基于光電技術(shù)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

楊順朋+臧一鳴+賈春榮

摘 要：太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)是以太陽(yáng)能電池及蓄電池為能源的適合長(zhǎng)時(shí)間滯空作業(yè)的無(wú)人機(jī)。由于有兩種動(dòng)力來(lái)源避免了單一動(dòng)力帶來(lái)的弊端。通過(guò)在機(jī)翼上表面合理的鋪設(shè)太陽(yáng)能電池陣列，將其產(chǎn)生的電能作為主要?jiǎng)恿?lái)源。通過(guò)在地面試驗(yàn)，在太陽(yáng)能電池工作與否情況下動(dòng)力系統(tǒng)工作的時(shí)間對(duì)比可以看出，由于太陽(yáng)能電池對(duì)鋰電池的浮充，動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間得到顯著延長(zhǎng)?？紤]到平飛時(shí)電流較小，延長(zhǎng)的效果將更加明顯。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；無(wú)人機(jī)；長(zhǎng)滯空；光電技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP731 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）10-0055-02

1 引言

無(wú)人機(jī)是是一種以無(wú)線(xiàn)電遙控或由自身程序控制為主的不載人飛機(jī)。與載人飛機(jī)相比，它具有體積小、造價(jià)低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在軍用和民用領(lǐng)域都具有很廣的用途[1]。但傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)采用燃料或蓄電池作為能源，飛行時(shí)間短、而且石油資源也日益枯竭。利用太陽(yáng)能為主要?jiǎng)恿Γ铍姵貫檩o助動(dòng)力的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[2]。它的滯空能力要比傳統(tǒng)動(dòng)力無(wú)人機(jī)要強(qiáng)，而且無(wú)污染，將適用于更廣泛領(lǐng)域。

國(guó)外研究較早，主要的公司有谷歌、美國(guó)Aero Vironment公司、美國(guó)Air Ship Technologies公司。目前AeroVironment 公司的太陽(yáng)能Puma AE無(wú)人機(jī)仍處于研究和升級(jí)階段；美國(guó)Air Ship Technologies公司生產(chǎn)一款名為V2的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，由于配有高效率的氫氧燃料電池續(xù)航可高達(dá)五天[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)研究較晚，不過(guò)進(jìn)展不算慢。但是太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)做得比較好的只有中航集團(tuán)十一院和漢能集團(tuán)?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù)飛行幾十個(gè)小時(shí)。

2 設(shè)計(jì)原理

太陽(yáng)能電池是通過(guò)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。太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)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(yáng)能電池的工作原理——光電效應(yīng)。

根據(jù)流體力學(xué)的流體連續(xù)定理和伯努利定理可知翼型的選擇是升力產(chǎn)生的關(guān)鍵。飛機(jī)升力絕大部分由機(jī)翼產(chǎn)生，尾翼通常產(chǎn)生負(fù)升力，其他部分產(chǎn)生的升力通常不考慮。

工作原理：白天，依靠機(jī)體表面鋪設(shè)的太陽(yáng)電池將吸收的太陽(yáng)光輻射能轉(zhuǎn)換為電能，維持動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)對(duì)機(jī)載電池充電，存儲(chǔ)電能，在起飛階段電機(jī)需要較大電流時(shí)，由鋰電池輔助供電，達(dá)到平飛狀態(tài)時(shí)切換為太陽(yáng)能直接供電；光強(qiáng)減弱時(shí)，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)釋放電池中儲(chǔ)存的電能，維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以增加無(wú)人機(jī)的續(xù)航。供電系統(tǒng)如圖1。

3 整體設(shè)計(jì)

為了使得減輕整體重量采用KT板材作為機(jī)身材料，同時(shí)用碳纖維桿加固機(jī)身以增強(qiáng)機(jī)身強(qiáng)度。由于需要負(fù)載較大，太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率必須得高，單晶硅太陽(yáng)能電池規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化效率19.3%（2014），實(shí)驗(yàn)室最高效率為25.6%。所以采用單晶硅太陽(yáng)能電池，具體規(guī)格：125*125*0.1mm；功率：3W質(zhì)量：2g，共采用24塊。由于能源系統(tǒng)中有太陽(yáng)能電池組件的存在，白天在飛行中消耗能量的同時(shí)還要從太陽(yáng)能中獲取能量，獲取能量的多少又與飛行姿態(tài)和軌跡相關(guān)[4]，所以需要研究航行規(guī)劃與飛行控制的耦合；根據(jù)將來(lái)的飛行高度、速度和弦長(zhǎng)可以用Profili計(jì)算出雷諾系數(shù)，然后由雷諾系數(shù)選擇合適的翼型；本實(shí)驗(yàn)采用BE12305B翼型。由于機(jī)翼的曲面特性，不利于太陽(yáng)能電池陣列的鋪設(shè)，翼型上需要鋪設(shè)電池片的位置用直線(xiàn)代替原來(lái)的曲線(xiàn)。

利用太陽(yáng)能電池充電，充電電流隨日照變化而變化，一個(gè)理想的系統(tǒng)應(yīng)該能夠穩(wěn)定充電電流而不至于變化過(guò)于劇烈[5]。太陽(yáng)能電池陣列和負(fù)載之間增加一個(gè)DC/DC變換器，通過(guò)改變DC/DC變換器中功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通率，來(lái)調(diào)整、控制太陽(yáng)能電池陣列輸出電流。電池串聯(lián)則電壓相加，并聯(lián)則電流相加。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(dá)到動(dòng)力能源的需求。

飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的核心。電調(diào)和舵機(jī)都要和控制模塊相連。動(dòng)力由無(wú)刷電機(jī)和電調(diào)產(chǎn)生拉力，方向控制則由舵機(jī)控制舵面進(jìn)行動(dòng)作。模塊連接圖2，整體參數(shù)如圖3。

當(dāng)前太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局形式主要有常規(guī)布局和飛翼布局兩種。常規(guī)布局是早已有之的布局形式，設(shè)計(jì)方法比較成熟，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低，適合于太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的初期設(shè)計(jì)。為鋪設(shè)更多的太陽(yáng)能電池片以及獲得更好的滑翔性能，機(jī)翼為大展弦比的矩形翼，起落架采用后三點(diǎn)式，兩個(gè)主輪左右對(duì)稱(chēng)地布置在重心稍后處，左右主輪有一定距離可保證飛機(jī)在地面滑行時(shí)不致傾倒。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

室內(nèi)（無(wú)太陽(yáng)能電池），將3節(jié)鋰電池充滿(mǎn)電（12.6V）后，電機(jī)開(kāi)始在一穩(wěn)定電流下工作并開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池電壓，降低到11.1V時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束。

對(duì)比：室外（由太陽(yáng)能電池），正午12點(diǎn)，將兩節(jié)鋰電池充滿(mǎn)電（12.6V）后，電機(jī)開(kāi)始在同一穩(wěn)定電流下工作并開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)鋰電池電壓，降低到11.1V時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，由于太陽(yáng)能電池對(duì)鋰電池的充電作用，動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間得到顯著延長(zhǎng)。考慮到平飛時(shí)電流較小，延長(zhǎng)的效果將更加明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)其整體系統(tǒng)進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，確定部件選型，設(shè)計(jì)合理，已做出實(shí)物航行，整體性能可靠。隨著太陽(yáng)能薄膜電池發(fā)電效率的發(fā)展，將來(lái)可以更好的融入到無(wú)人機(jī)中。新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源飛機(jī)設(shè)計(jì)受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注[6]。

參考文獻(xiàn)

[1]秦博，王蕾.無(wú)人機(jī)發(fā)展綜述[J].飛航導(dǎo)彈，2002，（8）：4-10.

[2]張蕾，國(guó)外無(wú)人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)[J]，電訊技術(shù)，2009，49（7）：88-92.

[3]Swider Lyons KE，Mackrell JA，Rodgers JA.Hydro-gen fuel cell propulsion for long endurance small UAVS. AIAA Centennial of Naval Aviation Forum 100 Years of Achievement and Progress[C]，2011.

[4]楊金煥，陸鈞，黃曉櫓太陽(yáng)能發(fā)電地面應(yīng)用的前景及發(fā)展動(dòng)向[J].中國(guó)新能源，1995，（12）：96-99.

[5]張銳，薄膜太陽(yáng)能電池的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用介紹[J].廣州建筑，2008，（2）：12-16.

[6]李榮，太陽(yáng)能無(wú)人飛機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器的研究[J].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004，（2）：34-39.