太陽能飛行器能源系統綜合實驗設計

朱炳杰 楊希祥 鄧小龍 麻震宇

摘 ?要：太陽能飛行器是實現臨近空間持久駐空的重要平臺，通過對太陽能的循環獲取、綜合利用實現高空長航時飛行。能源系統設計是制約太陽能飛行器發展的核心因素。在當前研究生教學實踐中，從專業特點、技術需求及創新型人才培養等方面出發，結合太陽能飛行器能源系統設計，開展研究實驗教學的具體流程及效果評估。實踐表明：綜合實驗設計的教學方式可以加深學生對理論知識的掌握，還可以激發學生設計臨近空間飛行器的熱情，提高學生在飛行器研究方面的創新能力和工程實踐能力。

關鍵詞：太陽能飛行器 ?能源系統設計 實驗教學 綜合實驗設計

中圖分類號：TK514 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）04（b）-0004-05

Comprehensive Experimental Designing of Solar Powered Aircraft Energy System

ZHU Bingjie ?YANG Xixiang ?DENG Xiaolong ?MA Zhenyu

（College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan Province， 410073 ?China）

Abstract： Solar powered aircraft is an important platform for near-space enduring station-keeping， it can accomplish high-altitude and long-endurance flight by means of circular obtaining solar energy and comprehensive utilization. The design of energy system is the core factor among all that restrict the development of solar powered aircraft. In the current educational practice for the training of postgraduate， based on the specialty， technology requirements and innovative talents training， combining the design of energy system for solar powered aircraft， the exact process and effect evaluating for experiment teaching are carried on in this paper. It is shown that the teaching method of comprehensive experimental designing can help students to solidify their professional knowledge， enhance their study enthusiasm for near-space aircraft design， and improve their innovation ability and engineering practice ability in aircraft research.

Key Words： Solar powered aircraft; Design of energy system; exper1imental teaching; Comprehensive experimental designing

臨近空間作為人類繼陸、海、空、天之后，進一步拓展和利用的自然環境之一，對促進新的空間資源探索和經濟產業發展具有重大意義。以太陽能飛行器為代表的臨近空間超長航時飛行器，駐空時間長久、飛行高度適中、覆蓋范圍寬廣、軍民用途極其廣泛，被稱為“平流層衛星”，已成為各軍事強國和商業巨頭競相發展的重大前沿方向[1-2]。

太陽能飛行器持久駐空飛行產生的能源短缺問題，是當前嚴重制約該技術發展應用的瓶頸之一。太陽能飛行器在駐空過程中主要依靠太陽電池獲取能量，分析和計算太陽電池陣列的產能、儲能電池充放電、能源分配，對優化太陽能飛行器能源系統設計、提高駐空飛行時間具有十分重要的意義[3-5]。

本文根據臨近空間太陽能飛行器設計的原理和特點，結合國防科技大學航空宇航科學與技術專業的研究生人才培養計劃[6]，以臨近空間太陽能飛行器總體設計為牽引，設計了“太陽能飛行器能源系統綜合實驗設計”實踐課程。通過給定技術指標的能源系統總體設計實踐，結合系統仿真設計實驗，提高研究生工程素養，拓展學生的知識面，培養學生理論聯系實際的能力以及團隊協作的意識。

1 ?實驗基本原理

臨近空間太陽能飛行器能源系統是指由太陽電池陣、蓄電池組及能源管理系統等構成，具備能源產生、傳輸、轉換、存儲、管理和配置等功能，并為滿足特定任務載荷需求，而能夠持續提供穩定功率的能源系統。利用太陽能實現再生循環能源的系統組成，一般包括薄膜太陽電池或其他輕薄太陽電池的陣列系統、鋰離子蓄電池組（也可是其他元素體系蓄電池組）或再生燃料電池（部分配備其他輔助電池作為啟動電源）、能源管理系統（可含配電器等）、傳輸電纜網等組成。臨近空間太陽能飛行器能源系統的工作原理如圖1所示[1]。

在白天光照期間，由太陽電池陣進行太陽輻照的光電轉換，對平臺和有效載荷提供所需能量，并在功率富裕狀態下，為儲能系統進行充電，以滿足夜晚無能量產生狀態下的功率需求;在夜晚由于無外部能量注入，只能通過儲能電池系統放電作為直接能量，對飛行器進行平臺和載荷的供電;此外在朝夕期，由于太陽輻照強度較弱，太陽電池系統發電有限，只能通過與儲能電池放電進行聯合供電，共同為系統提供能量。通過上述模式和過程，能源系統實現為整個太陽能飛行器提供不間斷能量，滿足系統晝夜工作要求。

2 ?仿真軟件基本架構

2.1 模型設計

作為能源供給系統，太陽電池、鋰電池需要滿足能源管理系統在任意飛行時刻的功率調度需求，此外，存在重量限制以及鋰電池不能過充和過放，因此能源系統的設計問題歸結為優化問題。問題描述如下：

（1）

上式中，、分別為太陽能電池的數量和質量，、分別為鋰電池的數量和質量，相應的約束條件為：

（2）

其中，、分別為能源系統當前時刻t提供和需求的能量，為飛艇結束飛行任務時的時刻，也就是飛艇的駐空時間，SOC為儲能電池的荷電狀態，是確定的任務需求功率，表示飛行剖面的航跡信息。

、SOC（t）是能源系統耦合匹配的參數，由太陽電池系統和儲能電池系統在動態功能過程中共同確定，是根據真實的飛行數據建立需求功率的統計模型，本次實驗的目的是確定、。

2.2 仿真軟件架構

太陽能飛行器能源系統實驗主要是通過仿真軟件平臺完成。在能源系統模型的基礎上，對仿真軟件進行了設計，基本的設計思路為：采用確定性的能源系統拓撲結構、理想的太陽能電池MPPT（Maximum Power Point Tracking）管理器，能源管理系統以簡單的能源管理邏輯單元代替，動態工況采用統計性的需求功率譜和典型的飛行剖面進行模擬。通過上面的系統處理，最終確定能源系統應當采用的太陽能電池的數量和鋰電池的數量，以此建立能源系統設計的約束條件。

仿真平臺對上述能源系統拓撲架構、太陽能電池管理與驗證技術的支持，可以簡單通過動態工況下耦合仿真模塊的替換來實現，主要是在MATLAB中進行編程實現。針對太陽能電池和鋰電池的拓撲架構設計的仿真分析，軟件結構如圖2所示。

能源系統的設計是一個不斷更新迭代的過程，仿真平臺可以檢驗能源系統設計的可行性，同時可結合實際的飛行試驗數據，對仿真平臺進行更新，使之更符合真實系統的運行狀態。圖2展示了仿真平臺驗證太陽能電池、鋰電池的拓撲結構設計的過程。同時，結合飛行剖面中的時刻、經緯度、高度、溫度等實際飛行數據，對相應的太陽輻射模型、熱平衡模型等仿真模塊進行修正，獲取更真實的仿真計算結果。

3 ?實驗過程及結果分析

3.1 實驗參數設計

根據能源系統組成，可對太陽電池系統、儲能電池系統等基本分系統參數進行設置，如表1所示。

表1中，太陽電池組件數和儲能電池模塊數需結合優化計算模型在軟件平臺進行計算驗證，由能源系統的運行狀態判斷結果是否滿足設計需求。

3.2 實驗結果分析

在太陽電池系統仿真軟件界面中輸入表1所示太陽電池系統參數，結合試驗數據，運行仿真軟件，獲取結果如圖3所示。

由圖3可看出，太陽電池系統產能的仿真結果與試驗結果誤差在10%以內，考慮到飛行器在飛行過程中姿態角變化（主要是偏航角的變化）對太陽電池發電性能的影響，以及測量系統的誤差，認為太陽電池仿真模型具有較高可信度，可以作為后續能源系統仿真的能源輸入模型。

在能源系統仿真軟件界面中輸入表1所示太陽電池系統、儲能電池系統參數，結合試驗數據，運行仿真軟件，獲取結果如圖4所示。

由圖4中蓄電池荷電狀態曲線圖可知，隨著太陽輻照的增強，太陽電池的產能增加，儲能電池開始充電;結合負載功率曲線變化，隨著系統能耗功率增加，太陽電池系統與儲能電池系統進入聯合供電狀態，可完全滿足飛行過程中負載功率需求。

通過仿真參數設置與仿真計算，對能源系統太陽電池、儲能電池的數量進行了求解驗算。以動態過程仿真結合實際飛行數據的方式，對能源系統的運行進行了數據演示，清晰地顯示了各分系統的狀態變化。在增大負載功率需求的條件下，對太陽電池、儲能電池的聯合供電能力進行了仿真，能源管理系統的設計滿足飛行過程的能源調配需求。

在本實驗的基礎上，學生可通過自行設置能源系統參數，選擇合適的飛行器并計算出飛行過程中的功率消耗，在仿真軟件平臺進行分析，對設計的能源系統進行動態仿真，為實際工程設計獲取必要的參考。

4 ?結語

本文提出的太陽能飛行器能源系統綜合實驗以解決實際工程應用問題為課程目標，結合理論知識點和創新實踐應用，通過設計目標的數學建模、軟件編程計算求解，引導學生以應用為中心，理論與實踐結合，重點突出，適度外延，打牢基礎與緊貼實用并重。充分鍛煉學生的工程設計、問題歸納、仿真計算、結果優化等能力，為學生結合前沿科技應用、充分運用所學理論知識解決重大工程問題提供鍛煉環境。實踐結果證明：以專業必修課的形式開展臨近空間飛行器總體設計與實驗課程，不僅幫助學生加深對飛行器設計理論知識的掌握，還可以激發學生設計臨近空間飛行器的熱情，提高學生在飛行器研究方面的創新能力和工程素養。本課程可以為研究生未來從事臨近空間飛行器設計與試驗提供專業技術知識，提高臨近空間裝備應用技能。

參考文獻

[1] 朱炳杰，楊宇丹，楊希祥，等.太陽能飛行器能源晝夜閉環仿真分析[J].宇航學報，2019，40（8）：878-886.

[2] Yu Huang， Honglun Wang， Peng Yao. Energy-optimal path planning for Solar-powered UAV with tracking moving ground target [J]. Aerospace Science and Technology，2016（53）：241-251.

[3] 張德虎，張健，李軍府.太陽能飛機能量平衡建模[J].航空學報，2016，37（S1）：16-23.

[4] 楊宇丹，朱炳杰，郭正，等.太陽能無人機能源系統參數的敏度分析[J].上海交通大學學報，2020， 54（10）：1045-1052.

[5] Mingyun Lv， Jun Li， Huafei Du， et al. Solar array layout optimization for stratospheric airships using numerical method [J]. Energy Conversion and Management， 2017，135（2017）：160-169.

[6] 鄧小龍，楊希祥，朱炳杰，等.國內外本科全程導師制實踐研究與對比研究[J].大學教育，2020（6）：44-46.