太阳能无人机电源的应用

刘罗津

摘 要： 太阳能无人机由于其巡航时间长、可高空飞行等特点，受到各国的青睐，近年来发展较为迅速，而电源技术作为其中一项关键技术，也得到了较大发展。本文将针对太阳能无人机系统的整体结构和各个构成模块进行分析，并简要介绍了其未来的发展趋势。

关键词： 太阳能无人机；电源

【中图分类号】 E926.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）11-0168-01

引言

太阳能无人机就是无需额外耗能只需在光照条件下将光能转化为电能的无人机，由于其在灾害发生时可中继通信、可长时间检测极端天气、可到达核爆现场采样、可长时间进行军事侦察等方面具有极大优势，近些年来收到世界各国的关注，并有了极大的发展。太阳能电源作为无人机的供电系统，其性能好坏直接影响到无人机效能，是无人机系统中的非常重要的模块。对于安装在无人机上的太阳能电源系统，需要具有高效率、高能效比、可靠性高、易维护以及寿命长等特点。

一、电源整体结构

它的电源系统由太阳能电池板、储能蓄电池和电源管理系统组成。其中太阳能电池板属于发电装置，一般由数个电池板通过各种组态形成阵列；但是，由于光强、温度、飞行状态等条件的变化，会影响太阳能电池的工作状态，所以需要电源管理模块对发电状态进行管理，使其工作在最佳状态；当发电量过剩的时候，可通过储能系统（蓄电池）将多余的电能储存起来，用于光强不足时给飞机供电。

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二、电源子模块

1.太陽能电池板。

目前，太阳能电池板主要有硅系列电池、砷化镓系列电池、CIS系列电池等，三种电池有各自不同的特点，需要根据无人机具体用途来选择。

硅系列电池包括单晶型、多晶型和非晶型。单晶硅电池的光电转化效率较高，实验室最高效率超过20%，其功率质量比也较高，可达455W/kg，高效率和轻质的特性比较适合在无人机上的应用，但是其制作工艺和原材料成本较高，导致其电池价格居高不下，制约了在无人机上的大规模使用。多晶硅价格较为低廉，但是能量转化效率较低，目前还不能提供飞机正常运行所需的功率，因此不能用在太阳能无人机上。非晶硅电池近年来效率有所提高，具有较大的应用前景，。美国联合太阳能Ovonic公司的电池效率达到12%，功率质量比超过1kW/kg[1]。

砷化镓系列电池相对于硅系列有更高的能量转换效率，但是制备成本较高，对温度敏感性较小，抗辐射系能较好。近年来，异质衬底和多节级联的砷化镓电池正逐步取代普通砷化镓电池，多节级联砷化镓电池的理论研究效率超过40%，其已经应用于部分太空飞行器上。

CIS系列电池包括铜铟硒电池和铜铟镓硒电池，具有价格低廉、效率较高、较为稳定等特点，利用柔性衬底薄膜技术可增强其抗辐射性和功率质量比，但是从现阶段看来，制备复杂制约了它的商业化应用，主要还只是应用于航天器上[2]。

2.储能系统。

储能系统主要由蓄电池构成，其质量在飞机总质量中的占比很高，因此，就需要高能量比的蓄电池作为储能器件，太阳能飞机上多采用锂硫电池、燃料电池和锂离子电池等。小型飞机出于其成本控制和功率需求不高，多采用一般锂电池等，大型飞机由于其功率需求较高多采用锂硫电池和再生燃料电池、大规模锂电池等。

锂离子电池充放电循环性好、能量比高，且轻便易维护，但是一旦出现过充电会生成锂单质从而产生安全隐患。新研制的锂聚合物电池很好的解决了上述问题，具有较好的防火性，并且在能量比、形状适应性等方面比锂离子电池有更好的性能，但是高空中的低温低压环境会急剧影响其性能，该问题还有待解决[3]。

锂硫电池可持续工作在大电流放电条件下，能量比高于锂聚合物电池，适合用于大功率放电的场合，还可通过与锂组合，提高其能量比，但是它的安全性能还不够好，大电流放电条件下的稳定性较差[4]。

再生燃料电池由于其电解效率不高，整体系统的能量转换效率收到极大影响，因此充放电时会产生较多热量，目前其可靠性还有待提高。

3.电源管理系统。

太阳能电池在高空中环境条件相对恶劣，不同季节、时段温度和光照差异较大，飞机在不同情况负载需求不一致，因此，需要电源管理系统对太阳能电池板状态和负载状态进行实时监控和调节，通过蓄电池充放电对供需状态进行平衡，为电机系统、通讯系统和控制系统等模块稳定供电，同时让太阳能电池工作在最佳效率状态。由于太阳能电池板阵列分布面积较大，数量较多，采用单一的管理器难以满足较高的效率，采用分布式MPPT进行管理，可有效提高能量利用率。为了减小电流流过传输线时产生的热功率损耗同时避免失火，可采用高压直流输电。电源管理系统需要对整体负载进行集中配电和监控管理，针对不同供电电压，采用就近原则进行电平转换，一般可利用DC-DC转换器实现。国内某研究所研制的电源管理器可连续3小时输出大于600W的平均功率，且负载切换不会影响系统正常运行，整体MPPT（最大功率点跟踪）转换效率大于97%[5]。

三、未来发展趋势

未来太阳能无人机的巡航留空时间会越来越长，因此，需要性能更优的太阳能电池组，在转换效率、功率质量比、可靠性和多环境适应性上有较大提高，储能系统的蓄电池要有更高的能量比和安全性，另外，电源管理系统也要向着多功能、智能化、高效方向发展。

总结

电源技术已作为一项关键技术影响着太阳能无人机的发展，其中，太阳能电池组、储能系统和电源管理系统作为它的各个子模块，其优劣也影响着整体性能，设计人员在设计各个模块的时候要充分考虑到其应用需求，让各个模块稳定、高效、协调的运行，为无人机无故障飞行提供保障。

参考文献

[1] 曲鹏， 王寅. 太阳能无人机电源系统的发展现状与展望[J]. 电源技术， 2015（4）：864-866.

[2] 杜晶晶， 龙飞， 邹正光，等. CIS（CIGS）薄膜材料的研究进展[J]. 材料导报， 2007， 21（4）：9-12.

[3] 郑如定. 锂离子电池和锂聚合物电池概述[J]. 通信电源技术， 2002（5）：18-21.

[4] 皮华滨， 王传新， 汪建华，等. 锂硫电池的研究现状与展望[J]. 电池， 2009， 39（2）：113-115.

[5] 陆运章， 郭进， 程文进，等. 太阳能无人机能源控制器研究与设计[J]. 电子工业专用设备， 2017（3）：45-50.