綦正民　李孝祿　劉琛　鄭恩輝　張遠(yuǎn)輝

摘 要：研制了翼展4.8m的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)，光照強(qiáng)度較大時(shí)由太陽(yáng)能電池直接為動(dòng)力系統(tǒng)供電，光照不足時(shí)由鋰電池進(jìn)行供電。通過(guò)Profili軟件對(duì)機(jī)翼分析后，采用具有大展弦比的機(jī)翼GOE500；太陽(yáng)能電源由72片太陽(yáng)能電池組成，最大功率可達(dá)288W；在翼肋上表面利用超透薄蒙皮對(duì)太陽(yáng)能電池片進(jìn)行保護(hù)，并封裝在翼肋中。測(cè)試表明，由于飛行姿態(tài)和負(fù)載的變化，太陽(yáng)能電池的輸出功率具有波動(dòng)性；平飛巡航功率只需80W；當(dāng)太陽(yáng)能電池輸出功率在130W以上時(shí)，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)可成功進(jìn)行高度爬升。

關(guān)鍵詞：光伏電池；太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)；鋰電池；翼型

中圖分類(lèi)號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

近幾年，中小型無(wú)人機(jī)在很多領(lǐng)域得到重要的應(yīng)用。但是，電動(dòng)或者油動(dòng)中小型無(wú)人機(jī)存在航時(shí)短的不足。

太陽(yáng)能是一種清潔的可再生能源，可作為小型移動(dòng)裝置的能源，如為電動(dòng)自行車(chē)和電動(dòng)三輪車(chē)提供電能。由于固定翼無(wú)人機(jī)具有翼展面積大的特點(diǎn)，將光伏太陽(yáng)能電池安裝在無(wú)人機(jī)兩翼上為其供電，可有效延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的航時(shí)。本研究對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)進(jìn)行了研究：當(dāng)太陽(yáng)輻射度較大時(shí)，以光伏電池作為無(wú)人機(jī)動(dòng)力來(lái)源，光照不足時(shí)由搭載的高容量鋰電池供電，滿足巡航所需能源。

1.150W太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)方案

1.1 太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)要求

考慮到試驗(yàn)要求、氣動(dòng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，本設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)各項(xiàng)參數(shù)為平飛時(shí)巡航速度6 m/s，機(jī)身長(zhǎng)度2.5m，翼展4.8m，機(jī)翼面積2.3m2。使用多晶硅功率4W（AM1.5）太陽(yáng)能電池片，單側(cè)機(jī)翼總電壓與總電流分別為18V與8A，太陽(yáng)能電池板陣列理想輸出功率288W。

1.2機(jī)翼布局

為將72片電池片合理分配，并考慮到太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)機(jī)翼較長(zhǎng)，為便于放置與運(yùn)輸，經(jīng)計(jì)算之后，將機(jī)翼設(shè)計(jì)為三段式，分別是一個(gè)中段，兩個(gè)外段，共鋪設(shè)電池片72片。太陽(yáng)能電池陣列連接方式為以全機(jī)翼中線為中心，左右兩側(cè)機(jī)翼上太陽(yáng)能電池片分別串聯(lián)，分別得到8A/18V電源，左右兩側(cè)機(jī)翼上電池片再進(jìn)行并聯(lián)接出，得到16A/18V共288W電源（理想情況下）。

1.3機(jī)翼結(jié)構(gòu)中電池片放置

在機(jī)翼框架翼肋之間預(yù)留出可容納電池片的區(qū)域來(lái)放置電池片。在翼肋之間和電池板底部采用松緊合適的凱夫拉線作為電池片的緩沖底座。通過(guò)放置電池片框架以及凱夫拉線作為緩沖底座，并通過(guò)連接電池片的焊帶提供額外的強(qiáng)度。整個(gè)電池片陣列就不需進(jìn)行額外的封裝，這樣就可以減少電池片封裝重量。

1.4采用防逆沖二極管

以全機(jī)翼中線為中心，左右兩側(cè)機(jī)翼上太陽(yáng)能電池片分別串聯(lián)后再并聯(lián)接出，電池片全部焊帶連接。在實(shí)際飛行過(guò)程中，電池片可能會(huì)由于擠壓或震動(dòng)而導(dǎo)致破碎。為此，在每片電池片上并聯(lián)旁路二極管。當(dāng)電池片受損無(wú)法供電后，其最小電壓低于旁路二極管的反偏電壓，二極管導(dǎo)通，使破損電池片短路。這樣可以防止破損電池片成為耗電單元，提高太陽(yáng)能飛機(jī)中電池片的容錯(cuò)率。

1.5供電電源選擇部分

當(dāng)天氣較差，會(huì)出現(xiàn)電池片供電不穩(wěn)定的情況。為了實(shí)現(xiàn)在光照強(qiáng)度滿足時(shí)，由太陽(yáng)能電池片為無(wú)人機(jī)提供總能源，當(dāng)太陽(yáng)輻射不足無(wú)人機(jī)正常飛行時(shí)，由無(wú)人機(jī)攜帶鋰電池放電進(jìn)行供能。電源選擇部分的設(shè)計(jì)原理是采集電流/電壓參數(shù)值，與設(shè)定的電流/電壓值比較，并通過(guò)分析后判斷是由太陽(yáng)能電池片還是鋰電池來(lái)供電。同時(shí)，經(jīng)串口通信模塊將實(shí)時(shí)電流/電壓值輸出到上位機(jī)進(jìn)行記錄。

1.6氣動(dòng)布局分析

為了獲得足夠的能量，需要設(shè)計(jì)較大的翼面積來(lái)布置太陽(yáng)能電池片。太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的飛行要求高氣動(dòng)效率以及高穩(wěn)定性，所以該機(jī)設(shè)計(jì)采用大展弦比機(jī)翼的常規(guī)十字尾翼布局。

考慮到在天氣狀態(tài)不同的情況下，為了適應(yīng)不同的飛行模式，使太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具有最高的飛行效率，本研究加入了可變攻角的設(shè)計(jì)，即在機(jī)身上設(shè)置不同的安裝孔位，在安裝機(jī)翼時(shí)可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)翼安裝角的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)在平飛時(shí)無(wú)人機(jī)迎角。

同時(shí)由于本研究的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)為超低速飛機(jī)，因而飛機(jī)在正常情況下飛行受陣風(fēng)影響出現(xiàn)失速的概率比較大，所以為本設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)將外段機(jī)翼設(shè)計(jì)為外洗機(jī)翼，外洗機(jī)翼外段的迎角相比內(nèi)段迎角小，在內(nèi)段機(jī)翼出現(xiàn)失速情況時(shí)，可以使帶有副翼控制面的外翼部分延遲進(jìn)入失速狀態(tài)，增強(qiáng)飛機(jī)在部分翼段出現(xiàn)失速狀態(tài)下的姿態(tài)控制能力。

1.7 GOE 500翼型選擇及分析

選擇翼型時(shí)要保證該翼型具有較高的升/阻比。其次，由于該研究中的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)主要飛行高度為50m～300m，氣流不穩(wěn)定，且受太陽(yáng)能電池片功率的影響，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)應(yīng)具有較好的氣動(dòng)穩(wěn)定性，即無(wú)人機(jī)在氣流影響下處于不同迎角及空速范圍下的升力、阻力，以及升阻比曲線具有一定的穩(wěn)定度。同時(shí)在要考慮到翼型的前緣曲率以方便放置電池片。

可選擇的翼型對(duì)象有SG 6043，GOE 500，MH 115等翼型。利用仿真軟件Profili對(duì)不同速度、不同迎角下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)等進(jìn)行分析后比較后，該太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)最終選擇GOE 500為其翼型。

2.測(cè)試結(jié)果分析

2.1 飛行過(guò)程

為減輕無(wú)人機(jī)自身重量并降低無(wú)人機(jī)復(fù)雜程度，該太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)并未制造起落架，而是使用無(wú)動(dòng)力協(xié)助起飛小車(chē)進(jìn)行起飛。無(wú)人機(jī)機(jī)翼下方合適位置放置小鐵片并在小車(chē)相對(duì)應(yīng)位置的支持臂上放置電磁鐵，當(dāng)無(wú)人機(jī)帶動(dòng)小車(chē)向前達(dá)到起飛速度后控制電磁鐵脫電，無(wú)人機(jī)與小車(chē)脫離，成功起飛。

對(duì)該太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)進(jìn)行了多次測(cè)試，由于該太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)具有較大上反角，一定程度上減小了無(wú)人機(jī)側(cè)滑的發(fā)生，使無(wú)人機(jī)無(wú)論在遇到氣流還是轉(zhuǎn)彎時(shí)，都能夠由副翼靈活控制，無(wú)側(cè)滑失控的情況發(fā)生。機(jī)翼外段的迎角相比內(nèi)段迎角小，在內(nèi)段機(jī)翼出現(xiàn)失速情況時(shí)，使帶有副翼控制面的外翼部分延遲進(jìn)入失速狀態(tài)，這樣就增強(qiáng)了無(wú)人機(jī)在部分翼段出現(xiàn)失速狀態(tài)下的姿態(tài)控制能力。

2.2 測(cè)試結(jié)果

對(duì)飛行過(guò)程中記錄下的太陽(yáng)能電池片輸出功率情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池片的輸出功率有一定量的變化，主要表現(xiàn)為電流的波動(dòng)。測(cè)試表明，太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)功率在130W以上就可輕松的進(jìn)行爬升；在80W左右功率下，該太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)仍可正?；琛?/p>

通過(guò)測(cè)試，當(dāng)供電電源選擇部分啟動(dòng)電流檢測(cè)，檢測(cè)電流小于4.5A時(shí)由鋰電池進(jìn)行電源輸出；當(dāng)太陽(yáng)能電池陣列輸出端電流大于等于4.5A時(shí)直接由太陽(yáng)能電池輸出。系統(tǒng)電流與功率主要限制因素為穩(wěn)壓模塊電流不能持續(xù)過(guò)大輸出，否則將發(fā)熱發(fā)燙。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)的翼型選擇、機(jī)翼陣列設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能電池片的安裝布置以及太陽(yáng)能電源的切換進(jìn)行了研究。研究表明該太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)翼展4.8m，機(jī)翼面積2.3m2，正常光照強(qiáng)度下太陽(yáng)能電池片輸出功率可達(dá)160W以上，平飛巡航功率只需80W左右。當(dāng)無(wú)人機(jī)自身攜帶的鋰電池足夠夜晚的滑翔巡航時(shí)，無(wú)人機(jī)的跨晝夜飛行將成為可能。

參考文獻(xiàn)

[1]李孝祿，王東平，李娟，等.利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)供電的研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2016，37（4）：884-890.

[2]李孝祿，黃建鋒，王東平，等.采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)的電動(dòng)三輪車(chē)光伏充電控制系統(tǒng)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（11）： 2909-2917.endprint