太陽能無人機(jī)的能源系統(tǒng)技術(shù)與發(fā)展趨勢

金禮芬，蒲 建，楊文斌，鄭永航，祝小梅

（吉利學(xué)院 四川 成都 641423）

0 引言

由于全球不可再生能源的短缺，各個國家都在大力發(fā)展新的能源。新能源以儲存量大、可再生、無污染的獨(dú)特優(yōu)勢成為關(guān)注的焦點(diǎn)。新能源的應(yīng)用非常廣泛，比如農(nóng)業(yè)、航空航天、氣象、測繪等。世界上第一架太陽能飛機(jī)Sun-rise 在1974 年11 月4 日完成首次飛行，從此拉開了太陽能飛機(jī)的研究序幕[1]。無人機(jī)的種類繁多、應(yīng)用范圍廣，比如在偵察衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星，但是當(dāng)油耗消耗完時就會停止工作。另外要實(shí)現(xiàn)全時的監(jiān)測信息會因?yàn)樾l(wèi)星過境的時間相對較短而限制。以上問題，都會導(dǎo)致在24h 的監(jiān)測以及每個時間段的有效監(jiān)測無法完成，就會降低對我國領(lǐng)土的主權(quán)保護(hù)。

為了解決能源系統(tǒng)的問題，太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的研究得到了發(fā)展。它采用清潔的太陽能作為能源動力并且結(jié)合搭載的高性能機(jī)載工具，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時信息的監(jiān)測。目前太陽能無人機(jī)飛行的范圍可達(dá)到0 ～29.5 km，在空中停留的時間可以達(dá)到10 天以上[2-3]。由于要獲得連續(xù)的監(jiān)控信息，實(shí)現(xiàn)空間任務(wù)完成的靈活變化快的特點(diǎn)，因此空中巡視的范圍廣闊、停留時間長就顯得十分的重要[4]。

由于能源的短缺，太陽能無人機(jī)的長時間飛行、靈活多變、經(jīng)濟(jì)環(huán)保受到了各國政府和研究所的青睞[5-6]。隨著科技的創(chuàng)新與發(fā)展，太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)設(shè)計有進(jìn)一步的發(fā)展。

1 太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

全世界都在關(guān)注著太陽能無人機(jī)的發(fā)展，太陽能無人機(jī)進(jìn)入正式的發(fā)展階段是在1974 年11 月4 日，世界上的第一架Sunrise I 太陽能無人機(jī)首飛成功的時候。Sunrise I 能夠在百米高空中飛行20 min，機(jī)身搭載了4 096 塊硅太陽能電池板，提供的功率是450 W[7]。1995 年9 月，設(shè)計的太陽能無人機(jī)的翼展比一般的飛機(jī)要長，并且它采用的動力源是太陽能電池和儲能電池。這樣設(shè)計出來的太陽能電池的飛行高度可以達(dá)到15.4 km，整個無人機(jī)的機(jī)體的重量達(dá)到252 kg，它是由美國宇航局（NASA）研發(fā)出來的，取名“探路者號”[8]。在2001 年“太陽神”無人機(jī)問世，飛行高度創(chuàng)下達(dá)到29.53 km，標(biāo)志著太陽能無人機(jī)的發(fā)展得到了進(jìn)一步的提升[9]。

2010 年新型太陽能無人機(jī)西風(fēng)“Zephyr 7 號”在當(dāng)年7月完成試驗(yàn)飛行，連續(xù)飛行時間可以達(dá)到336 h，飛行時間在當(dāng)時創(chuàng)下了單次飛行時間最久的記錄[10]。“西風(fēng)號”的太陽能無人機(jī)在能源供給系統(tǒng)進(jìn)行了新的研究，不再采用單一的能源系統(tǒng)，而是將鋰離子電池和太陽能電池結(jié)合在一起進(jìn)行供能。飛機(jī)在飛行的過程中自身的重量也是限制飛行的一大因素，因此該團(tuán)隊對飛機(jī)的重量方面進(jìn)行了設(shè)計，采用較輕的碳纖維材料來制作飛機(jī)的機(jī)體，從而減輕了飛機(jī)的重量，為后續(xù)太陽能無人機(jī)的改進(jìn)提供了借鑒[11]。

太陽能無人機(jī)的另外一個核心部分就是能源供給系統(tǒng)，在2008 年，Andrew T.Klesh 對太陽能無人機(jī)的能源供給系統(tǒng)進(jìn)行了研究，他主要研究的是對能量進(jìn)行規(guī)劃，以此達(dá)到最好的標(biāo)準(zhǔn)，同時對太陽能無人機(jī)的續(xù)航能力的持久性進(jìn)行了研究[12-13]。2013 年，Bohwa L 同樣對太陽能無人機(jī)的能源管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，他們課題組根據(jù)動力模擬數(shù)據(jù)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室的綜合結(jié)果進(jìn)行了分析和研究，對能源系統(tǒng)的性能進(jìn)行研究。該團(tuán)隊的創(chuàng)新點(diǎn)主要是對能源系統(tǒng)進(jìn)行了建設(shè)，采用了燃料電池、電池組及太陽能電池的系統(tǒng)[12]。

綜上所述，國外對太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的研究較早，研究的范圍較廣，為后續(xù)的太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的發(fā)展積累了很多的經(jīng)驗(yàn)。但是太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的研制過程是耗時和復(fù)雜的，未來太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的發(fā)展還會有更多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的研究相對較晚。雖然起步晚，但是該領(lǐng)域的重要性和應(yīng)用廣泛性對它的發(fā)展速度進(jìn)行了極大促進(jìn)作用，目前各個行業(yè)都在鉆研該項目，并且也取得了較多的成果。

國內(nèi)的第一臺太陽能無人機(jī)“翱翔者”，其研發(fā)者主要是李曉陽博士和趙庸教授團(tuán)隊，該太陽能無人機(jī)的發(fā)明具有重要的時代意義[14]?！鞍肯枵摺睓C(jī)長1.25 m，機(jī)翼翼展寬1.88 m，飛行高度在1 000 ～1 500 m，飛機(jī)的機(jī)翼上面共鋪設(shè)了120 片單晶硅太陽能電池片，安裝了GPPS薄膜緩沖層，采用了特制的鎳氫電池作為儲能系統(tǒng)。2005年，清華大學(xué)的張錦繡對太陽能無人機(jī)的設(shè)計提出了新的想法。主要的創(chuàng)新在于在研發(fā)的過程中引入一個新的因素——風(fēng)速，然后使用可行算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對能源管理方面進(jìn)行一個的初步分析[15]。制作太陽能電池、高壓氣體儲能及鋰電池的新型混合能源系統(tǒng)，結(jié)合新能源系統(tǒng)需要解決的技術(shù)難題以及國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀，論述了該系統(tǒng)的工作方式。2014 年，曲鵬[16]提出了未來太陽能無人機(jī)電源控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，主要來自于對現(xiàn)有太陽能電池、儲能電池以及太陽能無人機(jī)電源控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析后得出來的結(jié)論。

綜上所述，雖然我國的太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)研究的起步較晚，但是通過文獻(xiàn)的分析我們可以知道，國內(nèi)的太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的研究還是在行業(yè)內(nèi)取得了較好的成績和較快的研發(fā)速度。相信在未來科技的發(fā)展中，我國的太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)將會取得更多的成果。

2 能源系統(tǒng)

太陽電池陣、儲能電池及能源管理系統(tǒng)構(gòu)成了太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)[17]。本文主要介紹太陽能無人機(jī)的太陽能電池、儲能電池。

2.1 太陽能電池

太陽能電池因?yàn)榫哂腥嵝?、輕質(zhì)、高性能的特點(diǎn)，所以一般在太陽能無人機(jī)中作為發(fā)電單元。滿足該特性的太陽能電池主要有鈍化發(fā)射極及背局域接觸（PERC）電池、晶體硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）電池、柔性多結(jié)砷化鎵電池、交叉背接觸（IBC）電池。薄膜電池的種類比較多，也可以應(yīng)用在太陽能無人機(jī)的發(fā)電單元中，比如常用的有：薄膜太陽能電池（GaAs）、銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽電池、非晶硅（α-Si）薄膜太陽電池等。

從國內(nèi)外的研究中發(fā)現(xiàn)，太陽能無人機(jī)的供能系統(tǒng)如果采用的是銅銦鎵硒太陽電池、非晶硅太陽電池的話，在能源供應(yīng)系統(tǒng)中的性能提升是十分有限的，主要影響因素是因?yàn)樗漠a(chǎn)業(yè)配套發(fā)展不完整限制其發(fā)展。另外，鈍化發(fā)射極及背局域接觸電池、交叉背接觸電池、晶體硅異質(zhì)結(jié)電池這3種電池也有它的限制因素，因?yàn)檫@3 種電池的基底都是采用超薄單晶硅制作的，這種基底材料是有缺點(diǎn)的，并且另外一個缺點(diǎn)就是PERC 電池和IBC 電池的電池結(jié)構(gòu)是不對稱的，這就從另外一個方面限制了它的發(fā)展。在這幾種電池中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮氖侨嵝陨榛壧栯姵?，但是它的缺點(diǎn)就是產(chǎn)量較少，會造成供需不平衡，從而導(dǎo)致它的生產(chǎn)成本較高。在這3 種電池中最容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的就是SHJ 電池，這種電池的結(jié)構(gòu)是對稱結(jié)構(gòu)，處理的工藝主要采用的是低溫制造工藝，融入新的設(shè)計——異質(zhì)結(jié)PN 結(jié)設(shè)計。在實(shí)現(xiàn)質(zhì)量輕、效率高、制作出超級薄的電池是比較容易實(shí)現(xiàn)的。通過以上3 種電池的分析，可以得到的結(jié)論是，在航空航天中太陽能無人機(jī)的使用前景比較好的電池主要是砷化鎵電池和SHJ 這兩種電池。

2.1.1 晶體硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）太陽電池

日本三洋公司發(fā)明的SHJ 電池是一種高效的太陽能電池[18-19]，該電池的結(jié)構(gòu)從下到上依次為氧化透明導(dǎo)電層、n 型氫化非晶硅層、本征性氫化非晶硅層、p 型氫化非晶硅層、氧化透明導(dǎo)電層TCO。中國信息技術(shù)研究所和中科院上海微系統(tǒng)聯(lián)合一起研制出了高效率的SHJ 電池，研制出來的電池硅片厚度為85 μm，在實(shí)驗(yàn)室的最高轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到24%。將實(shí)驗(yàn)室的電池轉(zhuǎn)化到實(shí)際生產(chǎn)中，可以得到硅片的厚度95 μm，此時電池的產(chǎn)業(yè)化效率可以達(dá)到22.5%。SHJ 電池在制作的工藝中溫度低于200 ℃，避免了產(chǎn)生高溫?zé)釕?yīng)力導(dǎo)致的硅片彎曲，降低了破損的風(fēng)險，成品率達(dá)到了98%以上。高效、超薄、柔性的雙面發(fā)電SHJ電池實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)。

2.1.2 砷化鎵電池

砷化鎵太陽電池和硅太陽能電池對比，它的優(yōu)點(diǎn)非常的明顯，主要有抗輻射性能好、轉(zhuǎn)換效率高、耐高溫和可制成全柔性電池等。目前，最新的柔性多結(jié)砷化鎵薄膜太陽電池的制作方法比較獨(dú)特，主要采用的制作技術(shù)是倒裝晶格失配（IMM 結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上再配合外延剝離技術(shù)（Epitaxial Lift Off. ELO）進(jìn)行柔性化處理。這種技術(shù)的操作方法就是在砷化鎵襯底上，使用一種外延生長GInP/GaAs/InGaAs 等子電池的技術(shù)，將生長的等子電池進(jìn)行剝離和轉(zhuǎn)移，最終沉積在它的柔性襯底上，這樣制作的就是砷化鎵電池[20-21]。中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所研制了全柔性砷化鎵太陽電池，制作的電池的組件面密度可以達(dá)到415 g/m2。半硬式砷化鎵太陽電池組件面密度為550 g/m2，效率超過29%。但是，從文獻(xiàn)中可以看出電池的制作技術(shù)是在發(fā)展的，但是我國新型高效電池的研發(fā)仍然處于起步的階段，該類型的電池制備成本仍然較高，要達(dá)到大量應(yīng)用仍然需要一定的時間。

2.2 儲能電池

太陽能無人機(jī)是否能夠跨夜飛行、循環(huán)壽命等這些關(guān)鍵因素都是由儲能電池的性能優(yōu)劣決定的。目前能夠長時間飛行的太陽能無人機(jī)，一般采用的能源系統(tǒng)是鋰硫電池和納米線結(jié)構(gòu)硅負(fù)極鋰離子電池。

2.2.1 納米線結(jié)構(gòu)硅負(fù)極鋰離子電池

納米線結(jié)構(gòu)硅負(fù)極鋰離子電池可以實(shí)現(xiàn)單體的批量生產(chǎn)，這一技術(shù)是美國Amprius 公司實(shí)現(xiàn)的[22]，最初使用在空客公司無人機(jī)項目中。該電池的電池體積能量密度大于1 200 W·h/L，重量能量密度大于435 W·h/kg。2018年7 月11 日，采用硅納米線鋰離子電池作為能源系統(tǒng)研制的太陽能無人機(jī)“Zephyr S”完成了首飛。該太陽能無人機(jī)飛行了25 天23 小時57 分鐘后，于8月5日降落在亞利桑那沙漠。此次的飛行時間創(chuàng)造了新的記錄，并且該太陽能無人機(jī)的飛行高度也創(chuàng)造了記錄。

2.2.2 鋰硫電池

鋰硫電池在太陽能無人機(jī)的方面也有廣泛應(yīng)用。在2004年美國Sion Power 公司研發(fā)了高能鋰硫電池，它的循環(huán)周期可以達(dá)到300 周，比能量達(dá)到250 ～300 W·h/kg[23]。鋰硫電池還可以應(yīng)用在高空飛行的太陽能無人機(jī)上，在2010年Sion Power 公司就將這一技術(shù)應(yīng)用成功。并且成功研制出新型太陽能無人機(jī)，該無人機(jī)的飛行高度可以達(dá)到21 km，連續(xù)飛行的時間可達(dá)到14 天零22 分鐘8 秒。該無人機(jī)飛行在低溫低壓環(huán)境下，得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)創(chuàng)造了多項世界紀(jì)錄。在該太陽能無人機(jī)上面應(yīng)用的電池的額定容量為2.5 Ah、比能量達(dá)到了350 W·h/kg。

3 能源的獲取方式

由于儲能電池的儲存能力是有限的，因此改變單一能源的供給關(guān)系就可以解決能源限制的問題。所以實(shí)現(xiàn)能源的多元化就顯得格外的重要，獲取能源的方式有：電磁感應(yīng)式無線傳能、電磁共振式無線傳能、微波無線傳能、激光無線傳能等[24-25]。20 km 級的飛行高度是適合無人機(jī)的飛行高度，針對這一高度的能源獲取的方式主要是微波無線傳能、激光無線傳能。

3.1 微波無線傳能

將大氣電離層和地球作為諧振器，這個諧振器可以產(chǎn)生低頻諧振向外發(fā)射，產(chǎn)生的電磁波為8Hz 的電磁波，再使用天線接收電能，這樣的就叫做微波無線傳能技術(shù)[26-27]。Brown 最先驗(yàn)證微波動力直升機(jī)，此后其他國家也開始研究該領(lǐng)域的技術(shù)。在1992 年，2.411 GHz 的微波驅(qū)動飛機(jī)可以使用無線充電飛行25 m。美國在2006 年研發(fā)了高空飛行的微波無線傳能技術(shù)，主要有兩種模式，第1 種模式是太陽光充足的白天，將多余的能量利用微波無線傳能技術(shù)傳給下方的小型無人機(jī)以此供電。第2 種模式是無陽光的夜晚，將地面的電池供電的能量利用微波無線傳能技術(shù)給高空的無人機(jī)，讓它有能量可以完成夜間的作業(yè)[28]。

3.2 激光無線傳能

激光無線傳能技術(shù)主要適用遠(yuǎn)距離的傳能領(lǐng)域，它的主要優(yōu)點(diǎn)是指向性好、傳送的遠(yuǎn)、接收的使用面積小等[29]。各個國家都加入研究它的熱潮中，在2005 年，美國研究機(jī)構(gòu)對15 m 之外的小型飛行器的表面進(jìn)行光照，照射的表示是Ga:In:P2，完成了6 W 的供電需求。在2012 年，美國的馬丁和動力公司合作，研發(fā)了新型的光能量傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)室外的無線傳能，并且可以在空中飛行48 h[30]。

雖然激光無線傳能指向性好，有利于能量的收集，有成熟的技術(shù)，但是它的傳輸效率低。而微波的傳輸性能好，幾乎可以達(dá)到100%，難點(diǎn)在于在無人機(jī)上的安裝技術(shù)也不太成熟?？傊?，目前使用較多的是激光無線傳能，而微波無線傳能更具有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 能源載荷的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)能源的載荷，主要依靠大口徑、高性能的天線。傳統(tǒng)的天線的屏蔽作用會占據(jù)能源系統(tǒng)的一部分面積，使它的性能無法達(dá)到最優(yōu)化，同時無人機(jī)的氣動外形會受到突出的天線的影響，導(dǎo)致氣動效率下降。這些問題的解決方法主要是采用平面陣天線技術(shù)。具有的主要類型有間隙型、貼片型、超材料和偶極子光伏天線等[31]。目前采用較多的技術(shù)是光伏陣列和天線陣列結(jié)構(gòu)形成一體的方式。主要的缺點(diǎn)是無法將兩者真正融合在一起，系統(tǒng)變得復(fù)雜且不穩(wěn)定。新型的技術(shù)是將天線輻射主體換成太陽能電池，目前處于研發(fā)階段。未來光伏天線需要解決的問題主要有3 個：第一是沒有微波交流等效電路模型；第二是電池和天線融合為一體的可能性；第三是交流電和直流電的兼容性。

5 能源系統(tǒng)的管理

目前，能源系統(tǒng)主要存在的問題是能量、重量和功率平衡不能兼有，限制著能源控制系統(tǒng)的性能。保障能源系統(tǒng)對載荷的需求，就要加大交流器、儲能電池和導(dǎo)線的使用，造成系統(tǒng)的質(zhì)量超重，影響系統(tǒng)的效率[32]。目前主要存在的問題有充放電會被光照不穩(wěn)定影響，導(dǎo)致供電能量減弱；電池步驟的跨度大，安裝分散導(dǎo)致傳輸距離長，電量損失加大；電池放電過多使能源系統(tǒng)重量增加。要解決這些問題主要的方法有3 種方式：第一種是均衡放電和充電，在保障功率平衡的情況下可以使效率最大。第二種是找到建立和控制系統(tǒng)模型的方法，先建立系統(tǒng)的靜態(tài)連接模型，然后建立系統(tǒng)的動態(tài)能流模型，找到數(shù)據(jù)和機(jī)理融為一體的方法，最后通過建立宏觀和微觀的模型，找到智能調(diào)度的方法論。第三種是通過理論研究、模擬分析找到構(gòu)建控制系統(tǒng)硬件的原則。

6 結(jié)語

太陽能無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)頗多：可以實(shí)現(xiàn)高空飛行，可以持續(xù)停留在空中工作。可以在臨近空間飛行，并且可以替代低軌道人造衛(wèi)星的方案，提供更加經(jīng)濟(jì)、更通用的各種服務(wù)。但是制約太陽能無人機(jī)的續(xù)航時間和飛行里程的主要因素還是能源系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展。

目前，太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢主要是使用的儲能電池目前無法滿足長時間續(xù)航的要求，發(fā)展主要遇到的問題是能源系統(tǒng)可以利用的面積較小、在載荷的過程中重量的大小也影響著飛機(jī)的飛行和能源的使用效率。能源系統(tǒng)分布太分散，不具備智能性。所以未來太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢應(yīng)該是智能化，面積利用率變大和載荷變輕。

能源的獲取方式、能源的載荷和能源的管理問題都是制約太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)發(fā)展的主要因素，在未來的研究中將能源的獲取方式多樣化、能源載荷中將光伏和天線載荷融為一體、將能源管理問題智能化、高效化都是太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。