太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的應(yīng)用

盛熙皓 湖南省長沙市第一中學(xué)

太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的應(yīng)用

盛熙皓 湖南省長沙市第一中學(xué)

太陽能無人機(jī)是以太陽輻射作為能源的無人飛機(jī)，現(xiàn)如今，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展也得到了很大的進(jìn)步。太陽能飛機(jī)的動(dòng)力裝置是由太陽能電池組、減速器、螺旋槳、控制裝置等組成，而由于太陽輻射的能量密度比較小，所以無人機(jī)通過擴(kuò)大機(jī)翼面積來獲得充足的能量。本文就對(duì)太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的應(yīng)用的進(jìn)行詳細(xì)的分析。

太陽能 無人機(jī) 電源系統(tǒng)

太陽能無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展少不了以太陽能為輸入能源的電源系統(tǒng)技術(shù)支持，最早太陽能電源系統(tǒng)應(yīng)用于空間站、宇宙飛船、衛(wèi)星等供電方面。而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，現(xiàn)如今太陽能電源系統(tǒng)已經(jīng)成功的應(yīng)用在了無人機(jī)中，并且其應(yīng)用效果十分良好。太陽能無人機(jī)為了能夠獲得充足的能力，就需要擴(kuò)大照射面積，所以一般無人機(jī)的機(jī)翼面積都比較大，而飛機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量則相對(duì)較低，因此這也要求太陽能電源系統(tǒng)本身的質(zhì)量不能太高。當(dāng)太陽能無人機(jī)在飛行過程中，太陽能量的吸收會(huì)在諸多因素的影響下發(fā)生變化，比如由于季節(jié)不同、時(shí)間不同能量的吸收率都會(huì)受到一定的影響。因此，在優(yōu)化航跡以及動(dòng)力基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上，還需要選擇效率更大的太陽電池和儲(chǔ)能電池，這也是對(duì)電源系統(tǒng)提出的更高的要求。

1 太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)概述

太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)一般是由發(fā)電子系統(tǒng)、儲(chǔ)能子系統(tǒng)、電源控制系統(tǒng)組成，電源系統(tǒng)在無人機(jī)中與航電系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等相連。除此之外，為了更好的對(duì)無人機(jī)進(jìn)行實(shí)施控制和管理，電源系統(tǒng)還要與地面的控制站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，這樣地面控制站可以實(shí)時(shí)了解到無人機(jī)的飛行狀態(tài)、能量吸收率、儲(chǔ)電量等。太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)與衛(wèi)星電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想有所不同，太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)不僅要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還要最大限度要求質(zhì)輕效優(yōu)。同時(shí)，電源系統(tǒng)還需要能夠適應(yīng)飛行環(huán)境以及大氣環(huán)境等。

2 太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 發(fā)電子系統(tǒng)

太陽能功率密度會(huì)隨著無人機(jī)飛行高度的增加而提高，比如在地面上太陽能功率密度為80mW/cm2，而隨著無人機(jī)上升到太空后則會(huì)提高到136.7mW/cm2。在無人機(jī)中采用太陽輻射能作為發(fā)電單元，可以促進(jìn)無人機(jī)長時(shí)間在空中飛行，并且太陽能屬于清潔能源，沒有氣體排放，所以對(duì)于環(huán)境也不會(huì)造成污染。無人機(jī)不需要安裝排氣裝置，所以也不會(huì)對(duì)機(jī)載大氣測(cè)量傳感器帶來影響和干擾。一般來說發(fā)電子系統(tǒng)都是鋪設(shè)在無人機(jī)的機(jī)翼和尾翼表面，以硅基太陽電池以及化合物太陽電池為主。就目前來看，單晶硅太陽電池技術(shù)十分成熟，所以在太陽能無人機(jī)的太陽電池中應(yīng)用最為廣泛。而多晶硅太陽電池雖然成本比較低，但是其轉(zhuǎn)換效率卻沒有單晶硅太陽電池高。除此之外，發(fā)電子系統(tǒng)中應(yīng)用的電池還有GaAs系列太陽電池、CIS系列太陽電池等。

2.2 儲(chǔ)能子系統(tǒng)

在整個(gè)太陽能無人機(jī)質(zhì)量中儲(chǔ)能子系統(tǒng)占有較大的比例，這是因?yàn)楦鞣N儲(chǔ)能電池的比能量還比較低，歷史上，太陽能無人機(jī)中應(yīng)用的儲(chǔ)能電池有銀鋅電池、、鎘鎳電池、燃料電池等。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)如今在太陽能無人機(jī)中應(yīng)用廣泛的儲(chǔ)能電池就是傳統(tǒng)的鋰電池、氫鎳電池等，傳統(tǒng)電池具有較高的輕便性和可靠性，尤其是在輕小型無人機(jī)中更是受到了廣泛的應(yīng)用。而對(duì)于一些大型高空太陽能無人機(jī)則會(huì)應(yīng)用大規(guī)模的燃料電池、鋰硫電池等高比能量電池，以此來促進(jìn)無人機(jī)在太空中飛得更久更高。就儲(chǔ)能子系統(tǒng)中的鋰離子電池來說，其具有充放電壽命長、維護(hù)方便、無污染等優(yōu)點(diǎn)，所以其是目前普遍應(yīng)用與太陽能無人機(jī)上的儲(chǔ)能裝置。雖然鋰硫電池不僅比能量高，并且能夠以大電流狀態(tài)下連續(xù)放電，以此來保證為太陽能無人機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)大功率供電，但是由于鋰硫電池技術(shù)還不夠成熟，所以沒有得到普遍應(yīng)用。因此，這就需要相關(guān)科研人員不斷加強(qiáng)研究。

2.3 控制子系統(tǒng)

在太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)中控制子系統(tǒng)十分關(guān)鍵，電源控制器直接關(guān)系著電源系統(tǒng)的正常運(yùn)作以及為無人機(jī)輸送電能等，因此，無人機(jī)電源系統(tǒng)中電源控制器的選擇十分重要。就目前來看，采用分布式管理的MPPT控制器是電源系統(tǒng)中電源控制器的首選，該控制其具有輕質(zhì)高效、體積小、發(fā)熱量小的優(yōu)點(diǎn)。

太陽能無人機(jī)的飛行過程可以概括為能量的收集、儲(chǔ)存、管理、消耗的過程，而這都需要依賴于太陽能電源系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能無人機(jī)中電源系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且取得了良好的應(yīng)用效果，其為無人機(jī)的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。因此，為了能夠促進(jìn)無人機(jī)更加快速的發(fā)展，在設(shè)計(jì)過程中，必須將電源系統(tǒng)的最高水平進(jìn)行高效的整合，使得電源系統(tǒng)能夠在太陽能無人機(jī)中得到充分的發(fā)揮。將來，隨著電源系統(tǒng)技術(shù)以及各部分關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，我國太陽能無人機(jī)將會(huì)在世界各地騰空而起。

[1]曲鵬,王寅.太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].電源技術(shù),2015,39(04):864-866+870.

[2]胡斌,時(shí)景立,馮利軍.太陽能無人機(jī)能源管理器研究與設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù),2015,39(10):2161-2165.

[3]李國紅,李文宇,張俊霞.無人機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)專利態(tài)勢(shì)研究[J].電信網(wǎng)技術(shù),2017,(03):30-36.