楊順朋+臧一鳴+賈春榮

摘 要：太陽能無人機是以太陽能電池及蓄電池為能源的適合長時間滯空作業(yè)的無人機。由于有兩種動力來源避免了單一動力帶來的弊端。通過在機翼上表面合理的鋪設(shè)太陽能電池陣列，將其產(chǎn)生的電能作為主要動力來源。通過在地面試驗，在太陽能電池工作與否情況下動力系統(tǒng)工作的時間對比可以看出，由于太陽能電池對鋰電池的浮充，動力系統(tǒng)的運行時間得到顯著延長。考慮到平飛時電流較小，延長的效果將更加明顯。

關(guān)鍵詞：太陽能；無人機；長滯空；光電技術(shù)

中圖分類號：TP731 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）10-0055-02

1 引言

無人機是是一種以無線電遙控或由自身程序控制為主的不載人飛機。與載人飛機相比，它具有體積小、造價低、使用方便等優(yōu)點。在軍用和民用領(lǐng)域都具有很廣的用途[1]。但傳統(tǒng)的無人機采用燃料或蓄電池作為能源，飛行時間短、而且石油資源也日益枯竭。利用太陽能為主要動力，蓄電池為輔助動力的太陽能無人機應(yīng)運而生[2]。它的滯空能力要比傳統(tǒng)動力無人機要強，而且無污染，將適用于更廣泛領(lǐng)域。

國外研究較早，主要的公司有谷歌、美國Aero Vironment公司、美國Air Ship Technologies公司。目前AeroVironment 公司的太陽能Puma AE無人機仍處于研究和升級階段；美國Air Ship Technologies公司生產(chǎn)一款名為V2的太陽能無人機，由于配有高效率的氫氧燃料電池續(xù)航可高達(dá)五天[3]。國內(nèi)對太陽能無人機研究較晚，不過進(jìn)展不算慢。但是太陽能無人機做得比較好的只有中航集團十一院和漢能集團?？梢詫崿F(xiàn)連續(xù)飛行幾十個小時。

2 設(shè)計原理

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。太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴電子對，在p-n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)。

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。飛機升力絕大部分由機翼產(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)的運行，同時對機載電池充電，存儲電能，在起飛階段電機需要較大電流時，由鋰電池輔助供電，達(dá)到平飛狀態(tài)時切換為太陽能直接供電；光強減弱時，太陽能無人機釋放電池中儲存的電能，維持整個系統(tǒng)的正常運行，以增加無人機的續(xù)航。供電系統(tǒng)如圖1。

3 整體設(shè)計

為了使得減輕整體重量采用KT板材作為機身材料，同時用碳纖維桿加固機身以增強機身強度。由于需要負(fù)載較大，太陽能電池轉(zhuǎn)化效率必須得高，單晶硅太陽能電池規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化效率19.3%（2014），實驗室最高效率為25.6%。所以采用單晶硅太陽能電池，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)中有太陽能電池組件的存在，白天在飛行中消耗能量的同時還要從太陽能中獲取能量，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)將來的飛行高度、速度和弦長可以用Profili計算出雷諾系數(shù)，然后由雷諾系數(shù)選擇合適的翼型；本實驗采用BE12305B翼型。由于機翼的曲面特性，不利于太陽能電池陣列的鋪設(shè)，翼型上需要鋪設(shè)電池片的位置用直線代替原來的曲線。

利用太陽能電池充電，充電電流隨日照變化而變化，一個理想的系統(tǒng)應(yīng)該能夠穩(wěn)定充電電流而不至于變化過于劇烈[5]。太陽能電池陣列和負(fù)載之間增加一個DC/DC變換器，通過改變DC/DC變換器中功率開關(guān)管的導(dǎo)通率，來調(diào)整、控制太陽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)到動力能源的需求。

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

當(dāng)前太陽能無人機的氣動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)計方法比較成熟，技術(shù)風(fēng)險低，適合于太陽能無人機的初期設(shè)計。為鋪設(shè)更多的太陽能電池片以及獲得更好的滑翔性能，機翼為大展弦比的矩形翼，起落架采用后三點式，兩個主輪左右對稱地布置在重心稍后處，左右主輪有一定距離可保證飛機在地面滑行時不致傾倒。

4 實驗結(jié)果

室內(nèi)（無太陽能電池），將3節(jié)鋰電池充滿電（12.6V）后，電機開始在一穩(wěn)定電流下工作并開始計時，時刻監(jiān)測鋰電池電壓，降低到11.1V時計時結(jié)束。

對比：室外（由太陽能電池），正午12點，將兩節(jié)鋰電池充滿電（12.6V）后，電機開始在同一穩(wěn)定電流下工作并開始計時，時刻監(jiān)測鋰電池電壓，降低到11.1V時計時結(jié)束。實驗數(shù)據(jù)如表1。

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，由于太陽能電池對鋰電池的充電作用，動力系統(tǒng)的運行時間得到顯著延長?？紤]到平飛時電流較小，延長的效果將更加明顯。

5 結(jié)語

本文對其整體系統(tǒng)進(jìn)行研究實驗，確定部件選型，設(shè)計合理，已做出實物航行，整體性能可靠。隨著太陽能薄膜電池發(fā)電效率的發(fā)展，將來可以更好的融入到無人機中。新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源飛機設(shè)計受到了越來越廣泛的關(guān)注[6]。

參考文獻(xiàn)

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

[2]張蕾，國外無人機發(fā)展趨勢及關(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，黃曉櫓太陽能發(fā)電地面應(yīng)用的前景及發(fā)展動向[J].中國新能源，1995，（12）：96-99.

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

[6]李榮，太陽能無人飛機動力驅(qū)動器的研究[J].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2004，（2）：34-39.