【正文】 混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)技術(shù)研究項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案1 緒論在能源緊缺的今天,混合動(dòng)力微型無(wú)人機(jī)是我國(guó)航空工業(yè)研究熱點(diǎn)，這主要因?yàn)榛旌蟿?dòng)力微型無(wú)人機(jī)不需要攜帶大量沉重的能源，這對(duì)長(zhǎng)時(shí)間地不間斷工作，資源調(diào)查以及環(huán)境監(jiān)測(cè)和交通管理等用途有重大作用。本課題通過(guò)對(duì)混合動(dòng)力微型無(wú)人機(jī)的能源動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行一些探索，嘗試性的解決無(wú)人機(jī)上動(dòng)力不足、太陽(yáng)能利用效率不是很高和能源管理方面等一些技術(shù)難題。 微型無(wú)人機(jī)研究的意義微型無(wú)人機(jī)是我國(guó)探測(cè)地質(zhì)災(zāi)害、進(jìn)行氣候預(yù)測(cè)和國(guó)家航空防御的重要手段之一，它可以有效地幫助提高我國(guó)的空中軍事防御技術(shù)，而且對(duì)民用化方面也會(huì)起到很重要的作用。（一）洪澇、森林火警及地震災(zāi)害等方面的監(jiān)測(cè)調(diào)查最近一段時(shí)間，我國(guó)發(fā)生了較多的自然災(zāi)害，如果這些自然災(zāi)害發(fā)生在地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的地區(qū)或者洪澇等性質(zhì)的災(zāi)害，救援人員往往不能及時(shí)地到達(dá)災(zāi)區(qū)展開(kāi)救援，這就需要運(yùn)用微型無(wú)人機(jī)對(duì)受災(zāi)地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)反饋，以便救援人員據(jù)此采取相關(guān)的應(yīng)急策略。且同時(shí)微型無(wú)人直升機(jī)還可以用來(lái)檢測(cè)森林火災(zāi)大致情況，在沒(méi)有森林沒(méi)有發(fā)生火災(zāi)的情況下，微型無(wú)人機(jī)同時(shí)還可以方便地巡視監(jiān)測(cè)森林的植被，來(lái)預(yù)測(cè)估算森林中的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、含氫量等；在森林發(fā)生火災(zāi)時(shí)，也可以利用無(wú)人機(jī)對(duì)災(zāi)情進(jìn)行評(píng)估，以及火災(zāi)造成的影響。我國(guó)汶川大地震時(shí)，受災(zāi)地區(qū)情況比較嚴(yán)重，道路又堵塞，救援人員又無(wú)法第一時(shí)間就趕到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)施救援，那時(shí)國(guó)家中科院就利用了微型無(wú)人機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，在外部天氣條件極其惡劣，道路設(shè)施嚴(yán)重?fù)p壞的情況下，微型無(wú)人機(jī)深入到受災(zāi)地區(qū)進(jìn)行了細(xì)致的探測(cè)，收集了大量的災(zāi)區(qū)信息，為及時(shí)開(kāi)展有效的搶救以及保護(hù)人們的生命安全提供了及其重要的保證。在某些污染比較嚴(yán)重的地區(qū)及一些氣候條件比較惡劣的條件下，救援人員直接執(zhí)行任務(wù)是很危險(xiǎn)的，此時(shí)就可以利用微型無(wú)人機(jī)來(lái)對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣就可以在一定程度上保證任務(wù)的順利進(jìn)行。（二）微型無(wú)人機(jī)在我國(guó)軍事領(lǐng)域方面的主要應(yīng)用近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)的發(fā)展,無(wú)人機(jī)技術(shù)已成為軍事領(lǐng)域很重要一部分。因?yàn)槲⑿蜔o(wú)人擁有的最大特點(diǎn)就是無(wú)需人類(lèi)駕駛，所以在執(zhí)行一些比較危險(xiǎn)的任務(wù)時(shí)利用微型無(wú)人機(jī)就不必?fù)?dān)心出現(xiàn)人員傷亡情況，深多國(guó)青睞，甚至還有還有許多國(guó)家覺(jué)得在將來(lái)微型無(wú)人機(jī)的發(fā)展水平會(huì)一定程度上決定一個(gè)國(guó)家的空中軍事水平。（三）微型無(wú)人機(jī)在空中格斗以及空中偵察方面的應(yīng)用目前微型無(wú)人機(jī)的發(fā)展情況都已經(jīng)受到多個(gè)國(guó)家的高度重視，大大支持在微型無(wú)人機(jī)方面的相關(guān)技術(shù)的研究，所以說(shuō)，我們不僅要大發(fā)展自身微型無(wú)人機(jī)水平，同時(shí)也要積極研究攻擊微型無(wú)人機(jī)方面的技術(shù)，這樣才能有效克服微型無(wú)人機(jī)反導(dǎo)彈能力強(qiáng)、攔截殘骸損害防衛(wèi)目標(biāo)以及攔截距離較近的缺點(diǎn)，避免敵方微型無(wú)人機(jī)得到主動(dòng)權(quán)，以便在較遠(yuǎn)位置摧毀敵方導(dǎo)彈，有效地保護(hù)國(guó)家的防衛(wèi)系統(tǒng)，使之不受破壞。由于微型無(wú)人機(jī)體型較小，比較容易隱蔽，所以在未來(lái)的國(guó)家戰(zhàn)爭(zhēng)中可以大規(guī)模的使用，這樣可以對(duì)敵方進(jìn)行毫無(wú)防備進(jìn)攻。（四）微型無(wú)人機(jī)在航空監(jiān)測(cè)方面主要應(yīng)用目前，我國(guó)的微型無(wú)人機(jī)是較為特殊的攝影測(cè)量?jī)x之一，它的組成機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，技術(shù)含量也較高，在多個(gè)領(lǐng)域均有運(yùn)用，假使在進(jìn)行航空測(cè)繪是要使用無(wú)人機(jī)，就必須精心地挑選無(wú)人機(jī)的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)，待選定了合適的材料及型號(hào)后，才可可進(jìn)行下一步的研究以及開(kāi)發(fā)。目前我們國(guó)家進(jìn)行航空攝影以及測(cè)量的微型無(wú)人機(jī)有具有固定機(jī)翼的，主要用于地面面積的測(cè)量與計(jì)算以及把地塊邊界進(jìn)行數(shù)字化處理方面。微型無(wú)人機(jī)在進(jìn)行航空測(cè)繪時(shí)，它的運(yùn)行成本相對(duì)其它手段來(lái)說(shuō)較低而它本身且具有非常大的靈活性，所以，微型無(wú)人機(jī)在將來(lái)會(huì)成為航空測(cè)繪方面的重要工具。 研制混合動(dòng)力無(wú)人直升機(jī)的意義在21世紀(jì)，太陽(yáng)能混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)的產(chǎn)生是大勢(shì)所趨。一方面，人類(lèi)對(duì)能源的需求總量也越來(lái)越大，而目現(xiàn)有的能源又日比一日緊張。而太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)特別大，因此挖掘太陽(yáng)能的潛力已經(jīng)成為當(dāng)下能源工業(yè)的一種趨勢(shì)。而另一方面來(lái)，目前現(xiàn)有的五花八門(mén)的吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)如果在飛機(jī)飛升到一定高度情況時(shí)，由于高空上的空氣稀薄，空氣浮力比低空下，這使得飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率需求更高，飛機(jī)載油量增大；而高空中的空氣相對(duì)稀薄很多，含氧量大大降低，所以離地面越高，發(fā)動(dòng)機(jī)功率就將越小，最終會(huì)導(dǎo)致吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)在續(xù)航能力方面和飛行高度方面上都受到制約。而以太陽(yáng)的太陽(yáng)能為動(dòng)力的無(wú)人直升飛機(jī)，采用太陽(yáng)能電池把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)力，受高空空氣稀薄的因素的影響微乎其微，在高空中，太陽(yáng)能輻射卻越充足，從而飛機(jī)的動(dòng)力將會(huì)變得越強(qiáng)。由于太陽(yáng)能電池可把白天過(guò)剩的能量轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)，在晚上沒(méi)有太陽(yáng)輻射時(shí)繼續(xù)為飛機(jī)提供動(dòng)力，因此它的續(xù)航能力較吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)來(lái)說(shuō)大大地得到了加強(qiáng)，甚至可飛行長(zhǎng)達(dá)半年之久，這比吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)就擁有更多的優(yōu)勢(shì)。 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)新能源被譽(yù)為二十一世紀(jì)五大技術(shù)領(lǐng)域之一太陽(yáng)能是集清潔，高效和永不衰竭于一身的新能源，不管從資源的數(shù)量、分布的普遍性，還是從清潔性，技術(shù)的可靠性來(lái)看，都比其他任何資源更具優(yōu)越性。世近幾年，國(guó)際上太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，美國(guó)，歐洲及日本先后制定了龐大的太陽(yáng)能發(fā)展計(jì)劃，中國(guó)也將太陽(yáng)能列為重點(diǎn)扶持產(chǎn)業(yè)。在我們國(guó)家,日照時(shí)數(shù)在2200小時(shí)以上地區(qū)超過(guò)2/3，具有良好的開(kāi)發(fā)條件和應(yīng)用前景。太陽(yáng)能飛行器作為太陽(yáng)能應(yīng)用發(fā)展和研究的重要方向之一，擁有非常大的發(fā)展空間和潛力。特別是微型無(wú)人直升機(jī)在實(shí)際應(yīng)用方面擁有許多固定翼微型飛機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。軍事方面：微型無(wú)人直升機(jī)可以在各種復(fù)雜地形貼近目標(biāo)實(shí)施偵察，尤其是對(duì)偵察衛(wèi)星軍用偵察機(jī)或人員無(wú)法到達(dá)的地勢(shì)險(xiǎn)要地區(qū)進(jìn)行偵察，由于微型直升機(jī)特有的懸停功能和隱蔽特點(diǎn)，還可以部署到適當(dāng)位置，充當(dāng)固定的不被注意的地面?zhèn)鞲衅?，并把信息傳送回?lái)；民用方面：微型無(wú)人直升機(jī)可用于生物和化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)，交通監(jiān)視和城市情報(bào)收集以及野外搜救等。而目前市面上見(jiàn)到的微型無(wú)人直升機(jī)多為單一電池供電。由于電池儲(chǔ)能有限，導(dǎo)致微型無(wú)人直升機(jī)續(xù)航能力不足，若單純采用太陽(yáng)能，則該微型無(wú)人直升機(jī)的供電需要較大體積的太陽(yáng)能板，很難不超出該飛行器載重能力，亦不可行。而本太陽(yáng)能混合動(dòng)力微型無(wú)人直升機(jī)采用太陽(yáng)能與蓄電池混合動(dòng)力較好地提高了飛機(jī)續(xù)航能力，并且清潔環(huán)保，無(wú)環(huán)境和噪音污染，也便于日常維護(hù)保養(yǎng)，具有很大的實(shí)用和研究?jī)r(jià)值。 研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案 課題主要研究?jī)?nèi)容(1)首先研究系統(tǒng)的核心元件—光伏裝置的電氣特性。電氣特性通常由電流和電壓曲線即IV曲線進(jìn)行描述,將曲線的電壓和電流對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)進(jìn)行相乘得到就是其功率曲線(PI和PV曲線),要注意的是光伏電池是非線性元件。(2)。傳統(tǒng)控制器大多是太陽(yáng)能電池板通過(guò)二極管直接對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,不但充電時(shí)能源有效利用率低,對(duì)其壽命影響大。(3)、科學(xué)地使用蓄電池,對(duì)提高蓄電池的使用效率、蓄電池的充電效率、延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命都十分關(guān)鍵。在對(duì)蓄電池進(jìn)行智能充放電管理時(shí),還必須考慮蓄電池端電壓隨溫度漂移的溫度智能補(bǔ)償才能實(shí)現(xiàn)精確控制蓄電池的過(guò)充和過(guò)放,延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。此外系統(tǒng)集完成時(shí),由于蓄電池智能充電策略以及MPPT最大功率跟蹤算法,能夠在最大限度提升太陽(yáng)能電池板功率輸出的同時(shí),延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。 研究方案一個(gè)典型的光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)主要包括光伏陣列、蓄電池、控制器、以及其它電氣設(shè)備等器件。光電陣列由半導(dǎo)體單晶硅或多晶硅構(gòu)成，它能產(chǎn)生光伏效應(yīng)，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。利用光伏效應(yīng)特性，半導(dǎo)體材料的光伏陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能。蓄電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。由于光伏陣列只能在有太陽(yáng)光照射的時(shí)候提供能量，為了保證在間斷的無(wú)光照情況下系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，系統(tǒng)中需要有蓄電池一類(lèi)的儲(chǔ)能單元?？刂破魇枪夥l(fā)電系統(tǒng)的核心部件，它對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)起著控制和保證其正常運(yùn)行的作用。目前光伏系統(tǒng)中的控制器種類(lèi)很多，根據(jù)控制策略不同又分為兩點(diǎn)式、多路順序式、智能式、最大功率跟蹤式等等。 目標(biāo)及主要特色 目標(biāo)采用太陽(yáng)能電池板與蓄電池混合供電，并且可根據(jù)蓄電池電量情況自動(dòng)給電池充電，從而較好地延長(zhǎng)直升機(jī)續(xù)航時(shí)間，更加環(huán)保節(jié)能，作為太陽(yáng)能與蓄電池混合動(dòng)力，一方面可以彌補(bǔ)蓄電池儲(chǔ)能不足的缺陷，讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過(guò)充、過(guò)放，延長(zhǎng)其使用壽命，降低成本。另一方面又可避免目前太陽(yáng)能電池板光能利用率較低，面積過(guò)大，成本高昂的問(wèn)題，在航模玩具，航拍，勘測(cè)，搜救，教學(xué)演示等方面具有非常好的應(yīng)用發(fā)展前景。目前市面上見(jiàn)到的微型無(wú)人直升機(jī)多為單一電池供電。由于電池儲(chǔ)能有限，導(dǎo)致微型無(wú)人直升機(jī)續(xù)航能力不足，若單純采用太陽(yáng)能，則該微型無(wú)人直升機(jī)的供電需要較大體積的太陽(yáng)能板，很難不超出該飛行器載重能力，亦不可行。而本太陽(yáng)能混合動(dòng)力微型無(wú)人直升機(jī)采用太陽(yáng)能與蓄電池混合動(dòng)力較好地提高了飛機(jī)續(xù)航能力，并且清潔環(huán)保，無(wú)環(huán)境和噪音污染，也便于日常維護(hù)保養(yǎng)，具有很大的實(shí)用和研究?jī)r(jià)值。 創(chuàng)新點(diǎn)根據(jù)蓄電池電量情況自動(dòng)選擇切換供電模式，延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。推廣節(jié)能、環(huán)保理念。2 太陽(yáng)能電池的特性和應(yīng)用 前言 太陽(yáng)能電池能夠?qū)⑻?yáng)的輻射光由半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?此光電轉(zhuǎn)換過(guò)程通常叫做“光伏效應(yīng)”,因此太陽(yáng)能電池又稱(chēng)為“光伏電池”,它是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。 太陽(yáng)能電池特性前文講述了光伏電池光電轉(zhuǎn)換的工作原理，這部分將講述光伏電池的物理構(gòu)造。通常，光伏電池包含頂部連接、一到兩層的抗反射層、N 型發(fā)射層、P 型基極層和底部連接幾個(gè)部分。頂部連接用來(lái)收集來(lái)自發(fā)生層的電流同時(shí)與外部電路相連。但是在實(shí)際應(yīng)用在，光伏電池還含有總線連接部件和固定部分。光伏電池的抗反射層用來(lái)減少光的發(fā)射，如此一來(lái)，就能最大限度的利用進(jìn)入到光伏電池的太陽(yáng)光，從而使光電轉(zhuǎn)換最大化。采用抗反射層的主要目的是為了提高光伏電池的輸出功率。最常用的抗反射材料是二氧化硅。光伏電池的最要的部分是發(fā)射極層和基極層。上一部分討論的光伏電流的產(chǎn)生原理基本上是靠這個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，發(fā)射極層是光伏電池中含有多數(shù)載流子電子的部分，面積較小。將發(fā)射極層做得足夠的小是為了取得合理的薄皮電阻率值，通常厚度為 2μm左右。 太陽(yáng)能電池的電路模型 當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí),光生電流I不隨光伏電池的工作狀態(tài)發(fā)生變化,因此太陽(yáng)能光伏電池在此條件下可以等同為恒流源。如果在太陽(yáng)能光伏電池的兩端接入負(fù)載,太陽(yáng)光所生的電流流經(jīng)負(fù)載,將會(huì)在負(fù)載的兩端產(chǎn)生壓降U。負(fù)載壓降反作用于太陽(yáng)能光伏電池的PN結(jié)上,形成與光生電流I方向相反的電流I。太陽(yáng)能光伏電池板前后表面的電極及材料本身帶有的電阻率,當(dāng)電流流經(jīng)電池板時(shí)就會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板內(nèi)部的串聯(lián)損耗,故電路模型需引入串聯(lián)電阻Rs。Rs的阻值越大,線路損耗越大,太陽(yáng)能光伏電池的能量轉(zhuǎn)化率則越低。在實(shí)際的太陽(yáng)能光伏電池板中,Rs的阻值比較小,一般在歐姆至幾歐姆之間。另外,制造工藝參差不齊可能會(huì)使太陽(yáng)板的金屬電極與邊緣之間在生產(chǎn)制作時(shí)產(chǎn)生微小的劃痕、裂痕。這種由工藝造成的裂痕會(huì)形成漏電,流過(guò)負(fù)載的光生電流則會(huì)減少。因此,電路模型必須引入一個(gè)并聯(lián)電阻R。與串聯(lián)電阻Rs相比較,R的阻值比較大一般在IK歐姆以上。太陽(yáng)能光伏電池的電路模型如圖21所示。圖21 太陽(yáng)能光伏電池等效電路 根據(jù)太陽(yáng)能光伏電池等效電路，由基爾霍夫電流定律KCL可得出電流關(guān)系式： = (21) 其中:流過(guò)負(fù)載的電流；:與光照強(qiáng)度成正比的光生電流；：流過(guò)二極管的電流；：太陽(yáng)能光伏電池的漏電流。（22） (23) ：反向飽和電流（數(shù)量級(jí)一般為A）；q：電子電荷（）； K:波爾茲曼常數(shù)（）；T:絕對(duì)溫度（T=t+273K）；A:PN結(jié)理想因子；：光伏電池串聯(lián)電阻；：光伏電池并聯(lián)電阻。 (24)綜合式（）（）（）得出光伏電池輸出電流、電壓間關(guān)系為： 太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線 根據(jù)經(jīng)典光伏理論，在一定的光強(qiáng)和溫度下，太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線如圖22所示。圖22 太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線 從太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線中可以看出太陽(yáng)能電池既不是恒流源,也不是恒壓源,不可能為負(fù)載提供任意大功率。而太陽(yáng)能電池是一個(gè)非線性的直流電源，輸出電流在一定電壓范圍內(nèi)相當(dāng)恒定,最終在到達(dá)某個(gè)電壓值之后,電流將會(huì)迅速下降至零。太陽(yáng)能電池的在短路時(shí)輸出電流是一個(gè)有限值。太陽(yáng)能電池有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn),工作在最大功率點(diǎn)上時(shí)利用效率才最高。太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線受太陽(yáng)能電池自身的工藝參數(shù)以及外界光照的強(qiáng)度和太陽(yáng)能電池自身溫度等因素的影響,不同的伏安特性曲線可以反映太陽(yáng)能電池在不同環(huán)境條件下工作時(shí)的發(fā)電能力和最佳效率點(diǎn)。圖23,24是一定光照、不同溫度條件下的IV和PV關(guān)系曲線,從圖中可以看出溫度上升會(huì)使太陽(yáng)能電池開(kāi)路電壓下降,太陽(yáng)能電池的輸出功率下降。圖23 不同溫度下的IV關(guān)系曲線圖24 不同溫度下的PV關(guān)系曲線日照強(qiáng)度也在極大程度上影響太陽(yáng)能電池的輸出電流。圖25和圖26表示了在一定溫度、不同光照強(qiáng)度下的IV和PV關(guān)系曲線。 圖25 不同光照強(qiáng)度下的IV關(guān)系曲線圖26 不同日照強(qiáng)度下的PV關(guān)系曲線從圖中可以看出：1）隨著光照強(qiáng)度的增加太陽(yáng)能電池的短路電流增大，輸出功率也增大。太陽(yáng)能電池的短路電流隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增強(qiáng)而變大,兩者近似為正比關(guān)系。在最大功率點(diǎn)之前,當(dāng)太陽(yáng)能電池板輸出電壓逐漸增大時(shí),其輸出電流將緩慢減小