【文章內(nèi)容簡介】 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 2 垂直于太陽光方向 1 m2面積上接收到的太陽能平均有 1000W 左右；若按全年日夜平均，則只有 200W 左右。而在冬季 這一數(shù)字大致只有一半，陰天更是 只有 1/5 左右，這樣的能流密度是很低的。因此，在利用太陽能時，想要得到一定的轉(zhuǎn)換功率，往往需要面積相當大的一套收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備，造價較高。 (2)不穩(wěn)定性：由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和 海拔高度等自然條件的限制以及晴、陰、云、雨等隨機因素的影響， 到達某一地面的太陽輻照 強 度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。為了使太陽能成為連續(xù)、穩(wěn)定的能源，從而最 終成為能夠與常規(guī)能源相競爭的替代能源，就必須很好地解決蓄能問題 —— 即把晴朗白天的太陽輻射能盡量貯 存起來，以供夜間或陰雨天使用。 但目前蓄能也是太陽能利用中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。 (3)效率低和成本高：目前太陽能利 用的發(fā)展水平，有些方面在理論上是可行的，技術(shù)上也是成熟的。但是已投放應(yīng)用的很多太陽能利用裝置， 效率偏低，成本較高，總的來說，經(jīng)濟性還不能與常 規(guī)能源相競爭。在今后相當一段時期內(nèi)，太陽能利用的進一步發(fā)展，還將 受到經(jīng)濟性 這一弊端 的制約。 太陽能的這些特點 使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制，同時這也是設(shè)計太陽能飛機所面臨的最大挑戰(zhàn)。 太陽能電池 太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。 圖 3 為利用太陽能電池板陣列發(fā)電。 太陽光照在半導(dǎo)體 pn 結(jié)上，形成新的空穴電子對，在 pn 結(jié)電場的作用下，空穴由 n 區(qū)流向 p區(qū)，電子由 p 區(qū)流向 n 區(qū)，接通電路后就形成電流。 這就是 太陽能電池的工作原理 —— 光電效應(yīng)。 太陽 能 電池的發(fā)展水平是決定太陽能無人機性能的根本。目前在太陽電池的研究方面進步較快，各種材質(zhì)的高效電池不斷涌現(xiàn)，但航空領(lǐng)域?qū)μ柲茈姵?的要求并不僅僅是較高的轉(zhuǎn)化效率，它還要求電池具有良好的物理特性， 如耐高 /低溫變化、耐輻射、耐腐蝕、高可靠性等。對比當前各種電池，高端 單晶 硅 太陽能電池 產(chǎn)品憑借其高效、無毒無污染、技術(shù)成熟等特性成為當前太陽能航空器圖 3 光伏發(fā)電 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 3 中應(yīng)用最為廣泛的電池。 單 晶 硅 太陽能電池 在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為 %，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為 18%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料， 目前已 發(fā)展了多晶硅薄膜 太陽能電池 和非晶硅薄膜 太陽能電池作為 單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品 ，但轉(zhuǎn)換效率均低于 單 晶 硅 太陽能電池 。 太陽能無人機 太陽能無人機 是以太陽輻射作為推進能源的飛機。 太陽能無人機 的 能源動力系統(tǒng)（如圖 5） 一般 由 太陽能電池組、 鋰電池、 電動機、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機上應(yīng)有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設(shè)太陽電池，因此 太陽能無人機 的機翼面積較大。 圖 5 典型 太陽能無人機 的 能源 動力 系統(tǒng)示意 太陽能無人機的工作原理是：白天， 依靠機體表面鋪設(shè)的太陽電池將吸收的太陽光輻射能轉(zhuǎn)換為電能，維持動力系統(tǒng)、航空電子設(shè)備和有效載荷的運行，同時對機載二次電源充電 ； 夜間，太陽能無人機 釋放二次電源中儲存的電能，維持整個系統(tǒng)的正常運行。如果白天儲存的能量能滿足夜間飛行的需要，則太陽能 無人機理論上可以實現(xiàn)“永久”飛行。 太陽能無人機巡航時間長，飛行高度高，覆蓋區(qū)域廣，可以執(zhí)行多種任務(wù)，具有常規(guī)飛行器不可替代的優(yōu)點。太陽能在航空器的應(yīng)用研究，是我國新世紀 航 空工業(yè)重點發(fā)展的一個新領(lǐng)域，也是各國航空工業(yè)研究的一個新熱點。 1974 年 11 月 4 日，世界上第一架太陽能無人機 sunrise I 在 4096 塊太陽能電池的驅(qū)動下，緩緩地離開了地面，這次成功的飛行標志著太陽能飛行時代的來臨。此后隨著太陽電池 效率、 二次電源能量密度的提高，以及微電子技術(shù)、新材料技術(shù)等的發(fā)展，太陽能無人機終于駛上了飛速發(fā)展的快車道 。 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 4 在上世紀 90 年代，我國也開始了對 太陽能無人機 的探索。中國第一架 太陽能無人機“翱翔者”號 （如圖 6） ，是北京航空航天大學(xué)飛機設(shè)計與應(yīng)用力學(xué)系（現(xiàn)為航空科學(xué)與工程學(xué)院）李曉陽博士和趙庸教授在 1992 年設(shè)計制造的，該機是中國歷史上有記載的首架具 有原創(chuàng)自主知識產(chǎn)權(quán)的太陽能飛行器（ ， ， China）?！鞍肯枵摺碧柊殃柟夂吞柲苎芯恳詷O低的成本提升到空中，其科學(xué)意義還包括通過技術(shù) /工程驗證機的研制與相關(guān)實驗，能夠發(fā)現(xiàn)太陽能飛行器關(guān)鍵技術(shù)問題和利于找出解決問題的方法，為進一 步研制實用的太陽能飛行器建立理論基礎(chǔ)和累積工程實踐經(jīng)驗。這種先研制縮比驗證機再研制全尺寸 太陽能無人機 的方法，有利于顯著降低科研經(jīng)費、縮短研制周期。 第四屆中國國際航空航天博覽會新聞發(fā)布會對外公布中國“綠色先鋒”太陽能飛行研究計劃 （如圖 7） ，該計劃目標是結(jié)合一種特殊型式的太陽能飛行器研制，系統(tǒng)地研究與太陽能飛行器相關(guān)的科學(xué)問題，為持續(xù)發(fā)展中國太陽能動力飛行探索研究事業(yè)建立更全面的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。該項目在 2020 年做過一些試驗后再無進一步消息。 近幾年，國內(nèi)雖然仍然有許多專家學(xué)者在研究 太陽能無人機 ，但一直沒有 取得突破進展，而國外的 太陽能無人機 則在各方面的性能上突飛猛進。國家高度重視新能源的開發(fā)與利用， 太陽能無人機 作 為一個集科技、能源、實用價值于一身的發(fā)展點，有很大的研究價值。 本項目的目的 圖 7 “綠色先鋒” 圖 6 “翱翔者”號 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 5 本項目是對 太陽能無人機 的一次嘗試，希望能將傳統(tǒng)飛機的設(shè)計同能源規(guī)劃的問題相結(jié)合，在其中加入一些創(chuàng)新的舉措，從而解決當前在 太陽能無人機 研制中幾個比較突出的矛盾。 在項目的初期，我們的目的是初步建立一個基本的 太陽能無人機 平臺。計劃研制一架翼展約 5 米，大展弦比的常規(guī)布局飛機，動力能源主要由布置在 上翼面的太陽能電池陣列提供， 在起飛階段電機需要較大電流時，由鋰電池 輔助 供電 ，達到 平飛 狀態(tài)時切換為太陽能 直接 供電 。 飛行時間約為 20 分鐘，可以實現(xiàn)基本的能源控制管理。飛機需要有較好的操穩(wěn)特性與滑翔特性。 在初期的平臺成型后，我們將對各方面的性能進行優(yōu)化，如提高太陽能電池組的轉(zhuǎn)化效率、降低飛機的結(jié)構(gòu)重量、研制多功能的能源管理系統(tǒng)等。 在平臺的研制趨 于成熟后，將在平臺上加裝任務(wù)載荷，如航拍設(shè)備，定位設(shè)備等，形成一個完整的、有實用價值的太陽能飛行器系統(tǒng)。 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 6 第二章 飛機的總體設(shè)計 能源規(guī)劃與動力系統(tǒng) 太陽能電池板的基本參數(shù) 本 項目選用的太陽能電池為 單晶硅太陽能 電池，其基本數(shù)據(jù)如下： 材料 單晶硅 尺寸 125mm*125mm* 重量 7g 轉(zhuǎn)化效率 約 17% 短路電流（正午） 4A 開路電壓（正午） 功率 2w 圖 8 封裝在蜂窩夾層上的太陽能電池板 太陽能電池的連接方式 太陽能電池陣列最終輸出的 電壓與電流，取決于電池片之間的串并聯(lián)關(guān)系。串聯(lián)則電壓相加，并聯(lián)則電流相加。參考單片電池片的參數(shù)，對于電機和螺旋槳的負載，電壓明顯不足，需要更多的串聯(lián)電池片來提高電壓。串聯(lián)之后的電池片總電流并 不增加，又需要將串聯(lián)后的若干組電池片相并聯(lián)，這樣才能基本達到動力能源的需求。 規(guī)劃電池片的串并聯(lián)方式，還需考慮儲能 系統(tǒng) 的規(guī)格。 儲能系統(tǒng)是太陽能無人機中重要的組成部分，目前國外太陽能無人機概念設(shè) 計 階段都提出儲能器應(yīng)選擇高能 量 密度、高效率的燃料電池，個別小型太陽能無人機則選用了性能較好的鋰聚合物電池。 在這里我們選用了鋰聚合物電池， 其 優(yōu)點在于 ：（ 1）體積小，重量輕；（ 2） 與電機的匹配方式可以參考模型飛機 的經(jīng)驗；（ 3） 作為 太陽能電池和電機之間的橋梁，可以起到穩(wěn)定 北京航空航天大學(xué)第二十 一 屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品 7 電壓電流的作