最新浅析太阳能无人机电源系统的发展现状与展望的论文
太阳能无人机技术的发展成熟，依赖于以太阳能为输入能源的电源系统的技术发展，最早该电源系统用于卫星、空间站、宇宙飞船的供电，随着作战需求的多样化和太阳能光伏发电技术的成熟化，使得太阳能电源系统成功地应用于临近空间无人机上，从而拓宽了新的设计领域。
太阳能飞机是利用机翼铺设太阳电池阵，机身和机翼内部的安装储能电池组，并通过电缆网和电源控制器为飞机机载设备及推进系统提供能量，完成飞行任务。具有代表性并实现长时间留空飞行的太阳能无人机有美国的Helios，英国的Zephyr，瑞士的Sky-Sailor 等。
太阳能无人机为了达到足够的照射面积，一般飞机尺寸较大，翼载小，飞机的结构质量相对较低，这就要求太阳能电源系统本身的质量不能过高，并有更高的质量比功率。由于在飞行过程中，能量的吸收率会在不同季节，不同时间有很大变化，在优化航迹和动力系统的基础上，必须选择效率更高的太阳电池和储能电池，并对电源管理系统提出了更高的要求。太阳能飞机电源系统的可靠性，可维护性和操作性要高，要有相应的可扩展性和升级能力，适应重复使用和较长寿命周期的要求。在高空飞行的太阳能飞机，还要求其电源系统具有较好的低温特性，在临近空间低温低传热的极限环境下仍能保持较好的充放电能力。在选择太阳电池和制造过程中，也要考虑到价格因素，由于要实现产品化，对性价比提出了更高的要求。
1 太阳能无人机电源系统组成及特点
1.1 系统组成
太阳能无人机的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。电源系统在飞机上与飞控系统、航电系统、动力系统等相连，另外，电源系统还要与地面的控制站实现数据通讯。
1.2 太阳能无人机电源系统特点
太阳能无人机电源系统不同于卫星电源系统设计思想，既要保证系统的高可靠性，又要要求质轻效优，还要具备在大气环境及临近空间内的环境适应性，并且在设计与选材上考虑高性能价格比和性能质量比。
2 太阳能无人机电源体系发展现状
2.1 发电子系统
太阳能功率密度会随着高度增加而提高，从地面上的80 mW/cm2 上升到太空中的136.7 mW/cm2。采用太阳辐射能作为发电单元，可以实现长时间留空飞行;且太阳能是清洁能源，飞机不用安装排气装置，不会对环境造成污染，也不会对机载大气测量传感器带来干扰。
铺设在机翼和尾翼表面的太阳电池，以硅基太阳电池和化合物太阳电池为主。目前成熟的可用于太阳能飞机的太阳电池主要有单晶硅太阳电池，非晶硅太阳电池，GaAs 系列太阳电池，CIS(CIGS)系列太阳电池等，其中非晶硅和CIS(CIGS)系列太阳电池为薄膜太阳电池。
2.1.1 硅太阳电池
硅太阳电池可以分为三种，单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。其中单晶硅太阳电池的转换效率最高，大量用于航天飞行器的发电系统，单晶硅太阳电池单体转换效率可以达到20%，目前国内应用型单体厚度达到150 mm，组件级转换效率达17.5%(AM1.5，25 ℃)，多块单体的阵列串联可实现在柔性机翼上大规模铺设。单晶硅的制备和原材料价格较高，使得电池成本居高不下，制约了单晶硅电池在太阳能飞机上的广泛应用。多晶硅太阳电池成本较低，但是转换效率较低，现阶段技术还不能满足太阳能无人机的能量需要。美国Pathfinder 无人机上使用了单晶硅太阳电池，其组件平均转换效率达到15.29%。
非晶硅a-Si 薄膜太阳电池作为单晶硅的替代品，目前成为一种最具潜力的研究对象，利用柔性轻质衬底制备的电池模块，使得非晶硅电池的转换效率提高到10%以上。美国USO(United Solar Ovonic) 公司声称其非晶硅产品采用一系列新技术已经将电池效率提升至12%(AM0)，采用聚合物衬底的研究和开发使得电池单体质量比功率超过1000WK。非晶硅薄膜电池被“西风”无人机选作为主电源，完成了多次长时间飞行测试。
2.1.2 GaAs 系列太阳电池
砷化镓(GaAs)太阳电池比硅太阳电池具有更高的转换效率，但价格昂贵。受大范围温度循环影响小而且抗辐射性能好。它可制成薄膜和超薄型太阳电池，其有源层只需3~5 μm，就可达到较高的吸收系数。目前，由于金属有机化学汽相外延技术的日益完善，普通GaAs 电池逐步被特性更好的异质衬底和多结级联太阳电池所取代。
1993 年，ASEC 公司的GaAs/Ge 电池在美国制成。这些砷化镓单体通过金属有机物气相外延生长的方法生长在一个活性不强的锗元素基上。这些电池单体都是6 cm×6 cm 大小，厚度为8.89×10-2 或11.43×10-2mm，极其容易破碎。在高空环境下，电池单体的效率在14%到19%之间。GaAs/Ge 电池最高单体效率可达20.43%，Iles 等人对其进行的研究结果显示GaAs/Ge 电池比一般的GaAs 电池具有更好的抗反向击穿能力。近年来，围绕多结GaAs 电池的研究取得了一定成果，四结GaAs 电池的理论效率高达43%。其中GaInP2/GaAs/Ge 三结电池已成功应用于国内卫星、飞船等空间产品上，转换效率不低于28%，厚度仅175 μm。
2.1.3 CIS 系列太阳电池
从20 世纪80 年代以来，铜铟硒(CIS)和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池以其廉价、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而成为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经将电池效率提高到19.5%，国内研究人员也制成了效率超过14%的成品。利用柔性衬底的薄膜技术，CIS(CIGS)电池的质量比功率和抗辐射能力也有巨大提高。但是目前该系列电池受制备工艺复杂性的限制，如何制造大面积薄膜电池阵，实现商业化还有许多课题需要研究。目前，国外CIS 和CIGS 电池的应用主要是航天器太阳电池阵。
2.2 储能子系统
太阳能飞机能源存储系统在整机质量中占有较大的比例，这是因为各种储能电池的比能量还比较低，历史上，太阳能飞机上应用的储能电池先后采用了银锌电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、锂硫电池、燃料电池等。目前较为先进的轻小型太阳能飞机仍采用传统的锂电池，氢镍电池等传统电池，具有较高的轻便性和可靠性。大型高空太阳能飞机多用大规模锂离子电池、锂硫电池、燃料电池等高比能量电池，使得飞机能够飞得更高，加载更多的有效载荷。
2.2.1 锂离子电池
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，Solong 太阳能飞机上搭载了5.6 kg 锂电池，Solar Impulse太阳能飞机在其昼夜飞行实验中，采用了400 kg 的锂电池。锂离子电池优点是工作电压高达3.6 V，充放电寿命长，比能量高(可达150 Wh/kg)，无记忆效应，维护方便，无污染。缺点是如果出现过充电，Li+ 将以单质状态出现，电池也可能会产生安全问题。因此，国内外研制开发了多种锂聚合物电池，提高其安全性。锂聚合物电池中的固态高聚物同时充当电解质与隔膜，从而提高了电池比能量。目前国内锂离子电池采用新型高能多元复合材料，单体比能量可以达到235 Wh/kg，组合后电池组比能量达到200 Wh/kg 以上。
与锂离子电池相比，锂聚合物电池结构可燃性低、体积小、质量轻、比能量高、自放电小、可制成任意形状。NASA 正在开发的一种适合空间用及民用的改进型锂聚合物电池研究目标为质量比能量200~250 Wh/kg，体积比能量为350~400 Wh/L，25%DOD 循环寿命周期为35 000 周，100%DOD 循环寿命周期为2 000 周。目前，锂聚合物电池未能应用于太阳能无人机，关键是其低温特性不良的问题，在高空低温低压环境下，对于储能电池特性是一个巨大挑战。
2.2.2 锂硫电池
“西风”搭载的储能电池为锂- 硫电池，为其夜间飞行提供动力，比能量是锂聚合物电池的'2 倍。该电池不仅比能量高，并且能以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。单质硫的理论比容量为1 675 mAh/g，与锂组装成电池，理论比能量可达2 600 Wh/kg，具有相当可观的研究前景。美国Sion Power 公司制造的锂硫电池产品比能量在350~380 Wh/kg 左右，质量14~16 g，容量为2.4~2.8 Ah。但是目前该项技术还不成熟，锂硫电池还存在安全性问题，目前国内研制的锂硫电池在大电流放电状态下不稳定。另外，循环性能不高的问题还需要进一步研究解决。
2.2.3 燃料电池
与蓄电池基础储能系统相比，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，使得其没有得到足够的重视。后来采用轻质压力容器设计改进减轻了质量，改善了性能，使RFCS 能源储存系统的比能量的提高成为可能。该项技术应用于NASA 的“太阳神”无人机，其比能量达到790 Wh/kg，发电效率可达到53.4%。
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，因为与技术较成熟的H2-O2燃料电池的放电过程相比，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，而且充放电两个过程中均产生大量热，也使得能量不能够充分利用，因此，在应用RFCS 于太阳能无人机储能系统时，仍要持谨慎态度，其可靠性仍需进一步提高。
2.2.4 锂空气电池
锂空气电池是利用了金属锂在空气中的剧烈反应放出大量能量为原理，制成能够反复充放电的超高比能量电池，理论比能量可达11 140 Wh/kg，且价格低廉，环境友好，是未来储能电池的研究热点。目前锂空气电池尚处于实验室研究阶段，循环寿命与可靠性问题还需深入研究与解决。
2.3 控制子系统
电源控制器是管理电源系统的关键，如今采用分布式管理的MPPT 控制器成为应用的首选。这种控制器具有太阳电池阵工作点自适应匹配功能的MPPT 控制器，具有轻质高效体积小发热量小的特点，能够通过输入输出的双向追踪来匹配太阳阵输出功率和负载得到的功率，达到能量的最佳利用率。对于太阳能长航时飞行任务，对于电源控制器提出了新要求，它需要与飞控系统，大气检测系统等协同工作，优化能源利用率，适应飞行包线内的环境要求。
2.4 太阳电池阵- 蓄电池组电源系统的应用
太阳电池阵- 蓄电池组电源系统虽然具有功率范围宽，工作寿命长，自主性强的特点，但是比功率仍比较低，制约了该电源系统在太阳能飞机上的应用，目前国内太阳电池阵- 蓄电池组电源系统主要应用于航天器，比功率仅为13 W/kg 左右。电源系统的质量约占航天器总质量的30%以上，目前针对太阳能无人机，必须采用高效薄型电池片，使用高比能量的新型锂离子电池，在电源控制装置中，采用高频高效开关电源技术，可显著减少电源系统的质量。对于高效的氢氧燃料电池，虽然其本身比能量较高，但是电池的整体质量较大，对于轻质太阳能飞机还存在很多现实困难，需要更大的机翼面积才可搭载整个燃料电池系统。
3 未来研究热点与前景展望
未来太阳能无人机设计的目标是高空长航时留空巡航，因此对无人机电源系统的设计要求提出了更高的要求：
(1)由于单晶硅电池技术最为成熟，因此现阶段太阳能无人机仍将主要采用硅电池作为主要的发电材料。如何降低硅太阳电池阵的成本，提高转换效率和质量比功率，使其更适合于平流层内的大气环境;
(2)发展多种新型太阳电池。非晶硅和CIGS 等薄膜太阳电池因其柔性好，成本低，效率高，未来将向大规模太阳电池阵产品化和轻型化方向发展，轻质衬底和一体化集成技术都将成为挑战，为减轻质量，需要在压低成本的基础上整体转换效率超过20%;
(3) 开展太阳电池组件的力学特性、环境特性的研究。目前国内科研机构围绕太阳电池阵组件的研究多偏重光学、电学特性，对于复杂力学环境、高空热环境、大气环境的研究还需进一步深入;
(4) 提高储能电池的比能量和安全性，储能电池比能量超过200 Wh/kg。锂电池发展已基本成熟，在此基础上，开发安全性更高，性能更好的储能蓄电池，如锂- 聚合物电池、锂- 硫磺电池等。减小整个储能系统在整机中的质量密度;
(5) 进一步开展可再生燃料电池作为储能设备的技术研究，目前国内对再生燃料电池系统尚处于研发阶段，未来将朝着轻便、高效、安全的方向发展，必将带动太阳能无人机整体性能的提升;
(6)开发功能强、效率高、可靠性好的电源控制与管理系统。对于逐渐发展起来的大型太阳能无人机，随着其飞行领域的扩展和设备的增多，电源系统将更为复杂，自动化程度和可靠性要求都要更高，必然朝着智能化的方向发展。
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