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小編前言：其實光伏的應用遠遠不只有太陽能并網(wǎng)發(fā)電，國內(nèi)有些企業(yè)在并網(wǎng)發(fā)電領域里，由于激烈的市場競爭，已經(jīng)奄奄一息。也許換個角度思考，擴充新的下游應用領域，開拓出新的藍海應用市場，也是個不錯的選擇。比如下文介紹的：高空長航時太陽能無人機關鍵技術 ，開動思想，轉(zhuǎn)換角度，也許能得到新的行業(yè)機會呢。

核心提示：以太陽能為動力的高空長航時無人機擁有廣闊的應用前景，但制造這種無人機需要大量先進技術:高效率電力系統(tǒng)、輕量化結(jié)構和先進能源管理系統(tǒng)等，以提高無人機性能。

高空長航時太陽能無人機具有飛行高度高、工作時間長、覆蓋區(qū)域廣、使用靈活、運行成本低和無環(huán)境污染等優(yōu)點，成為執(zhí)行情報、偵察、監(jiān)視和通信中繼等任務的理想空中平臺，有著非常廣闊的應用前景。

太陽能飛機在白天使用太陽能電池維持系統(tǒng)工作并對機上蓄電池充電；晚上通過釋放蓄電池中儲存的電能來維持整個無人機系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。太陽光輻射強度在近地面受地球大氣層影響顯著，太陽能飛機通常要在距地面20km以上的臨近空間飛行。如果能量平衡能夠一直維持，那么高空飛行的太陽能無人機在理論上就可以實現(xiàn)數(shù)月乃至數(shù)年的不間斷飛行。

隨著太陽能電池、蓄電池和相關領域關鍵技術的突破，高空長航時太陽能無人機將會實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

基于重量和能量平衡的飛行器總體綜合設計

與其他使用燃料的飛行器相比，太陽能飛機有個特點，即在飛行過程中始終保持重量和能量平衡，沒有燃料消耗帶來的重量變化。正因如此，太陽能飛機的氣動力設計屬于“單設計點”。在飛機總體方案設計過程中，如果使飛機在設計點的效率達到最高，就可以把全機需用功率降到最低。

長航時太陽能無人機要完成長時間持續(xù)飛行，必須使整個系統(tǒng)在一晝夜內(nèi)獲得的可用能量與全機實際消耗的能量之間達到平衡。由于從太陽光獲得的能量受到可用的太陽能電池面積影響，太陽能電池面積又與機翼面積密切相關，而實現(xiàn)夜間飛行所需要的蓄電池重量又影響到飛機總重，這些因素最終都會影響到飛機的翼載和推重比，因此在太陽能飛機總體設計過程中必須采用基于能量平衡的方法確定飛機的總體設計參數(shù)。

先進太陽能電池和儲能系統(tǒng)

太陽能電池按基體材料的不同可分為：硅太陽能電池、化合物太陽能電池和有機太陽能電池。太陽能電池的性能，尤其是轉(zhuǎn)換效率，是太陽能飛機基本性能的決定因素。近幾十年來太陽能電池研究方面的進步很快，例如美國Solar Junction公司制造的三結(jié)疊層太陽能電池在418倍聚光條件下效率已達到43.5%。


除太陽能電池本身，太陽能電池在飛機上的施工工藝也是技術難點。通常太陽能電池既是產(chǎn)生電能的功能元件，同時又可作為飛機蒙皮的一部分承載部分氣動載荷。過去的太陽能電池由于自身厚度薄、剛度差、易碎易裂，很難適應機翼上曲率變化大的部位。

當機翼受載變形時，電池可能嚴重受損。這就要求既要解決對太陽能電池的封裝問題，又要為電池提供良好的鋪設平臺。為保證氣動效率，太陽能電池不僅要保證安裝時與飛機蒙皮共形，而且要保證在整個飛行過程中與蒙皮的緊密貼合，
所以太陽能電池的柔韌性也至關重要。

儲能系統(tǒng)是太陽能飛機實現(xiàn)晝夜持續(xù)飛行的關鍵系統(tǒng)之一，目前在太陽能飛機上應用最成熟的主要有燃料電池和鋰電池。雖然燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率可以高達40%～50%，而且重量輕、符合環(huán)保要求，但由于燃料電池依賴燃料補充，無法滿足長航時飛行對續(xù)航時間的要求，因此大多數(shù)太陽能飛機仍然采用高能量密度的鋰電池來儲備電能。

與其他電池相比，鋰電池的能量密度大、電壓高、自放電率低、循環(huán)使用壽命長、高溫放電性能優(yōu)于其他各類電池、不含有重金屬有害物質(zhì)，無環(huán)境污染等。表1為不同種類的蓄電池的性能對比。

盡管鋰電池的能量密度已經(jīng)很高，目前也只能滿足電動推進系統(tǒng)的最低要求。因此，要滿足高空長航時太陽能無人機的使用要求，儲能器件還需有較大幅度的提高，另外，鋰電池在高空低溫環(huán)境下使用時的環(huán)境適用性也是需要解決的關鍵問題之一。

能源綜合管理系統(tǒng)

高空長航時太陽能無人機通過太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過鋰電池或燃料電池的配合，以及相關電器附件，如功率轉(zhuǎn)化器、電子調(diào)速器等設備的配合，驅(qū)動無刷直流電機和螺旋槳，為無人機提供動力，同時為機上的飛控、航電以及任務系統(tǒng)等設備提供能源。

由于供電和用電系統(tǒng)并存，而且大量不同用電品質(zhì)的負載同時工作，因此，為了在有限的資源下最大程度地滿足各單元的用電需求，需要通過能源綜合管理系統(tǒng)實現(xiàn)對全機能源的管理分配和優(yōu)化。通常對能源綜合管理系統(tǒng)的要求有：實時接收飛行管理計算機給出的電力需求信息；實時探測太陽能電池、蓄電池的工作狀態(tài)信息；根據(jù)測量信息對能源進行控制，滿足不同階段的能量需求：能夠處理來自能源系統(tǒng)的突發(fā)故障情況等。


能源綜合管理系統(tǒng)的主要作用就是實時監(jiān)測各單元的能源供給和需求，并合理高效地進行能量分配，使得太陽能電池吸收轉(zhuǎn)換的能量得到最好的利用。太陽能無人機的飛行過程可以概括為能量的收集、儲存、管理和消耗的過程。在設計過程中, 需要通過能源綜合管理系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構，提高能源利用率。


完整的能源管理系統(tǒng)組成包括：地面站控制端、飛行控制模塊、動力系統(tǒng)模塊、電源系統(tǒng)模塊、能源管理控制模塊以及傳感器模塊等。地面站控制端將能源控制指令發(fā)射給機載計算機，機載計算機將無人機飛行的功率需求信息和能源控制指令以及傳感器測量到的信息都傳遞給能源管理控制單元，能源管理控制單元將電力需求信息傳遞給電子調(diào)速器，以控制動力系統(tǒng)的功率輸出，執(zhí)行給定的能源管理控制策略，控制各個電源的輸出以滿足動力系統(tǒng)的需求。