太阳能无人机及其应用概述

上海太阳能工程技术研究中心有限公司 ■ 冯相赛

1 太阳能无人机的历史背景及国内外发展现状

1.1 历史背景

太阳能无人机是利用太阳光辐射能作为动力的无人驾驶的飞行器，它利用太阳电池将太阳能转化为电能，通过电动机驱动螺旋桨旋转产生飞行动力。

与传统无人机相比，太阳能无人机巡航时间长，飞行高度高，覆盖区域广，可以执行多种任务，具有常规飞行器不可替代的优点。

1974年11月4日，世界上第一架太阳能无人机Sunrise I在4096块太阳电池的驱动下缓缓离开地面，在100 m左右的高度飞行了大约20 min，这次成功的飞行标志着太阳能无人机飞行时代的来临[1]。该无人机总重量为27.5 Ibs(1Ibs=0.454 kg)，翼展 32 ft(1ft=0.3048 m)，功率为450 W。随后，改进后的太阳能无人机SunriseⅡ在1975年9月成功实现首飞。相比于Sunrise I，SunriseⅡ的重量降低了5 Ibs，但总功率提高至600 W，效率提高了14%。

随着太阳电池转换效率、二次电源能量密度的不断提高，以及微电子技术、新材料技术的发展，太阳能无人机的发展速度也将越来越快[2]。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国内太阳能无人机发展近况

2016年6月19日，汉能控股集团于北京国际无人机系统产业博览会(UAS EXPO CHINA)上展出了新型汉能太阳能无人机—— 3.3 m复合翼垂直起降太阳能无人机和4.4 m固定翼太阳能无人机。

这2架无人机采用了全球领先的薄膜太阳电池，具有轻、薄、柔和、高效率特性的砷化镓薄膜太阳电池尤为适用于太阳能无人机系统。相比于常规纯电池无人机1.5 ～2 h的续航时间，汉能的太阳能无人机可以延长到6 ～10 h，优异的续航时间使其在军用、民用和商用市场拥有广阔的市场前景。

在临近空间太阳能无人机研究方面，国内同样获得了突破性的进展。新型“彩虹”太阳能无人机(如图1所示)是由中国航天科技集团十一院研制，其在西北某地成功完成临近空间飞行试验。“彩虹”太阳能无人机的翼展为45 m，留空时间大于24 h，升限超过20 km，载荷能力为20 kg。这标志着我国成为继美、英之后全球第3个掌握临近空间太阳能无人机技术的国家。

图1 “彩虹”太阳能无人机

1.2.2 国外太阳能无人机发展近况

Facebook于2015年首次公布了Aquila太阳能无人机，如图2所示。Aquila体型巨大，翼展超过了波音737飞机；其机身由碳纤维复合材料制造而成，重量约为电动汽车车身重量的1/3；其机翼上还覆盖了大量的太阳电池板。同时，它可使用基于激光的通信系统与其他Aquila太阳能无人机互相传输信息，为全球偏远地区人们提供互联网服务。根据Facebook的计划，Aquila太阳能无人机最终可以提供速度高达10 Gbps的互联网服务。

2017年6月，Aquila在第二次飞行中成功降落，飞行时长达1 h 46 min。

图2 Aquila太阳能无人机

2 近年主要政策文件

2.1 重要支持政策

2016年5月23日，国家发展和改革委员会、科技部、工业和信息化部、中央网络安全和信息化委员会办公室联合发布了《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》[3]。文件明确提到，将推动人工智能技术在无人系统领域的融合应用，发展无人飞行器、无人船等多种形态的无人设备。加快消费级和行业级无人系统的商用化进程，完善无人飞行器等无人系统的适航管理、安全管理和运营机制。以需求为导向推进智能无人系统的应用示范，提升无人系统的智能化水平，推动其在物流、农业、测绘、电力巡线、安全巡逻、应急救援等重要行业领域的创新应用[3]。这是国家出台的首个关于无人机行业的重要支持政策，意味着该行业发展已上升至国家战略，行业高增长格局已经确立。

基于专业级无人机高效的作业，其未来必将广泛应用于航拍、农林、安防、电力等诸多领域。而太阳能无人机以其高续航时间和大覆盖范围的优势，在如此积极的鼓励政策下必将得到迅速发展。后期针对太阳能无人机的鼓励政策有望陆续出台。

2.2 主要管理政策

为加强民用无人驾驶航空器(以下简称“民用无人机”)的管理，民航局于2017年5月16日下发了《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》(以下简称“《规定》”)。《规定》要求，自2017年6月1日起，民用无人机制造商和民用无人机拥有者须在“中国民用航空局民用无人机实名登记系统”(以下简称“登记系统”)上申请账户，民用无人机制造商在系统中填报其所有产品的信息，民用无人机拥有者在该系统中实名登记其个人及其拥有产品的信息，并将系统给定的登记标志粘贴在无人机上[3]。

此政策是对无人机制造商和使用方双方的一项保护政策，能有效防止目前的各种“黑飞”政策，也在一定程度上规范了无人机产业的运营和消费情况。

3 关键技术

太阳能无人机的电源系统至关重要，是整个太阳能无人机的能量来源。电源系统一般由发电子系统、储能子系统、电源控制子系统共同构成。电源系统除在无人机上向飞控系统、航电系统、动力系统等供电外，还要与地面的控制站实现数据通信，实时反馈无人机的能源状态[2]。

图3为太阳能无人机的能量转化示意图[4]，该转化方式也是整个电源系统的核心工作方式。

图3 太阳能无人机能量转化示意图

3.1 发电子系统

发电子系统即太阳电池装置，光照是太阳能无人机最主要的能量来源，铺设在机翼和尾翼上的太阳电池将光能转化为电能，以作为无人机的动力来源。电池性能是决定太阳能无人机性能的关键因素之一。

太阳电池所发电力清洁无污染，发电过程中不会产生废气，因此不需要设置排气系统；发电功率密度会随着高度的上升而增加，是十分理想的无人机能量来源。

作为太阳能无人机的关键技术之一，太阳电池技术同样也面临着各类挑战。

第一个挑战便是能量转换效率低的问题。在整个能量转换过程中，除了螺旋桨和太阳电池的转换效率外，其他部分的能量转换率都在90%以上，螺旋桨的大于70%，而太阳电池的转换效率仅在20%左右[4]。很明显，太阳能作为太阳能无人机的重要能源，改善其转换效率和性能将有助于提升太阳能无人机的整体性能。

第二个挑战是太阳电池在机体平台上的铺设问题。太阳电池作为一种便利的发电装置，可应用的领域极为广泛，如建筑、汽车、航空、便携式装备等，但必须根据安装太阳电池的载体性质有针对性地选择最合适的太阳电池。早期的太阳能无人机多采用硅基刚性电池，较薄、抗形变能力差，在飞行过程中机翼出现较大形变时将对铺设在其上的电池造成严重损坏[1]。

砷化镓(GaAs)太阳电池的转换效率比硅基太阳电池高，且可制成薄膜和超薄电池，避免了机体平台形变造成电池损坏的问题；同时，这种电池受温度的循环影响小且抗辐射性能好，但昂贵的价格限制了它的应用[2]。

近年来，随着各类新型太阳电池的出现，也出现了专门针对太阳能无人机使用的太阳电池的研究。

3.2 储能子系统

储能子系统对于太阳能无人机而言尤为重要，图4为太阳能无人机能量平衡关系图[5]。太阳能无人机在白天飞行期间利用太阳电池对蓄电池充电，到夜晚再利用二次电池中的电能继续飞行。

储能电池在太阳能无人机整体的能量供应中占据了较大比例，高占比的二次电池可以使太阳能无人机拥有更长的续航时间和更多的有效载荷[2]。

锂离子电池是目前普遍应用于先进太阳能飞机上的储能装置，其优点是工作电压高达 3.6 V，充放电寿命长，无记忆效应，维护方便，无污染；缺点是若出现过充问题，Li+将以单质状态出现，电池也可能会产生安全问题[2]。锂聚合物电池在重量和安全性上优于锂离子电池[5]，但其在高空低温低压状态下性能不佳，还需要进一步的研究和改善才能在太阳能无人机上应用。

现在各类研究机构也在开发各种新型储能蓄电池或新型储能方式。如锂硫电池、锂空气电池、再生燃料电池、重力混合储能技术等。

图4 太阳能无人机能量平衡关系图

3.3 电源控制子系统

一般而言，太阳电池的电池性能会受到飞行时间、飞行高度和飞行速度的影响[6]。一般中午12:00是太阳能无人机最佳的飞行时间，飞行高度越高、速度越快，接收到的太阳辐射强度越强，电池功率会随之增加[7]。能量管理系统的主要作用就是根据这种变化改变各个部件的电量分配，实时监测各单元的能源需求量并合理高效地进行能量调配，决定各个部件的供电[1]。

4 未来发展趋势

未来太阳能无人机设计的目标是高空长航时留空巡航。因此，对太阳能无人机的电源系统有很高的要求[2]。

4.1 新型太阳电池技术

由于太阳能无人机上的太阳电池要适应飞行过程中的机体形变、高空的低温、飞行过程中的风压等情况，传统的单晶硅或多晶硅太阳电池已不能满足要求，因此，新型太阳电池应具备转换效率高、抗冲击、有一定柔性，以及寒冷条件下发电性能好等优点。

表1对目前几种新型太阳电池的性能情况进行了对比。

表1 新型太阳电池性能对比

图5 IBC太阳电池结构

4.1.1 高效单晶硅太阳电池

IBC太阳电池是一种背结电池，其pn结、背表面场和相对应的金属接触电极都在背面，如图5所示[8]。

IBC太阳电池的优点为：

1)前表面无金属栅线遮光，表面可吸收较多光照，利于提升短路电流；

2)背面电极设计可仅考虑提升接触特性、降低串阻，能使用更宽的电极，从而提高填充因子；

3)效率高，输出功率高，可靠性好。

2014年，澳大利亚国立大学研发的小面积IBC太阳电池效率达24.4%。瑞士生产的“阳光动力2号”太阳能飞机在2016年成功完成了世界首次环球飞行。该飞机的电力来源便是在机翼、机身和水平尾翼上安装的总共17248片由SunPower公司生产的效率为22.7%的IBC高效太阳电池。

HIT太阳电池，即本征薄层异质结太阳电池，该电池可实现器件的薄型化，不但能提高功率质量比，而且可使电池片具有一定柔性，承受一定程度的弯曲，如图6所示。这一优点非常有利于其在太阳能飞行器方面的应用。

图6 可弯曲的薄型HIT太阳电池

HIT太阳电池除具有比功率高、温度系数低等优势外，还可根据实际需求裁剪成适宜的形状、尺寸进行组合。但是HIT太阳电池片相对脆弱，抗冲击性较差，且其在应用于超高空飞行器时，曝露在紫外线下时，正面的a-Si成分内部微结构可能会发生变化，导致其性能衰退。

IBC太阳电池目前已有较多成功用于太阳能飞机的案例。该类太阳电池的背面电极可采用电镀工艺制备，这种工艺的导电性、金属延展性和可靠性明显优于丝网印刷电极。IBC太阳电池机械强度较好，采用独特的共面互联技术制备成组件，当组件中某一部位电池出现裂片时仍能继续发电[8]。

4.1.2 非硅薄膜太阳电池

近年来，围绕多结GaAs太阳电池的研究取得了一定成果，四结GaAs太阳电池的理论转换效率高达43%。其中，GaInP2/GaAs/Ge三结电池已成功应用于国内卫星、飞船等空间产品，转换效率不低于28%，厚度仅175 µm[2]。不过，该电池高昂的价格限制了其更广泛的发展。

铜铟硒(CIS)和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池以廉价、高效、接近于单晶硅太阳电池的稳定性和较强的空间抗辐射性能等优点成为目前最具潜力的第三代太阳电池材料。目前，围绕CIGS电池的研究方法非常多，国外采用多源蒸发法制备的电池已将电池效率提高到19.5%，国内研究人员也制成了效率超过14%的成品[3]。利用柔性衬底的薄膜技术，CIS和CIGS太阳电池的比功率和抗辐射能力也有巨大提高。但由于该系列电池制备工艺复杂，因此，制造大面积薄膜电池还需要进一步的研究[2]。

4.2 新型储能技术

4.2.1 新型蓄电池技术

锂硫电池不仅比能量高，且能在大电流状态下连续放电，以保证为太阳能无人机推进系统大功率供电。英国防务公司吉内蒂克研制的“西风”号太阳能无人机使用的便是锂硫二次电池[3]。锂硫电池的理论比能量可达2600 Wh/kg，具有相当可观的研究前景，美国SionPower公司制造的锂硫电池产品比能量约为350～380 Wh/kg。但是目前国内研制的锂硫电池还存在安全性问题，在大电流放电状态下不稳定，且还需要提高其循环性能[2]，不过比能量高的优势注定使其具有很好的作为未来新型太阳能无人机蓄电池的潜能。

再生燃料电池系统(RFCS)因为比能量和电效率不具备足够的吸引力，使其早期未得到足够重视[2]。但随着轻质压力容器设计的改进，减轻了其质量，性能得到了改善，使再生燃料电池能源储存系统比能量的提高成为可能。RFCS曾应用于NASA 的“太阳神”无人机，其比能量达到790 Wh/kg。目前，RFCS技术的主要研究重点在于电解池电解水的效率问题[2]，因为与技术较成熟的放电过程相比，电解效率不高一直制约着燃料电池系统的整体能量转换效率，而且充放电过程中产生的大量热能使能量不能充分利用。因此，在应用RFCS于太阳能无人机储能系统时，其可靠性仍需进一步提高。

表2为各种二次电池系统的性能对比情况。

表2 太阳能无人机二次电池系统性能对比

4.2.2 重力混合储能技术

重力混合储能是利用飞行器的飞行高度储存重力势能。昼间太阳能飞机的部分电能用于蓄电池充电和推进飞机爬升高度，夜间则减小飞机驱动的电能，而以飞机下降高度维持飞行最低速度，即一部分能量以重力势能的形式储存与释放。重力混合储能的方法可减少蓄电池的重量，从而降低对能量储存的指标要求[5]。采用重力混合储能后，蓄电池重量可大幅度减少，或者可降低对蓄电池能量密度的要求，这有利于蓄电池的研制和参数选择。当然，由于白天爬升、夜间下降，推进飞机前进的电机和螺旋桨将无法总是工作在最优工作点，系统总体效率有所降低，使太阳电池和蓄电池的重量比有所增加。但从总体设计来看，采用重力混合储能仍有效降低了飞机研制的技术难度[5]。

4.3 垂直起降无人机技术

垂直起降无人机是指以直升机方式垂直起降，并能以固定翼飞机方式飞行的无人飞行器。它的优点是飞行速度快、航程远、对跑道无依赖、能够定点悬停。垂直起降无人机尤其适用于甲板起降和快速飞行的场合。图7为美国“V22鱼鹰”倾转旋翼式无人机。该无人机可在前飞时使旋翼向前提供推力，悬停时使旋翼向上提供升力[9]。

由于需要铺设太阳电池，太阳能无人机需要采用固定翼的机体平台来保证有足够的机体面积来铺设，这也就意味着太阳能无人机无法灵活地悬停、转向等。垂直起降无人机技术可有效解决这个难题，将垂直起降无人机技术和太阳能无人机技术结合也将是未来太阳能无人机的一大发展趋势。

图7 “V22鱼鹰”倾转旋翼无人机

5 总结

太阳能无人机电源系统是与一般无人机存在差异的关键部分，也是太阳能无人机的优势所在。未来在太阳能无人机的研究方面，除创新型的机体设计，如垂直固定翼技术等以外，应重点优化和改善电源系统，尤其是涉及太阳电池效率、储能二次电池充放电性能和比能量这些直接影响太阳能无人机续航性能的关键要素方面。

IBC、HIT等新型太阳电池有望改善太阳能无人机上太阳电池的性能；多结砷化镓薄膜太阳电池有很高的转换效率及对高空飞行的适应性，若能进一步降低其成本将是很理想的太阳能无人机太阳电池的选择；锂硫蓄电池凭借其高比能量的优势具有很高的研究价值，不过广泛应用还需要解决安全性、稳定性和循环寿命的问题；重力混合储能是几乎适用于任何形式的太阳能无人机的储能技术，它不依赖于发电和储能子系统，是对无人机控制和动力系统的一项挑战，具PERC光伏组件每W发电量高出约10%。可以预见，双面光伏组件在未来将有广阔的应用前景。

[1]孙海平,王明明,奚彬,等.量产化的高效n-型双面太阳电池及其组件技术[A].第十四届中国光伏大会暨2014中国国际光伏展览会论文集[C].北京，2015.

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