太陽能無人機電源的應(yīng)用

劉羅津

摘 要： 太陽能無人機由于其巡航時間長、可高空飛行等特點，受到各國的青睞，近年來發(fā)展較為迅速，而電源技術(shù)作為其中一項關(guān)鍵技術(shù)，也得到了較大發(fā)展。本文將針對太陽能無人機系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和各個構(gòu)成模塊進行分析，并簡要介紹了其未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： 太陽能無人機；電源

【中圖分類號】 E926.3 【文獻標(biāo)識碼】 A 【文章編號】 2236-1879（2018）11-0168-01

引言

太陽能無人機就是無需額外耗能只需在光照條件下將光能轉(zhuǎn)化為電能的無人機，由于其在災(zāi)害發(fā)生時可中繼通信、可長時間檢測極端天氣、可到達核爆現(xiàn)場采樣、可長時間進行軍事偵察等方面具有極大優(yōu)勢，近些年來收到世界各國的關(guān)注，并有了極大的發(fā)展。太陽能電源作為無人機的供電系統(tǒng)，其性能好壞直接影響到無人機效能，是無人機系統(tǒng)中的非常重要的模塊。對于安裝在無人機上的太陽能電源系統(tǒng)，需要具有高效率、高能效比、可靠性高、易維護以及壽命長等特點。

一、電源整體結(jié)構(gòu)

它的電源系統(tǒng)由太陽能電池板、儲能蓄電池和電源管理系統(tǒng)組成。其中太陽能電池板屬于發(fā)電裝置，一般由數(shù)個電池板通過各種組態(tài)形成陣列；但是，由于光強、溫度、飛行狀態(tài)等條件的變化，會影響太陽能電池的工作狀態(tài)，所以需要電源管理模塊對發(fā)電狀態(tài)進行管理，使其工作在最佳狀態(tài)；當(dāng)發(fā)電量過剩的時候，可通過儲能系統(tǒng)（蓄電池）將多余的電能儲存起來，用于光強不足時給飛機供電。

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二、電源子模塊

1.太陽能電池板。

目前，太陽能電池板主要有硅系列電池、砷化鎵系列電池、CIS系列電池等，三種電池有各自不同的特點，需要根據(jù)無人機具體用途來選擇。

硅系列電池包括單晶型、多晶型和非晶型。單晶硅電池的光電轉(zhuǎn)化效率較高，實驗室最高效率超過20%，其功率質(zhì)量比也較高，可達455W/kg，高效率和輕質(zhì)的特性比較適合在無人機上的應(yīng)用，但是其制作工藝和原材料成本較高，導(dǎo)致其電池價格居高不下，制約了在無人機上的大規(guī)模使用。多晶硅價格較為低廉，但是能量轉(zhuǎn)化效率較低，目前還不能提供飛機正常運行所需的功率，因此不能用在太陽能無人機上。非晶硅電池近年來效率有所提高，具有較大的應(yīng)用前景，。美國聯(lián)合太陽能Ovonic公司的電池效率達到12%，功率質(zhì)量比超過1kW/kg[1]。

砷化鎵系列電池相對于硅系列有更高的能量轉(zhuǎn)換效率，但是制備成本較高，對溫度敏感性較小，抗輻射系能較好。近年來，異質(zhì)襯底和多節(jié)級聯(lián)的砷化鎵電池正逐步取代普通砷化鎵電池，多節(jié)級聯(lián)砷化鎵電池的理論研究效率超過40%，其已經(jīng)應(yīng)用于部分太空飛行器上。

CIS系列電池包括銅銦硒電池和銅銦鎵硒電池，具有價格低廉、效率較高、較為穩(wěn)定等特點，利用柔性襯底薄膜技術(shù)可增強其抗輻射性和功率質(zhì)量比，但是從現(xiàn)階段看來，制備復(fù)雜制約了它的商業(yè)化應(yīng)用，主要還只是應(yīng)用于航天器上[2]。

2.儲能系統(tǒng)。

儲能系統(tǒng)主要由蓄電池構(gòu)成，其質(zhì)量在飛機總質(zhì)量中的占比很高，因此，就需要高能量比的蓄電池作為儲能器件，太陽能飛機上多采用鋰硫電池、燃料電池和鋰離子電池等。小型飛機出于其成本控制和功率需求不高，多采用一般鋰電池等，大型飛機由于其功率需求較高多采用鋰硫電池和再生燃料電池、大規(guī)模鋰電池等。

鋰離子電池充放電循環(huán)性好、能量比高，且輕便易維護，但是一旦出現(xiàn)過充電會生成鋰單質(zhì)從而產(chǎn)生安全隱患。新研制的鋰聚合物電池很好的解決了上述問題，具有較好的防火性，并且在能量比、形狀適應(yīng)性等方面比鋰離子電池有更好的性能，但是高空中的低溫低壓環(huán)境會急劇影響其性能，該問題還有待解決[3]。

鋰硫電池可持續(xù)工作在大電流放電條件下，能量比高于鋰聚合物電池，適合用于大功率放電的場合，還可通過與鋰組合，提高其能量比，但是它的安全性能還不夠好，大電流放電條件下的穩(wěn)定性較差[4]。

再生燃料電池由于其電解效率不高，整體系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率收到極大影響，因此充放電時會產(chǎn)生較多熱量，目前其可靠性還有待提高。

3.電源管理系統(tǒng)。

太陽能電池在高空中環(huán)境條件相對惡劣，不同季節(jié)、時段溫度和光照差異較大，飛機在不同情況負載需求不一致，因此，需要電源管理系統(tǒng)對太陽能電池板狀態(tài)和負載狀態(tài)進行實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)，通過蓄電池充放電對供需狀態(tài)進行平衡，為電機系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等模塊穩(wěn)定供電，同時讓太陽能電池工作在最佳效率狀態(tài)。由于太陽能電池板陣列分布面積較大，數(shù)量較多，采用單一的管理器難以滿足較高的效率，采用分布式MPPT進行管理，可有效提高能量利用率。為了減小電流流過傳輸線時產(chǎn)生的熱功率損耗同時避免失火，可采用高壓直流輸電。電源管理系統(tǒng)需要對整體負載進行集中配電和監(jiān)控管理，針對不同供電電壓，采用就近原則進行電平轉(zhuǎn)換，一般可利用DC-DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。國內(nèi)某研究所研制的電源管理器可連續(xù)3小時輸出大于600W的平均功率，且負載切換不會影響系統(tǒng)正常運行，整體MPPT（最大功率點跟蹤）轉(zhuǎn)換效率大于97%[5]。

三、未來發(fā)展趨勢

未來太陽能無人機的巡航留空時間會越來越長，因此，需要性能更優(yōu)的太陽能電池組，在轉(zhuǎn)換效率、功率質(zhì)量比、可靠性和多環(huán)境適應(yīng)性上有較大提高，儲能系統(tǒng)的蓄電池要有更高的能量比和安全性，另外，電源管理系統(tǒng)也要向著多功能、智能化、高效方向發(fā)展。

總結(jié)

電源技術(shù)已作為一項關(guān)鍵技術(shù)影響著太陽能無人機的發(fā)展，其中，太陽能電池組、儲能系統(tǒng)和電源管理系統(tǒng)作為它的各個子模塊，其優(yōu)劣也影響著整體性能，設(shè)計人員在設(shè)計各個模塊的時候要充分考慮到其應(yīng)用需求，讓各個模塊穩(wěn)定、高效、協(xié)調(diào)的運行，為無人機無故障飛行提供保障。

參考文獻

[1] 曲鵬， 王寅. 太陽能無人機電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 電源技術(shù)， 2015（4）：864-866.

[2] 杜晶晶， 龍飛， 鄒正光，等. CIS（CIGS）薄膜材料的研究進展[J]. 材料導(dǎo)報， 2007， 21（4）：9-12.

[3] 鄭如定. 鋰離子電池和鋰聚合物電池概述[J]. 通信電源技術(shù)， 2002（5）：18-21.

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[5] 陸運章， 郭進， 程文進，等. 太陽能無人機能源控制器研究與設(shè)計[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備， 2017（3）：45-50.