太陽能無人機電源的應用

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，近年來發展較為迅速，而電源技術作為其中一項關鍵技術，也得到了較大發展。本文將針對太陽能無人機系統的整體結構和各個構成模塊進行分析，并簡要介紹了其未來的發展趨勢。

關鍵詞： 太陽能無人機；電源

【中圖分類號】 E926.3 【文獻標識碼】 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化為電能的無人機，由于其在災害發生時可中繼通信、可長時間檢測極端天氣、可到達核爆現場采樣、可長時間進行軍事偵察等方面具有極大優勢，近些年來收到世界各國的關注，并有了極大的發展。太陽能電源作為無人機的供電系統，其性能好壞直接影響到無人機效能，是無人機系統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，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、電源整體結構

它的電源系統由太陽能電池板、儲能蓄電池和電源管理系統組成。其中太陽能電池板屬于發電裝置，一般由數個電池板通過各種組態形成陣列；但是，由于光強、溫度、飛行狀態等條件的變化，會影響太陽能電池的工作狀態，所以需要電源管理模塊對發電狀態進行管理，使其工作在最佳狀態；當發電量過剩的時候，可通過儲能系統（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化效率較高，實驗室最高效率超過20%，其功率質量比也較高，可達455W/kg，高效率和輕質的特性比較適合在無人機上的應用，但是其制作工藝和原材料成本較高，導致其電池價格居高不下，制約了在無人機上的大規模使用。多晶硅價格較為低廉，但是能量轉化效率較低，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，具有較大的應用前景，。美國聯合太陽能Ovonic公司的電池效率達到12%，功率質量比超過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，異質襯底和多節級聯的砷化鎵電池正逐步取代普通砷化鎵電池，多節級聯砷化鎵電池的理論研究效率超過40%，其已經應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、較為穩定等特點，利用柔性襯底薄膜技術可增強其抗輻射性和功率質量比，但是從現階段看來，制備復雜制約了它的商業化應用，主要還只是應用于航天器上[2]。

2.儲能系統。

儲能系統主要由蓄電池構成，其質量在飛機總質量中的占比很高，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、大規模鋰電池等。

鋰離子電池充放電循環性好、能量比高，且輕便易維護，但是一旦出現過充電會生成鋰單質從而產生安全隱患。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定性較差[4]。

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

3.電源管理系統。

太陽能電池在高空中環境條件相對惡劣，不同季節、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，需要電源管理系統對太陽能電池板狀態和負載狀態進行實時監控和調節，通過蓄電池充放電對供需狀態進行平衡，為電機系統、通訊系統和控制系統等模塊穩定供電，同時讓太陽能電池工作在最佳效率狀態。由于太陽能電池板陣列分布面積較大，數量較多，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。電源管理系統需要對整體負載進行集中配電和監控管理，針對不同供電電壓，采用就近原則進行電平轉換，一般可利用DC-DC轉換器實現。國內某研究所研制的電源管理器可連續3小時輸出大于600W的平均功率，且負載切換不會影響系統正常運行，整體MPPT（最大功率點跟蹤）轉換效率大于97%[5]。

三、未來發展趨勢

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

總結

電源技術已作為一項關鍵技術影響著太陽能無人機的發展，其中，太陽能電池組、儲能系統和電源管理系統作為它的各個子模塊，其優劣也影響著整體性能，設計人員在設計各個模塊的時候要充分考慮到其應用需求，讓各個模塊穩定、高效、協調的運行，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的發展現狀與展望[J]. 電源技術， 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， 2002（5）：18-21.

[4] 皮華濱， 王傳新， 汪建華，等. 鋰硫電池的研究現狀與展望[J]. 電池， 2009， 39（2）：113-115.

[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計[J]. 電子工業專用設備， 2017（3）：45-50.