【文章內容簡介】 屆“馮如杯”學生參賽作品 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，想要得到一定的轉換功率，往往需要面積相當大的一套收集和轉換設備，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，技術上也是成熟的。但是已投放應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，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或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。 圖 3 為利用太陽能電池板陣列發(fā)電。 太陽光照在半導體 pn 結上，形成新的空穴電子對，在 pn 結電場的作用下，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。 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，各種材質的高效電池不斷涌現(xiàn)，但航空領域對太陽能電池 的要求并不僅僅是較高的轉化效率，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 北京航空航天大學第二十 一 屆“馮如杯”學生參賽作品 3 中應用最為廣泛的電池。 單 晶 硅 太陽能電池 在實驗室里最高的轉換效率為 %，規(guī)模生產(chǎn)時的效率為 18%。在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位，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，飛機上應有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設太陽電池，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， 依靠機體表面鋪設的太陽電池將吸收的太陽光輻射能轉換為電能，維持動力系統(tǒng)、航空電子設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，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用研究，是我國新世紀 航 空工業(yè)重點發(fā)展的一個新領域，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、新材料技術等的發(fā)展，太陽能無人機終于駛上了飛速發(fā)展的快車道 。 北京航空航天大學第二十 一 屆“馮如杯”學生參賽作品 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飛機設計與應用力學系（現(xiàn)為航空科學與工程學院）李曉陽博士和趙庸教授在 1992 年設計制造的，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，其科學意義還包括通過技術 /工程驗證機的研制與相關實驗，能夠發(fā)現(xiàn)太陽能飛行器關鍵技術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的科學問題，為持續(xù)發(fā)展中國太陽能動力飛行探索研究事業(yè)建立更全面的科學技術基礎。該項目在 2020 年做過一些試驗后再無進一步消息。 近幾年，國內雖然仍然有許多專家學者在研究 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 北京航空航天大學第二十 一 屆“馮如杯”學生參賽作品 5 本項目是對 太陽能無人機 的一次嘗試，希望能將傳統(tǒng)飛機的設計同能源規(guī)劃的問題相結合，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化效率、降低飛機的結構重量、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載荷，如航拍設備，定位設備等，形成一個完整的、有實用價值的太陽能飛行器系統(tǒng)。 北京航空航天大學第二十 一 屆“馮如杯”學生參賽作品 6 第二章 飛機的總體設計 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 計 階段都提出儲能器應選擇高能 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 北京航空航天大學第二十 一 屆“馮如杯”學生參賽作品 7 電壓電流的作