太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

曲 鵬，王 寅

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

曲 鵬，王 寅

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

闡述了太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的特殊需求目標(biāo)和設(shè)計要求，介紹了太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)的組成，主要部件的發(fā)展現(xiàn)狀。對現(xiàn)有太陽電池、儲能化學(xué)電池和電源控制系統(tǒng)的特點進(jìn)行了梳理，并對未來臨近空間應(yīng)用的大型太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了總結(jié)。提出未來太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備將圍繞硅太陽電池陣和薄膜太陽電池陣為發(fā)展的熱點方向，儲能設(shè)備將由鋰離子電池、鋰硫電池和可再生燃料電池為研究重點，關(guān)鍵技術(shù)突破高效能、高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性的臨近空間無人機(jī)電源系統(tǒng)研究。

電源系統(tǒng)；太陽能無人機(jī)；太陽電池；儲能電池

太陽能無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展成熟，依賴于以太陽能為輸入能源的電源系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，最早該電源系統(tǒng)用于衛(wèi)星、空間站、宇宙飛船的供電，隨著作戰(zhàn)需求的多樣化和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的成熟化，使得太陽能電源系統(tǒng)成功地應(yīng)用于臨近空間無人機(jī)上，從而拓寬了新的設(shè)計領(lǐng)域。

太陽能飛機(jī)是利用機(jī)翼鋪設(shè)太陽電池陣，機(jī)身和機(jī)翼內(nèi)部的安裝儲能電池組，并通過電纜網(wǎng)和電源控制器為飛機(jī)機(jī)載設(shè)備及推進(jìn)系統(tǒng)提供能量，完成飛行任務(wù)。具有代表性并實現(xiàn)長時間留空飛行的太陽能無人機(jī)有美國的Helios，英國的Zephyr，瑞士的Sky-Sailor等。

太陽能無人機(jī)為了達(dá)到足夠的照射面積，一般飛機(jī)尺寸較大，翼載小，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量相對較低，這就要求太陽能電源系統(tǒng)本身的質(zhì)量不能過高，并有更高的質(zhì)量比功率。由于在飛行過程中，能量的吸收率會在不同季節(jié)，不同時間有很大變化，在優(yōu)化航跡和動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，必須選擇效率更高的太陽電池和儲能電池，并對電源管理系統(tǒng)提出了更高的要求。

太陽能飛機(jī)電源系統(tǒng)的可靠性，可維護(hù)性和操作性要高，要有相應(yīng)的可擴(kuò)展性和升級能力，適應(yīng)重復(fù)使用和較長壽命周期的要求。在高空飛行的太陽能飛機(jī)，還要求其電源系統(tǒng)具有較好的低溫特性，在臨近空間低溫低傳熱的極限環(huán)境下仍能保持較好的充放電能力。在選擇太陽電池和制造過程中，也要考慮到價格因素，由于要實現(xiàn)產(chǎn)品化，對性價比提出了更高的要求。

1 太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)組成及特點

1.1 系統(tǒng)組成

太陽能無人機(jī)的電源系統(tǒng)一般由發(fā)電子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)、電源控制子系統(tǒng)共同構(gòu)成。電源系統(tǒng)在飛機(jī)上與飛控系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等相連，另外，電源系統(tǒng)還要與地面的控制站實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。如圖1所示。

1.2 太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)特點

太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)不同于衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計思想，既要保證系統(tǒng)的高可靠性，又要要求質(zhì)輕效優(yōu)，還要具備在大氣環(huán)境及臨近空間內(nèi)的環(huán)境適應(yīng)性，并且在設(shè)計與選材上考慮高性能價格比和性能質(zhì)量比。

2 太陽能無人機(jī)電源體系發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 發(fā)電子系統(tǒng)

太陽能功率密度會隨著高度增加而提高，從地面上的80 mW/cm2上升到太空中的136.7 mW/cm2。采用太陽輻射能作為發(fā)電單元，可以實現(xiàn)長時間留空飛行；且太陽能是清潔能源，飛機(jī)不用安裝排氣裝置，不會對環(huán)境造成污染，也不會對機(jī)載大氣測量傳感器帶來干擾。

鋪設(shè)在機(jī)翼和尾翼表面的太陽電池，以硅基太陽電池和化合物太陽電池為主。目前成熟的可用于太陽能飛機(jī)的太陽電池主要有單晶硅太陽電池，非晶硅太陽電池，GaAs系列太陽電池，CIS(CIGS)系列太陽電池等，其中非晶硅和CIS(CIGS)系列太陽電池為薄膜太陽電池。表1給出了不同電池的轉(zhuǎn)換效率。

表1 各種太陽電池單體的性能(AMO，25 ℃)

2.1.1 硅太陽電池

硅太陽電池可以分為三種，單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池。其中單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率最高，大量用于航天飛行器的發(fā)電系統(tǒng)，單晶硅太陽電池單體轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 20%，目前國內(nèi)應(yīng)用型單體厚度達(dá)到150μm，組件級轉(zhuǎn)換效率達(dá)17.5%(AM1.5，25℃)，多塊單體的陣列串聯(lián)可實現(xiàn)在柔性機(jī)翼上大規(guī)模鋪設(shè)。單晶硅的制備和原材料價格較高，使得電池成本居高不下，制約了單晶硅電池在太陽能飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用。多晶硅太陽電池成本較低，但是轉(zhuǎn)換效率較低，現(xiàn)階段技術(shù)還不能滿足太陽能無人機(jī)的能量需要。美國Pathfinder無人機(jī)上使用了單晶硅太陽電池(圖2)，其組件平均轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15.29%。

非晶硅a-Si薄膜太陽電池作為單晶硅的替代品，目前成為一種最具潛力的研究對象，利用柔性輕質(zhì)襯底制備的電池模塊，使得非晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高到10%以上。美國USO (United Solar Ovonic)公司聲稱其非晶硅產(chǎn)品采用一系列新技術(shù)已經(jīng)將電池效率提升至12%(AM0)，采用聚合物襯底的研究和開發(fā)使得電池單體的質(zhì)量比功率超過1 000 W/kg[1]。非晶硅薄膜電池被“西風(fēng)”無人機(jī)選作為主電源，完成了多次長時間飛行測試。

2.1.2 GaAs系列太陽電池

砷化鎵(GaAs)太陽電池比硅太陽電池具有更高的轉(zhuǎn)換效率，但價格昂貴。受大范圍溫度循環(huán)影響小而且抗輻射性能好。它可制成薄膜和超薄型太陽電池，其有源層只需3～5 μm，就可達(dá)到較高的吸收系數(shù)。目前，由于金屬有機(jī)化學(xué)汽相外延技術(shù)的日益完善，普通GaAs電池逐步被特性更好的異質(zhì)襯底和多結(jié)級聯(lián)太陽電池所取代。

1993年，ASEC公司的GaAs/Ge電池在美國制成。這些砷化鎵單體通過金屬有機(jī)物氣相外延生長的方法生長在一個活性不強(qiáng)的鍺元素基上。這些電池單體都是6 cm×6 cm大小，厚度為8.89×10-2或11.43×10-2mm，極其容易破碎。在高空環(huán)境下，電池單體的效率在14%到19%之間。GaAs/Ge電池最高單體效率可達(dá)20.43%，Iles等人對其進(jìn)行的研究結(jié)果顯示GaAs/Ge電池比一般的GaAs電池具有更好的抗反向擊穿能力。

近年來，圍繞多結(jié)GaAs電池的研究取得了一定成果，四結(jié)GaAs電池的理論效率高達(dá)43%。其中GaInP2/GaAs/Ge三結(jié)電池已成功應(yīng)用于國內(nèi)衛(wèi)星、飛船等空間產(chǎn)品上，轉(zhuǎn)換效率不低于28%，厚度僅175 μm。

2.1.3 CIS系列太陽電池

從20世紀(jì)80年代以來，銅銦硒(CIS)和銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池以其廉價、高效、接近于單晶硅太陽電池的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的空間抗輻射性能等優(yōu)點而成為最具潛力的第三代太陽電池材料。目前，圍繞CIGS電池的研究方法非常多，國外采用多源蒸發(fā)法制備的電池已經(jīng)將電池效率提高到19.5%，國內(nèi)研究人員也制成了效率超過14%的成品[2]。利用柔性襯底的薄膜技術(shù)，CIS(CIGS)電池的質(zhì)量比功率和抗輻射能力也有巨大提高。但是目前該系列電池受制備工藝復(fù)雜性的限制，如何制造大面積薄膜電池陣，實現(xiàn)商業(yè)化還有許多課題需要研究。目前，國外CIS和CIGS電池的應(yīng)用主要是航天器太陽電池陣。

圖2 Pathfinder無人機(jī)硅電池片的鋪設(shè)

2.2 儲能子系統(tǒng)

太陽能飛機(jī)能源存儲系統(tǒng)在整機(jī)質(zhì)量中占有較大的比例，這是因為各種儲能電池的比能量還比較低，歷史上，太陽能飛機(jī)上應(yīng)用的儲能電池先后采用了銀鋅電池、鎘鎳電池、氫鎳電池、鋰離子電池、鋰硫電池、燃料電池等。目前較為先進(jìn)的輕小型太陽能飛機(jī)仍采用傳統(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。大型高空太陽能飛機(jī)多用大規(guī)模鋰離子電池、鋰硫電池、燃料電池等高比能量電池，使得飛機(jī)能夠飛得更高，加載更多的有效載荷。

2.2.1 鋰離子電池

鋰離子電池是目前普遍應(yīng)用于先進(jìn)太陽能飛機(jī)上的儲能裝置，Solong太陽能飛機(jī)上搭載了5.6 kg鋰電池，Solar Impulse太陽能飛機(jī)在其晝夜飛行實驗中，采用了400 kg的鋰電池。鋰離子電池優(yōu)點是工作電壓高達(dá)3.6 V，充放電壽命長，比能量高(可達(dá)150 Wh/kg)，無記憶效應(yīng)，維護(hù)方便，無污染。缺點是如果出現(xiàn)過充電，Li+將以單質(zhì)狀態(tài)出現(xiàn)，電池也可能會產(chǎn)生安全問題。因此，國內(nèi)外研制開發(fā)了多種鋰聚合物電池，提高其安全性。鋰聚合物電池中的固態(tài)高聚物同時充當(dāng)電解質(zhì)與隔膜，從而提高了電池比能量。目前國內(nèi)鋰離子電池采用新型高能多元復(fù)合材料，單體比能量可以達(dá)到235 Wh/kg，組合后電池組比能量達(dá)到200 Wh/kg以上。

與鋰離子電池相比，鋰聚合物電池結(jié)構(gòu)可燃性低、體積小、質(zhì)量輕、比能量高、自放電小、可制成任意形狀[3]。NASA正在開發(fā)的一種適合空間用及民用的改進(jìn)型鋰聚合物電池研究目標(biāo)為質(zhì)量比能量200～250 Wh/kg，體積比能量為350～400 Wh/L，25%循環(huán)壽命周期為35 000周，100%循環(huán)壽命周期為2 000周[4]。目前，鋰聚合物電池未能應(yīng)用于太陽能無人機(jī)，關(guān)鍵是其低溫特性不良的問題，在高空低溫低壓環(huán)境下，對于儲能電池特性是一個巨大挑戰(zhàn)。

2.2.2 鋰硫電池

“西風(fēng)”搭載的儲能電池為鋰-硫電池，為其夜間飛行提供動力，比能量是鋰聚合物電池的2倍。該電池不僅比能量高，并且能以大電流狀態(tài)下連續(xù)放電，以保證為太陽能無人機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)大功率供電。單質(zhì)硫的理論比容量為1 675 mAh/g，與鋰組裝成電池，理論比能量可達(dá)2 600 Wh/kg，具有相當(dāng)可觀的研究前景[5]。美國Sion Power公司制造的鋰硫電池產(chǎn)品比能量在350～380 Wh/kg左右，質(zhì)量14～16 g，容量為2.4～2.8 Ah。但是目前該項技術(shù)還不成熟，鋰硫電池還存在安全性問題，目前國內(nèi)研制的鋰硫電池在大電流放電狀態(tài)下不穩(wěn)定。另外，循環(huán)性能不高的問題還需要進(jìn)一步研究解決。

2.2.3 燃料電池

與蓄電池基礎(chǔ)儲能系統(tǒng)相比，再生燃料電池系統(tǒng)(RFCS)因為比能量和電效率不具備足夠的吸引力，使得其沒有得到足夠的重視。后來采用輕質(zhì)壓力容器設(shè)計改進(jìn)減輕了質(zhì)量，改善了性能，使RFCS能源儲存系統(tǒng)的比能量的提高成為可能。該項技術(shù)應(yīng)用于NASA的“太陽神”無人機(jī)，其比能量達(dá)到790 Wh/kg，發(fā)電效率可達(dá)到53.4%。

目前，RFCS技術(shù)的主要研究重點在于電解池電解水的效率問題，因為與技術(shù)較成熟的H2-O2燃料電池的放電過程相比，電解效率不高一直制約著燃料電池系統(tǒng)的整體能量轉(zhuǎn)換效率，而且充放電兩個過程中均產(chǎn)生大量熱，也使得能量不能夠充分利用，因此，在應(yīng)用RFCS于太陽能無人機(jī)儲能系統(tǒng)時，仍要持謹(jǐn)慎態(tài)度，其可靠性仍需進(jìn)一步提高。

2.2.4 鋰空氣電池

鋰空氣電池是利用了金屬鋰在空氣中的劇烈反應(yīng)放出大量能量為原理，制成能夠反復(fù)充放電的超高比能量電池，理論比能量可達(dá)11 140 Wh/kg，且價格低廉，環(huán)境友好，是未來儲能電池的研究熱點。目前鋰空氣電池尚處于實驗室研究階段，循環(huán)壽命與可靠性問題還需深入研究與解決。

2.3 控制子系統(tǒng)

電源控制器是管理電源系統(tǒng)的關(guān)鍵，如今采用分布式管理的MPPT控制器成為應(yīng)用的首選。這種控制器具有太陽電池陣工作點自適應(yīng)匹配功能的MPPT控制器，具有輕質(zhì)高效體積小發(fā)熱量小的特點，能夠通過輸入輸出的雙向追蹤來匹配太陽陣輸出功率和負(fù)載得到的功率，達(dá)到能量的最佳利用率。對于太陽能長航時飛行任務(wù)，對于電源控制器提出了新要求，它需要與飛控系統(tǒng)，大氣檢測系統(tǒng)等協(xié)同工作，優(yōu)化能源利用率，適應(yīng)飛行包線內(nèi)的環(huán)境要求。

2.4 太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)的應(yīng)用

太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)雖然具有功率范圍寬，工作壽命長，自主性強(qiáng)的特點，但是比功率仍比較低，制約了該電源系統(tǒng)在太陽能飛機(jī)上的應(yīng)用，目前國內(nèi)太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)主要應(yīng)用于航天器，比功率僅為13 W/kg左右。電源系統(tǒng)的質(zhì)量約占航天器總質(zhì)量的30%以上，目前針對太陽能無人機(jī)，必須采用高效薄型電池片，使用高比能量的新型鋰離子電池，在電源控制裝置中，采用高頻高效開關(guān)電源技術(shù)，可顯著減少電源系統(tǒng)的質(zhì)量[6]。對于高效的氫氧燃料電池，雖然其本身比能量較高，但是電池的整體質(zhì)量較大，對于輕質(zhì)太陽能飛機(jī)還存在很多現(xiàn)實困難，需要更大的機(jī)翼面積才可搭載整個燃料電池系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)示意圖

3 未來研究熱點與前景展望

未來太陽能無人機(jī)設(shè)計的目標(biāo)是高空長航時留空巡航，因此對無人機(jī)電源系統(tǒng)的設(shè)計要求提出了更高的要求：(1)由于單晶硅電池技術(shù)最為成熟，因此現(xiàn)階段太陽能無人機(jī)仍將主要采用硅電池作為主要的發(fā)電材料。如何降低硅太陽電池陣的成本，提高轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量比功率，使其更適合于平流層內(nèi)的大氣環(huán)境；(2)發(fā)展多種新型太陽電池。非晶硅和CIGS等薄膜太陽電池因其柔性好，成本低，效率高，未來將向大規(guī)模太陽電池陣產(chǎn)品化和輕型化方向發(fā)展，輕質(zhì)襯底和一體化集成技術(shù)都將成為挑戰(zhàn)，為減輕質(zhì)量，需要在壓低成本的基礎(chǔ)上整體轉(zhuǎn)換效率超過20%；(3)開展太陽電池組件的力學(xué)特性、環(huán)境特性的研究。目前國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)圍繞太陽電池陣組件的研究多偏重光學(xué)、電學(xué)特性，對于復(fù)雜力學(xué)環(huán)境、高空熱環(huán)境、大氣環(huán)境的研究還需進(jìn)一步深入；(4)提高儲能電池的比能量和安全性，儲能電池比能量超過200 Wh/kg。鋰電池發(fā)展已基本成熟，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)安全性更高，性能更好的儲能蓄電池，如鋰-聚合物電池、鋰-硫磺電池等。減小整個儲能系統(tǒng)在整機(jī)中的質(zhì)量密度；(5)進(jìn)一步開展可再生燃料電池作為儲能設(shè)備的技術(shù)研究，目前國內(nèi)對再生燃料電池系統(tǒng)尚處于研發(fā)階段，未來將朝著輕便、高效、安全的方向發(fā)展，必將帶動太陽能無人機(jī)整體性能的提升；(6)開發(fā)功能強(qiáng)、效率高、可靠性好的電源控制與管理系統(tǒng)。對于逐漸發(fā)展起來的大型太陽能無人機(jī)，隨著其飛行領(lǐng)域的擴(kuò)展和設(shè)備的增多，電源系統(tǒng)將更為復(fù)雜，自動化程度和可靠性要求都要更高，必然朝著智能化的方向發(fā)展。

[1]HAUSGEN P E,GRANATA J E,SENFT D,et al.AFRL thin film solar cell development and upcoming flight experiments[C]//2nd International Energy Conversion Engineering Conference.Wuhan：2nd IECEC，2004，8：16-19.

[2]杜晶晶，龍飛，鄒正光，等.CIS(CIGS)薄膜材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2007，4(21)：9.

[3]鄭如定.鋰離子電池和鋰聚合物電池概述[J].通信電源技術(shù)，2002，10(5)：20.

[4]帕特爾著.航天器電源系統(tǒng)[M].韓波，等譯.北京：中國宇航出版社，2010：8.

[5]皮華濱，王傳新，汪建華，等.鋰硫電池的研究現(xiàn)狀與展望[J].電池，2009，39(2)：113.

[6] 馬世俊.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京：中國宇航出版社，2001：12.

《典型開關(guān)電源電路識圖與應(yīng)用快捷入門》

本書以講解典型開關(guān)電源電路的基礎(chǔ)知識為切入點，介紹了開關(guān)電源電路識圖與應(yīng)用快捷入門的基礎(chǔ)知識及抗干擾與整流濾波電路、分立元器件逆變電路、逆變與控制電路，以及分立元器件與集成電路開關(guān)電源實用電路的識圖與應(yīng)用。通過對電子產(chǎn)品中應(yīng)用的典型電路的結(jié)構(gòu)、工作原理及電路功能的詳細(xì)講解，使讀者快捷掌握開關(guān)電源電路的識圖技巧，并能在實踐中靈活應(yīng)用。

Development status and prospect of solar power systems for UAVs

QU Peng,WANG Yin

The special targets and design requirements of UAVs'solar power system were described.The composition of the power system and the development status of the main parts were introduced.The characters of the existing solar cells, storage batteries and power control systems were sorted. The future challenges to the large solar systems for UAVs in the application of approaching space were summarized. The future development of power system for UAVs was introduced that the silicon solar cell and film solar cell array would be adopted as power generating equipment;the lithium ion battery,lithium sodium battery or recyclable fuel cell would be developed as the power storage equipment. The power system for near space UAVs would be researched by acquiring the key technologies of high efficiency,high reliability and high environmental suitability.

power system;solar UAV;solar cell;storage battery

TM 914

A

1002-087 X(2015)04-0864-03

2014-09-10

曲鵬（1983—），男，天津市人，工程師，主要研究方向為太陽能無人機(jī)電源系統(tǒng)管理。