太陽能無人機能源系統的關鍵技術與發展趨勢

朱立宏，孫國瑞,*，呼文韜，李釧，付增英，于智航，劉正新

1. 中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384 2. 中國科學院 上海微系統與信息技術研究所，上海 200050

近年來，有關臨近空間飛行器的研發興起。資料顯示，臨近空間飛行器可以替代衛星的絕大部分功能，如通信、導航、農業、氣象、測繪等。由于臨近空間飛行器距離地面更近，它們因此具備衛星所不可比擬的成本優勢和因距離產生的獨到的技術優勢[1-2]。在眾多臨近空間飛行器的研制中，臨近空間無人機是其中的研究熱點。常規無人機存在諸多不足，其中最主要的缺陷是空中停留時間較短，而造成這一問題的原因是常規無人機攜帶燃料有限且無法自制能量[3]。而太陽能光電技術的迅速進步，使得太陽能無人機獲得了環境發電的能力，打破了常規無人機攜帶能源有限的限制，配合臨近空間穩定的飛行條件，各國都紛紛掀起臨近空間太陽能無人機的研發熱潮，如“Zephyr”系列、“”Solara 50”“Aquila”“Helios”系列、“太陽脈動”系列和“彩虹”系列等[4-16]。由于太陽能無人機可利用外部環境自制能量，理論上續航時間幾乎不受限制，但飛機依靠太陽電池發電能量來源單一且功率密度較低，儲能電池組比能量的提升達到瓶頸、能源控制系統應對多變條件能力不足、邊界條件限制、隨機干擾因素過多等原因制約了飛機跨晝夜飛行的能力[17-19]。因此，突破現有太陽能無人機能源系統供電能力的瓶頸是目前太陽能無人機能源系統設計的當務之急，本文詳細闡述太陽能無人機能源系統的組成、關鍵技術以及未來發展趨勢，為未來飛行器的設計提供參考。

1 能源系統發展現狀

太陽能無人機能源系統(如圖1所示)一般由太陽電池陣、儲能電池及能源控制系統構成[19]，本節主要針對太陽能無人機用的太陽電池與儲能電池的發展現狀進行闡述。

1.1 太陽電池

臨近空間飛行器一般采用柔性、輕質、高效能太陽電池作為發電單元，而滿足這樣特征的太陽電池種類主要有非晶硅(α-Si)薄膜太陽電池、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池、柔性多結砷化鎵(GaAs)薄膜太陽電池以及晶體硅異質結(SHJ)電池、交叉背接觸(IBC)電池、鈍化發射極及背局域接觸(PERC)電池等超薄晶體硅太陽電池，上述幾種太陽電池的性能指標如表1所示[20-31]。

從多年行業發展情況看，非晶硅太陽電池和銅銦鎵硒太陽電池性能提升幅度有限，國內相關產業配套不完整限制了其進一步發展。柔性砷化鎵太陽電池綜合性能未來發展潛力最大，但目前由于產量較低造成成本較高，隨著產業化水平提升其成本將逐漸降低。SHJ、IBC及PERC這3種電池均采用超薄單晶硅作為基材制作，但PERC電池和IBC電池由于電池結構不對稱，且需要經過多道高溫處理工序，產生的熱應力會導致電池片彎曲，易破碎，產品成品率較低。其中IBC太陽電池由于其特殊結構，背面柵線必須達到一定密度才能保證串聯電阻最低，這又造成其電極重量無法減輕。SHJ電池采用對稱結構、異質結PN結設計和低溫工藝制造，在3種晶硅電池中是最容易實現高效、超薄、超輕、高柔性的技術方案。綜上分析，對于太陽能無人機應用前景較好的太陽電池種類為砷化鎵電池和SHJ電池。

圖1 太陽能無人機能源系統組成Fig.1 Composition of solar powered unmanned aerial vehicle energy system

表1 臨近空間飛行器應用的太陽電池性能指標總結[20-31]
Table 1 Summary of solar cell performances applied for near space vehicles[20-31]

電池種類理論效率/%(AM0,1 353 W/m2)目前效率/%(AM0,1 353 W/m2)理論效率實現程度/%目前單體太陽電池面密度/(g·m-2)目前單體太陽電池比功率/(W·kg-1)目前太陽電池柔性度非晶硅25728170557可彎曲180°以上銅銦鎵硒28PI襯底:10不銹鋼襯底:14.251PI襯底:170不銹鋼襯底:800PI襯底:796不銹鋼襯底:240可彎曲180°以上砷化鎵3831811702 467可彎曲180°以上SHJ2620.5792331 190可彎曲120°IBC262181320888可彎曲40°PERC2618.7572300845可彎曲70°

1.1.1 砷化鎵太陽電池

與硅太陽電池相比，砷化鎵太陽電池具有轉換效率高、耐高溫、抗輻射性能好和可制成全柔性電池等優點。近年來，新興的柔性多結砷化鎵薄膜太陽電池采用倒裝晶格失配(IMM結構)結構制作，并配合外延剝離技術(Epitaxial Lift Off, ELO)進行柔性化處理，即在砷化鎵襯底上外延生長GInP/GaAs/InGaAs等子電池，然后剝離并轉移到柔性襯底上[21-22]。如圖2所示，由美國Micro Link公司研制的最新一代柔性砷化鎵太陽電池比功率超過1 500 W/kg，面功率超過350 W/m2(AM1.5，1 000 W/m2)[21]，并應用至了空客Zephyr S太陽能無人機項目上。如圖3所示，由中國電子科技集團公司第十八研究所研制的全柔性砷化鎵太陽電池組件面密度為415 g/m2，

圖2 Micro Link公司研制的多結砷化鎵太陽電池[21]Fig.2 Multijunction GaAs solar cell developed by Micro Link[21]

圖3 中國電子科技集團公司第十八研究所 研制的砷化鎵電池組件Fig.3 GaAs cell module developed by Tianjin Institute of Power Sources

半硬式砷化鎵太陽電池組件面密度為550 g/m2，效率超過29%(AM0，1 353 W/m2，25 ℃)。但是，作為新型高效電池其產業配套處于起步階段，應用成本在短時間內仍較高。

1.1.2 晶體硅異質結(SHJ)太陽電池

晶體硅異質結太陽電池是一種高效太陽電池，由日本三洋公司發明[25-26]。2011年該技術被引入中國，經過8年的發展已經實現國產化。國內中科院上海微系統與信息、技術研究所研制的超薄SHJ太陽電池的實驗室最高轉換效率達到24%(硅片厚度85 μm)，產業化效率22.5%(硅片厚度95 μm)。SHJ電池利用薄膜硅電池技術，在晶體硅表面分別沉積超薄非晶硅薄膜疊層(每層厚度約5 nm)以及透明導電氧化物(約100 nm)，加上金屬電極制成具有對稱結構的晶體硅/非晶硅異質結太陽電池，如圖4所示，圖中TCO為透明導電膜；p/i a-Si為p型/本征非晶硅；i/n a-Si為n型/本征非晶硅；n type c-Si為n型單晶硅(表面結構)。

圖4 SHJ太陽電池結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of SHJ solar cell

由于SHJ太陽電池制作過程工藝溫度低于200 ℃，避免了制作過程中由于高溫熱應力導致的硅片彎曲，降低了硅片破損的風險，成品率達到98%以上；具有兩面對稱結構，適宜于減薄，厚度為100 μm的電池依然保持較高的轉換效率；高效、超薄、柔性的雙面發電SHJ電池已經實現量產。如圖5所示，由中國電子科技集團公司第十八研究所研制的SHJ太陽電池組件平均面密度為540 g/m2，平均效率為21.3%(AM1.5，1 000 W/m2)，單個組件最大尺寸達1.3 m×0.91 m，已實現產品應用。

圖5 中國電子科技集團公司第十八研究所研制的 SHJ電池組件Fig.5 SHJ cell module developed by Tianjin Institute of Power Sources

1.2 儲能電池

儲能電池的比能量高低決定著太陽能無人機是否能夠越夜飛行，循環壽命決定著太陽能無人機是否能夠進行幾周甚至上月的長航時飛行。目前長航時太陽能無人機使用比較成功的儲能電池為鋰硫電池和納米線結構硅負極鋰離子電池。

1.2.1 鋰硫電池

美國Sion Power公司2004年研制的高能鋰硫電池[32]比能量達到250～300 W·h/kg，可循環300周期。2010年Sion Power公司成功地將其研制的鋰硫電池應用于由英國Qineti Q國防科技集團研發的高空太陽能無人機“Zephyr 7”，創造了無人機連續飛行14 d 22 min 8 s、飛行高度21 km、低溫低氣壓應用環境等多項世界記錄。所采用的Sion Power鋰硫電池(如圖6所示)，單體額定容量2.5 Ah、比能量達到350 W·h/kg、循環50周期。

圖6 太陽能無人機用鋰硫電池組Fig.6 Lithium-sulfur battery applied for solar UAV

1.2.2 納米線結構硅負極的鋰離子電池

目前，美國Amprius公司已實現納米線結構硅負極鋰離子電池單體的批量生產[33]，并配套給空客公司Zephyr SHAPS(高空偽衛星)無人機項目，電池重量能量密度大于435 W·h/kg，體積能量密度大于1 200 W·h/L。2018年7月11日，采用硅納米線鋰離子電池的Zephyr S太陽能無人機完成首飛，在飛行了25 d 23 h 57 min后于8月5日降落于亞利桑那沙漠，創造了飛行時間和飛行高度的非官方記錄。

1.3 能源系統總結

目前太陽能無人機能源系統能夠滿足基本飛行要求[34]。但太陽能無人機要想實現實用化應用，有效載荷搭載能力至少為50 kg、飛行時間至少達到3個月，相應的太陽電池組件效率不低于30%(AM0，1 353 W/m2)，儲能電池單體比能量不低于450 W·h/kg，同時100%DOD循環壽命要達到100周期以上。

就目前國內外發展情況來看，砷化鎵太陽電池組件效率最高可達到31%(AM0，1 353 W/m2)，已基本滿足實用化應用太陽能無人機的發電需求，但高比能鋰離子電池的循環周期僅為30～50周期，在此之后電池比能量存在較大的衰減，與實用化太陽能無人機的技術要求存在較大差距，且短時間內很難突破。

2 關鍵技術發展趨勢

儲能電池的技術瓶頸限制了實用化應用太陽能無人機的長航時越夜飛行，拓寬能量來源、尋找太陽能無人機能源系統自身的優化方案是現階段太陽能無人機能源系統發展的較優方案。

從能量獲取角度分析，儲能電池蓄電能力有限，不足以將白天太陽電池所發電力充分吸收，而夜間又無其他手段補充能量，這就降低了太陽能無人機的長時間飛行能力。若突破太陽能這種單一能源獲取方式的限制，則會大幅提升太陽能無人機的續航能力。

從能源系統優化角度分析，臨近空間太陽能無人機的大尺度機翼造成光伏發電能力差異大、負荷分布不平衡，使得飛機的能量調度以及協同控制難度加大，能源系統的整體利用率降低。若采用合理的智能化能量調度方案，則會大幅提升儲能電池組的有效放電深度，同時降低能量網絡中傳輸損耗，從而降低對儲能電池組比能量的要求。

從任務角度分析，太陽能無人機實現通訊中繼、電子偵測等功能離不開大口徑、高性能天線，而傳統天線由于太陽電池陣的屏蔽作用，在安裝時擠占其安裝面積，使能源系統與載荷系統無法同時達到最優，且突出的天線還會破壞飛機的氣動外形影響升阻比，降低氣動效率。若以平面陣天線技術為基礎將太陽電池陣與天線陣一體化，則可同時實現載荷的輕量化、太陽電池陣布片面積最大化以及氣動外形最優化，從而降低飛機對能源系統的整體要求，特別是儲能電池比能量的要求。綜合來看，在突破儲能電池瓶頸前，現階段太陽能無人機的主要發展方向為能量獲取多元化、能源系統管理高效化以及能源載荷系統一體化。如表2所示，具體的可實施方向為無線傳能技術、智能化能源系統以及太陽電池陣與天線載荷一體化。

表2 太陽能無人機能源系統的未來發展方向Table 2 Future development direction of solar UAV energy system

2.1 能量獲取多元化

儲能電池組儲能能力有限、太陽電池發電功率密度低，制約著臨近空間飛行器技術的發展，即太陽能無人機對能量來源問題解決方案的改變提出了迫切要求。如圖7所示，拓展能量來源渠道、發展無線傳能技術是未來支撐臨近空間太陽能無人機長時駐空執行任務的有效途徑之一。

基于對各類無線傳能技術特點的調研分析(如表3[35-55]所示)可知，針對于臨近空間太陽能無人機20 km級的飛行高度，適合的傳能方式為激光無線傳能與微波無線傳能。

圖7 無線傳能示意圖Fig.7 Schematic diagram of wireless energy transmission

表3 各類無線傳能技術的特點分析[35-55]Table 3 Characteristic analysis of various wireless energy transfer technologies[35-55]

2.1.1 激光無線傳能技術

激光無線傳能技術具有指向性好、光電接收面積小和傳輸距離遠等特點，適用于遠距離傳能應用領域[44-50]。近年來，美國、日本、歐洲等國家紛紛開展了無人機激光無線能量傳輸技術的研究(如圖8[43]所示)。2005年，美國國家航空和宇宙航行局的馬歇爾空間飛行中心利用強激光(輸出功率500 W、輸出波長940 nm)對15 m以外微型飛行器表面的三結Ga:In:P2光電池進行照射，實現對微型發動機供電(6 W)并保證了其正常工作。2012年，美國洛克希德·馬丁公司與美國激光動力公司成功試驗了一種新型激光能量傳輸系統對“潛行者”(Stalker)無人機室外無線傳能，實現了無人機連續48 h的空中飛行[45-46]。

圖8 激光無線傳能[43]Fig.8 Wireless transmission of laser energy[43]

2.1.2 微波無線傳能技術

微波無線傳能技術是以地球與大氣電離層作為諧振器，使兩者之間發生低頻諧振向外發射頻率8 Hz的電磁波，利用可在空間內使用的接收天線自由接收電能[51-55]。在1964年Brown首次成功驗證微波動力直升機后，美國、日本等國家紛紛開始了無人機微波無線傳能技術領域的研究。1992年，日本“MILAX”研制了2.411 GHz的微波驅動飛機，實現了25 m的無線充電飛行。2006年，美國NASA Longley研究中心探索了微波無線傳能技術在高空飛行器中的應用，并針對高空飛行器提出了2種應用模式：第1種是當白天太陽輻射充足時，利用微波無線傳能技術將高空飛行器中多余的能量傳輸給下方的小型無人機供電；第2種模式是晚上依靠電池供電時利用微波無線傳能技術從地面向高空飛行器供電，支持其完成各項夜間任務[54-55]。

綜上所述，這2種無線傳能技術均有應用至臨近空間太陽能無人機的可能性。對比2種技術發現，激光無線傳能方式的指向性好，有利于臨近空間無人機的能量收集，技術成熟高，但激光在大氣中的傳輸效率較低[41]；微波傳能技術在大氣中傳輸效率近乎100%[41]，但遠距離傳輸時接收系統需要較大的接收口徑，很難在無人機上進行安裝。此外，微波產生的GHz級別的交流電整流技術不成熟也影響了該技術的應用[51-52]。因此，未來完成微波聚集、高頻交流電整流等關鍵技術突破后，微波無線傳能更具潛力。但現階段來看，無人機領域發展激光無線傳能具有著更強的可實施性。總體來看，根據技術進步周期，太陽能無人機的無線傳能技術發展可劃分為2個階段：

1) 前沿探索與可行性論證階段

全面理清未來臨近空間飛行器應用無線傳能技術的技術體系組成，基于無線傳能技術的理論分析、模擬仿真和關鍵技術探索，論證分析激光、微波無線傳能技術的潛在發展空間。針對面向臨近空間的各類應用場景，通過理論建模與探索性科學實驗相結合，依次研究近程(數百米級)、中程(數千米級)、遠程(數千千米級)無線傳能技術理論可行性以及技術可實現性，提出應用至臨近空間太陽能無人機的無線傳能方案與技術發展路線，原理驗證技術方案的可行性。

2) 關鍵技術攻關與系統集成演示階段

激光無線傳能技術：突破高電光效率激光器設計、多光束高效合成、高效率光束擴束與準直設計、高效率光電轉換半導體材料設計與合成、高效率太陽電池器件制備、激光傳輸鏈路識別等關鍵技術，形成傳輸功率千瓦級至百千瓦級、地面及臨近空間傳輸距離1～10 km、傳輸效率10%～20%的中遠距離激光傳能能力，形成激光傳能系統整機的批量制造生產能力。

微波無線傳能技術：突破聚焦發射陣列天線技術、大功率發射天線陣列設計、高效率電磁表面接收、高性能二極管設計與制造、高效率整流電路設計以及通信系統頻率干擾解決方案等關鍵技術，形成傳輸功率千瓦級至兆瓦級、傳輸距離(地面-臨近空間、臨近空間-臨近空間)5～20 km、系統傳輸效率20%～30%的微波無線傳能能力。

2.2 能源系統管理高效化

目前，太陽能無人機能源系統仍不能很好地兼顧能量平衡、功率平衡、重量平衡三方面要求，嚴重制約著能源控制系統性能的提高。在臨近空間太陽能無人機實際運行過程中，為保證能源系統對多種載荷用電需求的支持，控制系統中不得不大量增加導線、變流器、儲能電池等設備的數量，由此造成系統整體重量增加，降低了系統效率[56-59]。具體來說，現有能源控制系統存在如下缺點：① 太陽電池陣、儲能電池布局尺度大，載荷種類多樣且安裝位置分散，導致電力傳輸線距離過長，線路損耗大；② 光照條件的不確定性導致充放電過程難以預測，儲能電池特性各異導致多次充放電后電池不一致性增加，放電深度降低，供電能力下降；③ 過多的電池放電安全余量、大量的直流變流器單元增加了能源系統的重量，降低了飛行器的有效載荷，同時對電池供電能力提供了更高要求，二者相互制約。

為解決上述能源控制問題，提升能源系統的效率，首先進行太陽能無人機在復雜工況下的系統運行模式分析，其次進行能源系統的優化設計，建立系統的拓撲模型和能流模型，以能量平衡及能流高效為優化目標，分析多目標優化問題，在線求解，智能調度。最后，圍繞軟件控制策略完成能源系統硬件設計制造。具體實現方法如下：

1) 復雜工況下的系統運行模式分析

在時間尺度上，每一時刻點的控制目標是供需功率平衡，全天時間尺度上系統控制目標是能量平衡，但在實際運行時載荷需求引入的擾動，太陽電池陣全天發電能量的不均衡性，儲能電池蓄電能力和充放電倍率約束均會使這2個控制目標無法兼顧，造成有些時段、有些模塊能量吃緊無法充電，而有些時段還可能出現能量過剩儲能電池無法吸收的現象。所以，應研究合理的能量調度規則在滿足系統功率平衡前提下均衡充/放電，使系統運行效率達到最高，這樣在整個白天這個尺度上系統的控制目標是儲能電池組以大致相同的速度充滿電來實現能量平衡，為夜間工作做好準備。同理，在整個夜晚這個尺度上系統控制目標是儲能電池以大致相同的速度放電，以基本一致的狀態迎接第2天的充電過程。而功率平衡作為整個控制過程的約束條件，關鍵研究點包括多個體系統協同控制技術、執行器飽和情況下的儲能單元均衡充放電技術以及功率網關系統的構建。

2) 系統控制模型的建立及其控制方法

能源系統建模過程為首先建立能源系統的靜態連接模型，結合圖論的拓撲變換方法后，確定多元發電及用電結點之間的靜態網絡聯絡模型。之后，建立能源系統的動態能流模型，研究數據與機理融合建模方法。最后，建立微觀導納模型與宏觀能流動力模型，為能源系統的智能調度提供方法論。

結合太陽能無人機發電單元、儲能單元、用電單元的關系以及大尺度臨近空間無人機的特點，其能源系統控制模型應構建為多個體系統，采用分布式協同控制方法實現各個模塊間的協同工作，進而達成系統均衡與能量供需平衡的控制目標。分布式協同控制策略不需要獨立的決策和控制中心對每個結點單元進行控制，而是每個結點單元通過局部信息交互獨立地實現周圍一定區域內的結點協同工作，依賴覆蓋所有結點的網絡連通性將網絡內的全部結點有機地聯系起來，實現全網絡的協同。

3) 控制系統硬件構建原則

太陽能無人機能源控制系統硬件應以運行可靠性、配置靈活性、負荷匹配、輕質化等為準則，通過理論研究、軟件仿真、半實物模擬等途徑，研究遵循“模塊組合、分層布置、分區供電、跨區調度、智能自治”設計理念的拓撲結構和工程實現方法。

2.3 能源載荷一體化

臨近空間太陽能無人機利用其高空低速性能容易實現通訊中繼、電子偵測等功能，這些應用都離不開大口徑、高性能天線。傳統天線由于太陽電池陣的屏蔽作用在安裝時必會擠占能源系統安裝面積，使能源系統與載荷系統都無法達到最優，且突出的天線還會破壞無人機的氣動外形影響升阻比，降低氣動效率。針對這一問題，未來的解決方案是采用平面陣天線技術為基礎將太陽電池陣與天線陣一體化。如圖9所示，近年來國內外學者針對光伏天線展開了廣泛研究，主要分為以下幾類：① 間隙型光伏天線；② 貼片型光伏天線；③ 集成太陽翼的平面反射陣天線；④ 透明太陽能平面反射陣天線；⑤ 超材料光伏天線；⑥ 偶極子光伏天線[60-67]。

就當前研究現狀來看，光伏陣列和天線陣列結構一體化研究已經較為廣泛，出現了多種結構形式。但大部分設計都將太陽電池作為反射板使用，天線和饋電結構需要單獨加工，無法實現太陽電池和天線真正的融合，不僅產生了額外費用，也增加了系統復雜度和不穩定性。僅有少數研究開始嘗試將太陽電池作為天線輻射主體使用，但是這種新型設計處在起步階段，相關技術仍處于學術研究階段，也沒有充分考慮實際應用中太陽能發電系統和天線系統的兼容性問題。因此，結合太陽能無人機的特點，光伏天線未來發展的關鍵技術可分為如下3點：

1) 解決太陽電池的微波交流等效電路模型缺失的科學問題。通過研究太陽電池的多層結構，特別是外延層在微波頻段下的電導率和損耗等電磁特性分析，以及太陽電池對有無光照條件下不同交流等效電路模型的差異，明確太陽電池作為微波天線主要輻射結構的可行性問題。

2) 解決太陽電池和微波天線一體化設計的可行性問題。未來可采用現有太陽電池作為天線的輻射主體，實現太陽電池和微波天線的結構/功能一體化。

3) 解決太陽電池和微波天線的交流和直流信號電磁兼容性問題。現有一體化光伏天線面臨的關鍵問題是如何解決太陽電池直流端口和微波端口的相互耦合問題，未來可提出一種采用表面封裝器件的低成本濾波器電路設計方案來解決交直流電路的兼容性問題。

圖9 光伏天線的組成類型Fig.9 Composition type of photovoltaic antenna

3 結 論

作為探索臨近空間領域的新興飛行器，太陽能無人機有良好的發展前景，其能源系統仍制約著太陽能無人機的航時及可靠性，以致于現階段仍無法使其大范圍應用工程。現階段太陽能無人機能源系統的主要關鍵技術及發展趨勢如下：

1) 儲能電池技術暫時無法滿足需求且技術發展遇到瓶頸，能源系統可利用體積、面積受制約，分布式能源系統能流調度策略匱乏不具備智能性是目前中大型太陽能無人機能源系統的發展瓶頸。

2) 能量獲取多元化、能源系統管理高效化、光伏與天線載荷一體化是未來臨近空間太陽能無人機能源系統的發展趨勢。