kW）的柔性光伏組件平鋪在地面，108塊柔性光伏組件按9個不同受光面劃分為9個區(qū)域（每個區(qū)域鋪設(shè)12塊柔性組件）分別與9個MPPT模塊連接；采用110 V、16 kW·h的蓄電池作為儲能電池組；DC-DC分別將母線電壓降壓至24 V供傳感器和飛控使用（功率為100 W），功率為1～3 kW功率可調(diào)的110 V直流電機從直流母線上取電。能源控制器數(shù)據(jù)采集模塊以1 Hz的采樣頻率采集各個參數(shù)，并通過RS422總線在測試過程中上傳測量參數(shù)至上位機。

使用電子稱計量MPPT模塊的質(zhì)量為400 g，使用光強計測試太陽輻照強度，12塊柔性組件（裝機功率為1 020 W）連接一個MPPT模塊，MPPT單位質(zhì)量功率達到2.5 kW/kg。使用萬用表和鉗形表測量MPPT模塊的輸入輸出電壓電流，計算得出MPPT的轉(zhuǎn)換效率為97.03%～98.01%。MPPT模塊電性能參數(shù)見表2所示。

傳感、飛控等航電設(shè)備功率一直保持在100 W，中午太陽光強，光伏發(fā)電多，早晚太陽光弱，光伏發(fā)電少，在不同時間段調(diào)節(jié)動力電機的功率來更好地利用太陽能。不同時間段動力電機功率與負載總功率如表3所示。

表2 MPPT模塊電性能參數(shù)

表3 負載不同時間段功率表

9.18 kW光伏組件發(fā)電功率隨時間的變化曲線如圖10所示。最大功率點出現(xiàn)在13:19，光伏組件輸出總功率為6.479 kW，通過對光伏發(fā)電曲線的時間積分，可得出全天發(fā)電量積分39 kW·h，儲能蓄電池電量最少的時刻出現(xiàn)在9:14，此時蓄電池剩余電量為2.33 kW·h，此后光伏發(fā)電功率大于負載總功率，光伏開始給蓄電池充電，蓄電池在17:20充滿。

圖10 輸出功率隨時間的變化曲線

4 結(jié) 論

本文對平流層浮空器能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計進行了詳細的闡述，對能源系統(tǒng)在地面情況下發(fā)電、儲能與帶載運行情況進行了實驗驗證。研制的柔性晶硅組件與MPPT模塊質(zhì)量輕、效率高。該方案模擬了平流層浮空器能源系統(tǒng)中發(fā)電、儲能、能量利用，實現(xiàn)能源循環(huán)過夜，實現(xiàn)能量閉環(huán)，為平流層浮空器實現(xiàn)長期駐空奠定了基礎(chǔ)。