王海瑞 張成茂 周泉知 曾憲平

【摘 要】本文針對一種太陽能/甲醇作為無人機的混合動力進行了研究。研究了太陽能飛機日趨成熟技術，以及微型直接甲醇燃料電池技術的不斷發(fā)展，從而能夠將太陽能電池和直接甲醇燃料電池結合，實現(xiàn)無污染、低噪音、綠色飛行，同時增加續(xù)航時間。

【關鍵詞】無人機；太陽能；甲醇；混合動力

中圖分類號： TM611.3 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）08-0058-002

Solar/Methanol Hybrid UAV

WANG Hai-rui1 ZHANG Cheng-mao1 ZHOU Quan-zhi1 ZENG Xian-ping2

（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Linyi University，Linyi，Shandong 276000，China；

2.Linyi Sports School，Shandong Linfen 276000，China）

【Abstract】This paper focuses on a solar/methanol hybrid as a drone. Research has been conducted on the growing maturity of solar-powered aircraft and the continuous development of micro-direct methanol fuel cell technology to enable the integration of solar cells and direct methanol fuel cells to achieve pollution-free，low-noise，green flight and increased battery life.

【Key words】UAV；Solar energy；Methanol；Hybrid

0 引言

太陽能、甲醇等新型能源因儲量巨大、效率高、無污染、無排放等優(yōu)勢，逐漸受到世界各國的重視。使用太陽能電池、直接甲醇燃料電池作為綠色能源驅動電動無人機應用而生。本文針對一種太陽能/甲醇作為無人機的混合動力進行了研究。

1 太陽能飛機日趨成熟的技術

2016年7月26日，世界上最大的太陽能飛機“陽光動力2號”，成功降落于阿聯(lián)酋首都阿布扎比商務機場，他代表著人類有史以來不需任何燃料完全依靠太陽能作為動力的環(huán)球航行，促進了太陽能飛機的發(fā)展。機體平臺，由于太陽能飛機具有能源不足的特點，為了保持飛行速度，多數(shù)飛機采用傳統(tǒng)的氣動布局作為機載平臺。隨著研究的不斷發(fā)展，折線型翼型比光滑基準翼型具有一定的潛力，能夠提升飛機的氣動效率。環(huán)氧樹脂、凱夫拉、碳纖維等先進的符合材料，有效的減輕了飛機的重量。能源系統(tǒng)，太陽能飛行器對太陽能電池的性能有較高的要求。目前單晶硅太陽能電池已經(jīng)有相當成熟的技術、高效率、低成本、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，廣泛應用于飛行器上，提高無人機的能量轉化效率。推進系統(tǒng)，分布式推進系統(tǒng)往往是太陽能飛機采用的布置，它在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。直驅電機和定距螺旋槳的結合使飛機效率大大提高。

2 太陽能/甲醇混合動力無人機的設計

（1）綜合分析了太陽能飛機比較成熟的技術，和直接甲醇燃料電池的不斷發(fā)展，對于太陽能/甲醇混合動力無人機的設計提供了理論依據(jù)。法國某研究團隊從2009年就開始研發(fā)“零排放”混合動力飛機——Eraole的。太陽能動力占25%，當太陽能動力不足時，將其切換成生物燃料發(fā)電。該研發(fā)團隊從微藻中提取了特殊生物燃料，將為飛機提供55%的動能，另外20%的動能靠飛機滑翔提供。綜合分析，該款太陽能/甲醇混合動力無人機將有40%的太陽能，及40%的直接甲醇燃料電池能提供動力，其余20%的動能由飛機滑翔提供。太陽能/甲醇混合動力無人機三維圖如圖1所示，采用傳統(tǒng)氣動布局設計，機翼、水平尾翼均有太陽能板覆蓋，動力系統(tǒng)采用直驅電機和定距螺旋槳。

（2）結合飛機氣動布局和長時間航行的需要，機翼的設計參數(shù)如表1所示。利用XFLR5受力分析如圖2所示。由彩色受力圖可以看出，在設計速度10m/s的情況下，整個機翼的強度完全富裕，受力比較均勻，機翼前緣是整個機翼受力較大的地方，機翼上翼面是整個飛機受力最小的部分。該機翼前緣采用了泡沫填充，在不增加重量的情況下增加了前緣的強度，能夠完全滿足應對機翼前緣應力集中的要求。機翼上需要覆蓋太陽能電池片，太陽能電池片材質較脆不能受力，該機翼上翼面受力最小，不會損壞太陽能電池片。綜合分析，該機翼能夠滿足此款飛機的設計要求。

（3）將直接甲醇燃料電池組放到機翼下方位于重心處的儲存艙內，將電源線引出，同太陽能電池電源線共同接到飛機控制模塊中，來實現(xiàn)這兩種電能之間的切換，從而時刻滿足飛機的電量需要。

3 結束語

本文針對一種太陽能/甲醇作為無人機的混合動力進行了研究。研究了太陽能飛機日趨成熟技術，以及微型直接甲醇燃料電池技術的不斷發(fā)展，從而能夠將太陽能電池和直接甲醇燃料電池結合，實現(xiàn)無污染、低噪音、綠色飛行，同時增加續(xù)航時間。

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