朱立宏,孫國瑞,*,呼文韜,李釧,付增英,于智航,劉正新
1. 中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所,天津 300384 2. 中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海 200050
近年來,有關(guān)臨近空間飛行器的研發(fā)興起。資料顯示,臨近空間飛行器可以替代衛(wèi)星的絕大部分功能,如通信、導(dǎo)航、農(nóng)業(yè)、氣象、測繪等。由于臨近空間飛行器距離地面更近,它們因此具備衛(wèi)星所不可比擬的成本優(yōu)勢和因距離產(chǎn)生的獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢[1-2]。在眾多臨近空間飛行器的研制中,臨近空間無人機(jī)是其中的研究熱點(diǎn)。常規(guī)無人機(jī)存在諸多不足,其中最主要的缺陷是空中停留時(shí)間較短,而造成這一問題的原因是常規(guī)無人機(jī)攜帶燃料有限且無法自制能量[3]。而太陽能光電技術(shù)的迅速進(jìn)步,使得太陽能無人機(jī)獲得了環(huán)境發(fā)電的能力,打破了常規(guī)無人機(jī)攜帶能源有限的限制,配合臨近空間穩(wěn)定的飛行條件,各國都紛紛掀起臨近空間太陽能無人機(jī)的研發(fā)熱潮,如“Zephyr”系列、“”Solara 50”“Aquila”“Helios”系列、“太陽脈動(dòng)”系列和“彩虹”系列等[4-16]。由于太陽能無人機(jī)可利用外部環(huán)境自制能量,理論上續(xù)航時(shí)間幾乎不受限制,但飛機(jī)依靠太陽電池發(fā)電能量來源單一且功率密度較低,儲能電池組比能量的提升達(dá)到瓶頸、能源控制系統(tǒng)應(yīng)對多變條件能力不足、邊界條件限制、隨機(jī)干擾因素過多等原因制約了飛機(jī)跨晝夜飛行的能力[17-19]。因此,突破現(xiàn)有太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)供電能力的瓶頸是目前太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的當(dāng)務(wù)之急,本文詳細(xì)闡述太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的組成、關(guān)鍵技術(shù)以及未來發(fā)展趨勢,為未來飛行器的設(shè)計(jì)提供參考。
太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)(如圖1所示)一般由太陽電池陣、儲能電池及能源控制系統(tǒng)構(gòu)成[19],本節(jié)主要針對太陽能無人機(jī)用的太陽電池與儲能電池的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。
臨近空間飛行器一般采用柔性、輕質(zhì)、高效能太陽電池作為發(fā)電單元,而滿足這樣特征的太陽電池種類主要有非晶硅(α-Si)薄膜太陽電池、銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽電池、柔性多結(jié)砷化鎵(GaAs)薄膜太陽電池以及晶體硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)電池、交叉背接觸(IBC)電池、鈍化發(fā)射極及背局域接觸(PERC)電池等超薄晶體硅太陽電池,上述幾種太陽電池的性能指標(biāo)如表1所示[20-31]。
從多年行業(yè)發(fā)展情況看,非晶硅太陽電池和銅銦鎵硒太陽電池性能提升幅度有限,國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)配套不完整限制了其進(jìn)一步發(fā)展。柔性砷化鎵太陽電池綜合性能未來發(fā)展?jié)摿ψ畲?,但目前由于產(chǎn)量較低造成成本較高,隨著產(chǎn)業(yè)化水平提升其成本將逐漸降低。SHJ、IBC及PERC這3種電池均采用超薄單晶硅作為基材制作,但PERC電池和IBC電池由于電池結(jié)構(gòu)不對稱,且需要經(jīng)過多道高溫處理工序,產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電池片彎曲,易破碎,產(chǎn)品成品率較低。其中IBC太陽電池由于其特殊結(jié)構(gòu),背面柵線必須達(dá)到一定密度才能保證串聯(lián)電阻最低,這又造成其電極重量無法減輕。SHJ電池采用對稱結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)PN結(jié)設(shè)計(jì)和低溫工藝制造,在3種晶硅電池中是最容易實(shí)現(xiàn)高效、超薄、超輕、高柔性的技術(shù)方案。綜上分析,對于太陽能無人機(jī)應(yīng)用前景較好的太陽電池種類為砷化鎵電池和SHJ電池。
圖1 太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of solar powered unmanned aerial vehicle energy system
表1 臨近空間飛行器應(yīng)用的太陽電池性能指標(biāo)總結(jié)[20-31]
Table 1 Summary of solar cell performances applied for near space vehicles[20-31]
電池種類理論效率/%(AM0,1 353 W/m2)目前效率/%(AM0,1 353 W/m2)理論效率實(shí)現(xiàn)程度/%目前單體太陽電池面密度/(g·m-2)目前單體太陽電池比功率/(W·kg-1)目前太陽電池柔性度非晶硅25728170557可彎曲180°以上銅銦鎵硒28PI襯底:10不銹鋼襯底:14.251PI襯底:170不銹鋼襯底:800PI襯底:796不銹鋼襯底:240可彎曲180°以上砷化鎵3831811702 467可彎曲180°以上SHJ2620.5792331 190可彎曲120°IBC262181320888可彎曲40°PERC2618.7572300845可彎曲70°
1.1.1 砷化鎵太陽電池
與硅太陽電池相比,砷化鎵太陽電池具有轉(zhuǎn)換效率高、耐高溫、抗輻射性能好和可制成全柔性電池等優(yōu)點(diǎn)。近年來,新興的柔性多結(jié)砷化鎵薄膜太陽電池采用倒裝晶格失配(IMM結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)制作,并配合外延剝離技術(shù)(Epitaxial Lift Off, ELO)進(jìn)行柔性化處理,即在砷化鎵襯底上外延生長GInP/GaAs/InGaAs等子電池,然后剝離并轉(zhuǎn)移到柔性襯底上[21-22]。如圖2所示,由美國Micro Link公司研制的最新一代柔性砷化鎵太陽電池比功率超過1 500 W/kg,面功率超過350 W/m2(AM1.5,1 000 W/m2)[21],并應(yīng)用至了空客Zephyr S太陽能無人機(jī)項(xiàng)目上。如圖3所示,由中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所研制的全柔性砷化鎵太陽電池組件面密度為415 g/m2,
圖2 Micro Link公司研制的多結(jié)砷化鎵太陽電池[21]Fig.2 Multijunction GaAs solar cell developed by Micro Link[21]
圖3 中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所 研制的砷化鎵電池組件Fig.3 GaAs cell module developed by Tianjin Institute of Power Sources
半硬式砷化鎵太陽電池組件面密度為550 g/m2,效率超過29%(AM0,1 353 W/m2,25 ℃)。但是,作為新型高效電池其產(chǎn)業(yè)配套處于起步階段,應(yīng)用成本在短時(shí)間內(nèi)仍較高。
1.1.2 晶體硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)太陽電池
晶體硅異質(zhì)結(jié)太陽電池是一種高效太陽電池,由日本三洋公司發(fā)明[25-26]。2011年該技術(shù)被引入中國,經(jīng)過8年的發(fā)展已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。國內(nèi)中科院上海微系統(tǒng)與信息、技術(shù)研究所研制的超薄SHJ太陽電池的實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到24%(硅片厚度85 μm),產(chǎn)業(yè)化效率22.5%(硅片厚度95 μm)。SHJ電池利用薄膜硅電池技術(shù),在晶體硅表面分別沉積超薄非晶硅薄膜疊層(每層厚度約5 nm)以及透明導(dǎo)電氧化物(約100 nm),加上金屬電極制成具有對稱結(jié)構(gòu)的晶體硅/非晶硅異質(zhì)結(jié)太陽電池,如圖4所示,圖中TCO為透明導(dǎo)電膜;p/i a-Si為p型/本征非晶硅;i/n a-Si為n型/本征非晶硅;n type c-Si為n型單晶硅(表面結(jié)構(gòu))。
圖4 SHJ太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of SHJ solar cell
由于SHJ太陽電池制作過程工藝溫度低于200 ℃,避免了制作過程中由于高溫?zé)釕?yīng)力導(dǎo)致的硅片彎曲,降低了硅片破損的風(fēng)險(xiǎn),成品率達(dá)到98%以上;具有兩面對稱結(jié)構(gòu),適宜于減薄,厚度為100 μm的電池依然保持較高的轉(zhuǎn)換效率;高效、超薄、柔性的雙面發(fā)電SHJ電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。如圖5所示,由中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所研制的SHJ太陽電池組件平均面密度為540 g/m2,平均效率為21.3%(AM1.5,1 000 W/m2),單個(gè)組件最大尺寸達(dá)1.3 m×0.91 m,已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用。
圖5 中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所研制的 SHJ電池組件Fig.5 SHJ cell module developed by Tianjin Institute of Power Sources
儲能電池的比能量高低決定著太陽能無人機(jī)是否能夠越夜飛行,循環(huán)壽命決定著太陽能無人機(jī)是否能夠進(jìn)行幾周甚至上月的長航時(shí)飛行。目前長航時(shí)太陽能無人機(jī)使用比較成功的儲能電池為鋰硫電池和納米線結(jié)構(gòu)硅負(fù)極鋰離子電池。
1.2.1 鋰硫電池
美國Sion Power公司2004年研制的高能鋰硫電池[32]比能量達(dá)到250~300 W·h/kg,可循環(huán)300周期。2010年Sion Power公司成功地將其研制的鋰硫電池應(yīng)用于由英國Qineti Q國防科技集團(tuán)研發(fā)的高空太陽能無人機(jī)“Zephyr 7”,創(chuàng)造了無人機(jī)連續(xù)飛行14 d 22 min 8 s、飛行高度21 km、低溫低氣壓應(yīng)用環(huán)境等多項(xiàng)世界記錄。所采用的Sion Power鋰硫電池(如圖6所示),單體額定容量2.5 Ah、比能量達(dá)到350 W·h/kg、循環(huán)50周期。
圖6 太陽能無人機(jī)用鋰硫電池組Fig.6 Lithium-sulfur battery applied for solar UAV
1.2.2 納米線結(jié)構(gòu)硅負(fù)極的鋰離子電池
目前,美國Amprius公司已實(shí)現(xiàn)納米線結(jié)構(gòu)硅負(fù)極鋰離子電池單體的批量生產(chǎn)[33],并配套給空客公司Zephyr SHAPS(高空偽衛(wèi)星)無人機(jī)項(xiàng)目,電池重量能量密度大于435 W·h/kg,體積能量密度大于1 200 W·h/L。2018年7月11日,采用硅納米線鋰離子電池的Zephyr S太陽能無人機(jī)完成首飛,在飛行了25 d 23 h 57 min后于8月5日降落于亞利桑那沙漠,創(chuàng)造了飛行時(shí)間和飛行高度的非官方記錄。
目前太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)能夠滿足基本飛行要求[34]。但太陽能無人機(jī)要想實(shí)現(xiàn)實(shí)用化應(yīng)用,有效載荷搭載能力至少為50 kg、飛行時(shí)間至少達(dá)到3個(gè)月,相應(yīng)的太陽電池組件效率不低于30%(AM0,1 353 W/m2),儲能電池單體比能量不低于450 W·h/kg,同時(shí)100%DOD循環(huán)壽命要達(dá)到100周期以上。
就目前國內(nèi)外發(fā)展情況來看,砷化鎵太陽電池組件效率最高可達(dá)到31%(AM0,1 353 W/m2),已基本滿足實(shí)用化應(yīng)用太陽能無人機(jī)的發(fā)電需求,但高比能鋰離子電池的循環(huán)周期僅為30~50周期,在此之后電池比能量存在較大的衰減,與實(shí)用化太陽能無人機(jī)的技術(shù)要求存在較大差距,且短時(shí)間內(nèi)很難突破。
儲能電池的技術(shù)瓶頸限制了實(shí)用化應(yīng)用太陽能無人機(jī)的長航時(shí)越夜飛行,拓寬能量來源、尋找太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)自身的優(yōu)化方案是現(xiàn)階段太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)發(fā)展的較優(yōu)方案。
從能量獲取角度分析,儲能電池蓄電能力有限,不足以將白天太陽電池所發(fā)電力充分吸收,而夜間又無其他手段補(bǔ)充能量,這就降低了太陽能無人機(jī)的長時(shí)間飛行能力。若突破太陽能這種單一能源獲取方式的限制,則會(huì)大幅提升太陽能無人機(jī)的續(xù)航能力。
從能源系統(tǒng)優(yōu)化角度分析,臨近空間太陽能無人機(jī)的大尺度機(jī)翼造成光伏發(fā)電能力差異大、負(fù)荷分布不平衡,使得飛機(jī)的能量調(diào)度以及協(xié)同控制難度加大,能源系統(tǒng)的整體利用率降低。若采用合理的智能化能量調(diào)度方案,則會(huì)大幅提升儲能電池組的有效放電深度,同時(shí)降低能量網(wǎng)絡(luò)中傳輸損耗,從而降低對儲能電池組比能量的要求。
從任務(wù)角度分析,太陽能無人機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊中繼、電子偵測等功能離不開大口徑、高性能天線,而傳統(tǒng)天線由于太陽電池陣的屏蔽作用,在安裝時(shí)擠占其安裝面積,使能源系統(tǒng)與載荷系統(tǒng)無法同時(shí)達(dá)到最優(yōu),且突出的天線還會(huì)破壞飛機(jī)的氣動(dòng)外形影響升阻比,降低氣動(dòng)效率。若以平面陣天線技術(shù)為基礎(chǔ)將太陽電池陣與天線陣一體化,則可同時(shí)實(shí)現(xiàn)載荷的輕量化、太陽電池陣布片面積最大化以及氣動(dòng)外形最優(yōu)化,從而降低飛機(jī)對能源系統(tǒng)的整體要求,特別是儲能電池比能量的要求。綜合來看,在突破儲能電池瓶頸前,現(xiàn)階段太陽能無人機(jī)的主要發(fā)展方向?yàn)槟芰揩@取多元化、能源系統(tǒng)管理高效化以及能源載荷系統(tǒng)一體化。如表2所示,具體的可實(shí)施方向?yàn)闊o線傳能技術(shù)、智能化能源系統(tǒng)以及太陽電池陣與天線載荷一體化。
表2 太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的未來發(fā)展方向Table 2 Future development direction of solar UAV energy system
儲能電池組儲能能力有限、太陽電池發(fā)電功率密度低,制約著臨近空間飛行器技術(shù)的發(fā)展,即太陽能無人機(jī)對能量來源問題解決方案的改變提出了迫切要求。如圖7所示,拓展能量來源渠道、發(fā)展無線傳能技術(shù)是未來支撐臨近空間太陽能無人機(jī)長時(shí)駐空執(zhí)行任務(wù)的有效途徑之一。
基于對各類無線傳能技術(shù)特點(diǎn)的調(diào)研分析(如表3[35-55]所示)可知,針對于臨近空間太陽能無人機(jī)20 km級的飛行高度,適合的傳能方式為激光無線傳能與微波無線傳能。
圖7 無線傳能示意圖Fig.7 Schematic diagram of wireless energy transmission
表3 各類無線傳能技術(shù)的特點(diǎn)分析[35-55]Table 3 Characteristic analysis of various wireless energy transfer technologies[35-55]
2.1.1 激光無線傳能技術(shù)
激光無線傳能技術(shù)具有指向性好、光電接收面積小和傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn),適用于遠(yuǎn)距離傳能應(yīng)用領(lǐng)域[44-50]。近年來,美國、日本、歐洲等國家紛紛開展了無人機(jī)激光無線能量傳輸技術(shù)的研究(如圖8[43]所示)。2005年,美國國家航空和宇宙航行局的馬歇爾空間飛行中心利用強(qiáng)激光(輸出功率500 W、輸出波長940 nm)對15 m以外微型飛行器表面的三結(jié)Ga:In:P2光電池進(jìn)行照射,實(shí)現(xiàn)對微型發(fā)動(dòng)機(jī)供電(6 W)并保證了其正常工作。2012年,美國洛克希德·馬丁公司與美國激光動(dòng)力公司成功試驗(yàn)了一種新型激光能量傳輸系統(tǒng)對“潛行者”(Stalker)無人機(jī)室外無線傳能,實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)連續(xù)48 h的空中飛行[45-46]。
圖8 激光無線傳能[43]Fig.8 Wireless transmission of laser energy[43]
2.1.2 微波無線傳能技術(shù)
微波無線傳能技術(shù)是以地球與大氣電離層作為諧振器,使兩者之間發(fā)生低頻諧振向外發(fā)射頻率8 Hz的電磁波,利用可在空間內(nèi)使用的接收天線自由接收電能[51-55]。在1964年Brown首次成功驗(yàn)證微波動(dòng)力直升機(jī)后,美國、日本等國家紛紛開始了無人機(jī)微波無線傳能技術(shù)領(lǐng)域的研究。1992年,日本“MILAX”研制了2.411 GHz的微波驅(qū)動(dòng)飛機(jī),實(shí)現(xiàn)了25 m的無線充電飛行。2006年,美國NASA Longley研究中心探索了微波無線傳能技術(shù)在高空飛行器中的應(yīng)用,并針對高空飛行器提出了2種應(yīng)用模式:第1種是當(dāng)白天太陽輻射充足時(shí),利用微波無線傳能技術(shù)將高空飛行器中多余的能量傳輸給下方的小型無人機(jī)供電;第2種模式是晚上依靠電池供電時(shí)利用微波無線傳能技術(shù)從地面向高空飛行器供電,支持其完成各項(xiàng)夜間任務(wù)[54-55]。
綜上所述,這2種無線傳能技術(shù)均有應(yīng)用至臨近空間太陽能無人機(jī)的可能性。對比2種技術(shù)發(fā)現(xiàn),激光無線傳能方式的指向性好,有利于臨近空間無人機(jī)的能量收集,技術(shù)成熟高,但激光在大氣中的傳輸效率較低[41];微波傳能技術(shù)在大氣中傳輸效率近乎100%[41],但遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)接收系統(tǒng)需要較大的接收口徑,很難在無人機(jī)上進(jìn)行安裝。此外,微波產(chǎn)生的GHz級別的交流電整流技術(shù)不成熟也影響了該技術(shù)的應(yīng)用[51-52]。因此,未來完成微波聚集、高頻交流電整流等關(guān)鍵技術(shù)突破后,微波無線傳能更具潛力。但現(xiàn)階段來看,無人機(jī)領(lǐng)域發(fā)展激光無線傳能具有著更強(qiáng)的可實(shí)施性??傮w來看,根據(jù)技術(shù)進(jìn)步周期,太陽能無人機(jī)的無線傳能技術(shù)發(fā)展可劃分為2個(gè)階段:
1) 前沿探索與可行性論證階段
全面理清未來臨近空間飛行器應(yīng)用無線傳能技術(shù)的技術(shù)體系組成,基于無線傳能技術(shù)的理論分析、模擬仿真和關(guān)鍵技術(shù)探索,論證分析激光、微波無線傳能技術(shù)的潛在發(fā)展空間。針對面向臨近空間的各類應(yīng)用場景,通過理論建模與探索性科學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,依次研究近程(數(shù)百米級)、中程(數(shù)千米級)、遠(yuǎn)程(數(shù)千千米級)無線傳能技術(shù)理論可行性以及技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性,提出應(yīng)用至臨近空間太陽能無人機(jī)的無線傳能方案與技術(shù)發(fā)展路線,原理驗(yàn)證技術(shù)方案的可行性。
2) 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與系統(tǒng)集成演示階段
激光無線傳能技術(shù):突破高電光效率激光器設(shè)計(jì)、多光束高效合成、高效率光束擴(kuò)束與準(zhǔn)直設(shè)計(jì)、高效率光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)與合成、高效率太陽電池器件制備、激光傳輸鏈路識別等關(guān)鍵技術(shù),形成傳輸功率千瓦級至百千瓦級、地面及臨近空間傳輸距離1~10 km、傳輸效率10%~20%的中遠(yuǎn)距離激光傳能能力,形成激光傳能系統(tǒng)整機(jī)的批量制造生產(chǎn)能力。
微波無線傳能技術(shù):突破聚焦發(fā)射陣列天線技術(shù)、大功率發(fā)射天線陣列設(shè)計(jì)、高效率電磁表面接收、高性能二極管設(shè)計(jì)與制造、高效率整流電路設(shè)計(jì)以及通信系統(tǒng)頻率干擾解決方案等關(guān)鍵技術(shù),形成傳輸功率千瓦級至兆瓦級、傳輸距離(地面-臨近空間、臨近空間-臨近空間)5~20 km、系統(tǒng)傳輸效率20%~30%的微波無線傳能能力。
目前,太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)仍不能很好地兼顧能量平衡、功率平衡、重量平衡三方面要求,嚴(yán)重制約著能源控制系統(tǒng)性能的提高。在臨近空間太陽能無人機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中,為保證能源系統(tǒng)對多種載荷用電需求的支持,控制系統(tǒng)中不得不大量增加導(dǎo)線、變流器、儲能電池等設(shè)備的數(shù)量,由此造成系統(tǒng)整體重量增加,降低了系統(tǒng)效率[56-59]。具體來說,現(xiàn)有能源控制系統(tǒng)存在如下缺點(diǎn):① 太陽電池陣、儲能電池布局尺度大,載荷種類多樣且安裝位置分散,導(dǎo)致電力傳輸線距離過長,線路損耗大;② 光照條件的不確定性導(dǎo)致充放電過程難以預(yù)測,儲能電池特性各異導(dǎo)致多次充放電后電池不一致性增加,放電深度降低,供電能力下降;③ 過多的電池放電安全余量、大量的直流變流器單元增加了能源系統(tǒng)的重量,降低了飛行器的有效載荷,同時(shí)對電池供電能力提供了更高要求,二者相互制約。
為解決上述能源控制問題,提升能源系統(tǒng)的效率,首先進(jìn)行太陽能無人機(jī)在復(fù)雜工況下的系統(tǒng)運(yùn)行模式分析,其次進(jìn)行能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),建立系統(tǒng)的拓?fù)淠P秃湍芰髂P?,以能量平衡及能流高效為?yōu)化目標(biāo),分析多目標(biāo)優(yōu)化問題,在線求解,智能調(diào)度。最后,圍繞軟件控制策略完成能源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)制造。具體實(shí)現(xiàn)方法如下:
1) 復(fù)雜工況下的系統(tǒng)運(yùn)行模式分析
在時(shí)間尺度上,每一時(shí)刻點(diǎn)的控制目標(biāo)是供需功率平衡,全天時(shí)間尺度上系統(tǒng)控制目標(biāo)是能量平衡,但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)載荷需求引入的擾動(dòng),太陽電池陣全天發(fā)電能量的不均衡性,儲能電池蓄電能力和充放電倍率約束均會(huì)使這2個(gè)控制目標(biāo)無法兼顧,造成有些時(shí)段、有些模塊能量吃緊無法充電,而有些時(shí)段還可能出現(xiàn)能量過剩儲能電池?zé)o法吸收的現(xiàn)象。所以,應(yīng)研究合理的能量調(diào)度規(guī)則在滿足系統(tǒng)功率平衡前提下均衡充/放電,使系統(tǒng)運(yùn)行效率達(dá)到最高,這樣在整個(gè)白天這個(gè)尺度上系統(tǒng)的控制目標(biāo)是儲能電池組以大致相同的速度充滿電來實(shí)現(xiàn)能量平衡,為夜間工作做好準(zhǔn)備。同理,在整個(gè)夜晚這個(gè)尺度上系統(tǒng)控制目標(biāo)是儲能電池以大致相同的速度放電,以基本一致的狀態(tài)迎接第2天的充電過程。而功率平衡作為整個(gè)控制過程的約束條件,關(guān)鍵研究點(diǎn)包括多個(gè)體系統(tǒng)協(xié)同控制技術(shù)、執(zhí)行器飽和情況下的儲能單元均衡充放電技術(shù)以及功率網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的構(gòu)建。
2) 系統(tǒng)控制模型的建立及其控制方法
能源系統(tǒng)建模過程為首先建立能源系統(tǒng)的靜態(tài)連接模型,結(jié)合圖論的拓?fù)渥儞Q方法后,確定多元發(fā)電及用電結(jié)點(diǎn)之間的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)模型。之后,建立能源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)能流模型,研究數(shù)據(jù)與機(jī)理融合建模方法。最后,建立微觀導(dǎo)納模型與宏觀能流動(dòng)力模型,為能源系統(tǒng)的智能調(diào)度提供方法論。
結(jié)合太陽能無人機(jī)發(fā)電單元、儲能單元、用電單元的關(guān)系以及大尺度臨近空間無人機(jī)的特點(diǎn),其能源系統(tǒng)控制模型應(yīng)構(gòu)建為多個(gè)體系統(tǒng),采用分布式協(xié)同控制方法實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊間的協(xié)同工作,進(jìn)而達(dá)成系統(tǒng)均衡與能量供需平衡的控制目標(biāo)。分布式協(xié)同控制策略不需要獨(dú)立的決策和控制中心對每個(gè)結(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行控制,而是每個(gè)結(jié)點(diǎn)單元通過局部信息交互獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)周圍一定區(qū)域內(nèi)的結(jié)點(diǎn)協(xié)同工作,依賴覆蓋所有結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連通性將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的全部結(jié)點(diǎn)有機(jī)地聯(lián)系起來,實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同。
3) 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)建原則
太陽能無人機(jī)能源控制系統(tǒng)硬件應(yīng)以運(yùn)行可靠性、配置靈活性、負(fù)荷匹配、輕質(zhì)化等為準(zhǔn)則,通過理論研究、軟件仿真、半實(shí)物模擬等途徑,研究遵循“模塊組合、分層布置、分區(qū)供電、跨區(qū)調(diào)度、智能自治”設(shè)計(jì)理念的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工程實(shí)現(xiàn)方法。
臨近空間太陽能無人機(jī)利用其高空低速性能容易實(shí)現(xiàn)通訊中繼、電子偵測等功能,這些應(yīng)用都離不開大口徑、高性能天線。傳統(tǒng)天線由于太陽電池陣的屏蔽作用在安裝時(shí)必會(huì)擠占能源系統(tǒng)安裝面積,使能源系統(tǒng)與載荷系統(tǒng)都無法達(dá)到最優(yōu),且突出的天線還會(huì)破壞無人機(jī)的氣動(dòng)外形影響升阻比,降低氣動(dòng)效率。針對這一問題,未來的解決方案是采用平面陣天線技術(shù)為基礎(chǔ)將太陽電池陣與天線陣一體化。如圖9所示,近年來國內(nèi)外學(xué)者針對光伏天線展開了廣泛研究,主要分為以下幾類:① 間隙型光伏天線;② 貼片型光伏天線;③ 集成太陽翼的平面反射陣天線;④ 透明太陽能平面反射陣天線;⑤ 超材料光伏天線;⑥ 偶極子光伏天線[60-67]。
就當(dāng)前研究現(xiàn)狀來看,光伏陣列和天線陣列結(jié)構(gòu)一體化研究已經(jīng)較為廣泛,出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)形式。但大部分設(shè)計(jì)都將太陽電池作為反射板使用,天線和饋電結(jié)構(gòu)需要單獨(dú)加工,無法實(shí)現(xiàn)太陽電池和天線真正的融合,不僅產(chǎn)生了額外費(fèi)用,也增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和不穩(wěn)定性。僅有少數(shù)研究開始嘗試將太陽電池作為天線輻射主體使用,但是這種新型設(shè)計(jì)處在起步階段,相關(guān)技術(shù)仍處于學(xué)術(shù)研究階段,也沒有充分考慮實(shí)際應(yīng)用中太陽能發(fā)電系統(tǒng)和天線系統(tǒng)的兼容性問題。因此,結(jié)合太陽能無人機(jī)的特點(diǎn),光伏天線未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)可分為如下3點(diǎn):
1) 解決太陽電池的微波交流等效電路模型缺失的科學(xué)問題。通過研究太陽電池的多層結(jié)構(gòu),特別是外延層在微波頻段下的電導(dǎo)率和損耗等電磁特性分析,以及太陽電池對有無光照條件下不同交流等效電路模型的差異,明確太陽電池作為微波天線主要輻射結(jié)構(gòu)的可行性問題。
2) 解決太陽電池和微波天線一體化設(shè)計(jì)的可行性問題。未來可采用現(xiàn)有太陽電池作為天線的輻射主體,實(shí)現(xiàn)太陽電池和微波天線的結(jié)構(gòu)/功能一體化。
3) 解決太陽電池和微波天線的交流和直流信號電磁兼容性問題?,F(xiàn)有一體化光伏天線面臨的關(guān)鍵問題是如何解決太陽電池直流端口和微波端口的相互耦合問題,未來可提出一種采用表面封裝器件的低成本濾波器電路設(shè)計(jì)方案來解決交直流電路的兼容性問題。
圖9 光伏天線的組成類型Fig.9 Composition type of photovoltaic antenna
作為探索臨近空間領(lǐng)域的新興飛行器,太陽能無人機(jī)有良好的發(fā)展前景,其能源系統(tǒng)仍制約著太陽能無人機(jī)的航時(shí)及可靠性,以致于現(xiàn)階段仍無法使其大范圍應(yīng)用工程。現(xiàn)階段太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢如下:
1) 儲能電池技術(shù)暫時(shí)無法滿足需求且技術(shù)發(fā)展遇到瓶頸,能源系統(tǒng)可利用體積、面積受制約,分布式能源系統(tǒng)能流調(diào)度策略匱乏不具備智能性是目前中大型太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸。
2) 能量獲取多元化、能源系統(tǒng)管理高效化、光伏與天線載荷一體化是未來臨近空間太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。