太阳能无人机平台Word下载.docx
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本文旨在辅助实物，说明这样一架以太阳能为动力能源配给的小型无人机的设计过程、初步应用以及未来发展的前景。
关键词：
太阳能无人机，空中侦察，太阳能电池，锂电池，能源管理
Abstract
Solar-poweredplaneisakindofaircraft.Itispoweredbysunshine,solarpowerandanyotherenergythatpossiblyreleasedbythesun.Solar-poweredaircrafthasbeenoneofthemostcutting-edgetechnologiesandisstillanimportantresearchsubject.Sincethemid-20thcentury,solar-poweredaircrafthasbeenankeyemergingareainworldaviationindustry.Currently,countriessuchasSwitzerlandandtheUShaveachievedgreatsuccessinthisfield,whiletherehasn'
tbeenanyremarkablebreakthroughinChinaduetovariousreasons.Wehopetoinquirealittleintodesignofsolar-poweredairplane.Wetrytosolvetechnicalproblemssuchasinsufficientpower,powermanagementetc.Andwehopethatourworkwillprovidereferenceforfurtherresearchinthisrealm
Thisessay,withamodel,aimsatexplainingthedesignprocessofsuchasmallunmannedsolar-poweredaircraftanditsdevelopmentprospects.
keywords:
solar-poweredairplane,airreconnaissance,solarcell,lithiumcell,powermanagement
第一章引言
1.1项目背景
1.1.1太阳能
图1美国加州南部的太阳能热电厂
太阳能（SolarEnergy），作为一种新兴的可再生能源，一般是指太阳光的辐射能量。
太阳能的利用有被动式利用（光热转换，如图1）和光电转换两种方式（如图2）。
人类以及自然界的各类生物所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。
自然界中最普遍的例子就是植物的光合作用，正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来；
煤炭、石油、天然气等化石燃料虽然是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的，但它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。
此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换而来的。
图2太阳能电池板阵列
太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程而产生的能量。
地球赤道的周长大约为40000km，而地球轨道上的平均太阳辐射强度为1369w/m2，从而可计算出地球获得的能量可达173000TW左右；
而在海平面上，太阳辐射强度的标准峰值强度为1000w/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为200w/m2，相当于有102000TW的能量，在这些能量中包括了所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），人类正是依赖这些能量维持生存。
虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但在太阳能在利用上仍然显现出众多弊端：
（1）分散性：
到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。
平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1m2面积上接收到的太阳能平均有1000W左右；
若按全年日夜平均，则只有200W左右。
而在冬季这一数字大致只有一半，阴天更是只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。
因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。
（2）不稳定性：
由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照强度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。
为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题——即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用。
但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。
（3）效率低和成本高：
目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。
但是已投放应用的很多太阳能利用装置，效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。
在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，还将受到经济性这一弊端的制约。
太阳能的这些特点使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制，同时这也是设计太阳能飞机所面临的最大挑战。
1.1.2太阳能电池
太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
图3为利用太阳能电池板阵列发电。
太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
这就是太阳能电池的工作原理——光电效应。
图3光伏发电
太阳能电池的发展水平是决定太阳能无人机性能的根本。
目前在太阳电池的研究方面进步较快，各种材质的高效电池不断涌现，但航空领域对太阳能电池的要求并不仅仅是较高的转化效率，它还要求电池具有良好的物理特性，如耐高/低温变化、耐辐射、耐腐蚀、高可靠性等。
对比当前各种电池，高端单晶硅太阳能电池产品凭借其高效、无毒无污染、技术成熟等特性成为当前太阳能航空器中应用最为广泛的电池。
单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为18%。
在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，目前已发展了多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池作为单晶硅太阳能电池的替代产品，但转换效率均低于单晶硅太阳能电池。
1.1.3太阳能无人机
太阳能无人机是以太阳辐射作为推进能源的飞机。
太阳能无人机的能源动力系统（如图5）一般由太阳能电池组、锂电池、电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。
由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳电池，因此太阳能无人机的机翼面积较大。
图5典型太阳能无人机的能源动力系统示意
太阳能无人机的工作原理是：
白天，依靠机体表面铺设的太阳电池将吸收的太阳光辐射能转换为电能，维持动力系统、航空电子设备和有效载荷的运行，同时对机载二次电源充电；
夜间，太阳能无人机释放二次电源中储存的电能，维持整个系统的正常运行。
如果白天储存的能量能满足夜间飞行的需要，则太阳能无人机理论上可以实现“永久”飞行。
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。
太阳能在航空器的应用研究，是我国新世纪航空工业重点发展的一个新领域，也是各国航空工业研究的一个新热点。
1974年11月4日，世界上第一架太阳能无人机sunriseI在4096块太阳能电池的驱动下，缓缓地离开了地面，这次成功的飞行标志着太阳能飞行时代的来临。
此后随着太阳电池效率、二次电源能量密度的提高，以及微电子技术、新材料技术等的发展，太阳能无人机终于驶上了飞速发展的快车道。
在上世纪90年代，我国也开始了对太阳能无人机的探索。
中国第一架太阳能无人机“翱翔者”号（如图6），是北京航空航天大学飞机设计与应用力学系（现为航空科学与工程学院）李晓阳博士和赵庸教授在1992年设计制造的，该机是中国历史上有记载的首架具有原创自主知识产权的太阳能飞行器（ZL94209702.5，1994.10.30，China）。
“翱翔者”号把阳光和太阳能研究以极低的成本提升到空中，其科学意义还包括通过技术/工程验证机的研制与相关实验，能够发现太阳能飞行器关键技术问题和利于找出解决问题的方法，为进一步研制实用的太阳能飞行器建立理论基础和累积工程实践经验。
这种先研制缩比验证机再研制全尺寸太阳能无人机的方法，有利于显著降低科研经费、缩短研制周期。
图7“绿色先锋”
第四届中国国际航空航天博览会新闻发布会对外公布中国“绿色先锋”太阳能飞行研究计划（如图7），该计划目标是结合一种特殊型式的太阳能飞行器研制，系统地研究与太阳能飞行器相关的科学问题，为持续发展中国太阳能动力飞行探索研究事业建立更全面的科学技术基础。
该项目在2005年做过一些试验后再无进一步消息。
近几年，国内虽然仍然有许多专家学者在研究太阳能无人机，但一直没有取得突破进展，而国外的太阳能无人机则在各方面的性能上突飞猛进。
国家高度重视新能源的开发与利用，太阳能无人机作为一个集科技、能源、实用价值于一身的发展点，有很大的研究价值。
1.2本项目的目的
本项目是对太阳能无人机的一次尝试，希望能将传统飞机的设计同能源规划的问题相结合，在其中加入一些创新的举措，从而解决当前在太阳能无人机研制中几个比较突出的矛盾。
在项目的初期，我们的目的是初步建立一个基本的太阳能无人机平台。
计划研制一架翼展约5米，大展弦比的常规布局飞机，动力能源主要由布置在上翼面的太阳能电池阵列提供，在起飞阶段电机需要较大电流时，由锂电池辅助供电，达到平飞状态时切换为太阳能直接供电。
飞行时间约为20分钟，可以实现基本的能源控制管理。
飞机需要有较好的操稳特性与滑翔特性。
在初期的平台成型后，我们将对各方面的性能进行优化，如提高太阳能电池组的转化效率、降低飞机的结构重量、研制多功能的能源管理系统等。
在平台的研制趋于成熟后，将在平台上加装任务载荷，如航拍设备，定位设备等，形成一个完整的、有实用价值的太阳能飞行器系统。
第二章飞机的总体设计
2.1能源规划与动力系统
2.1.1太阳能电池板的基本参数
本项目选用的太阳能电池为单晶硅太阳能电池，其基本数据如下：
材料
单晶硅
尺寸
125mm*125mm*0.2mm
重量
7g
转化效率
约17%
短路电流（正午）
4A
开路电压（正午）
0.5V
功率
2w
图8封装在蜂窝夹层上的太阳能电池板
2.1.2太阳能电池的连接方式
太阳能电池阵列最终输出的电压与电流，取决于电池片之间的串并联关系。
串联则电压相加，并联则电流相加。
参考单片电池片的参数，对于电机和螺旋桨的负载，电压明显不足，需要更多的串联电池片来提高电压。
串联之后的电池片总电流并不增加，又需要将串联后的若干组电池片相并联，这样才能基本达到动力能源的需求。
规划电池片的串并联方式，还需考虑储能系统的规格。
储能系统是太阳能无人机中重要的组成部分，目前国外太阳能无人机概念设计阶段都提出储能器应选择高能量密度、高效率的燃料电池，个别小型太阳能无人机则选用了性能较好的锂聚合物电池。
在这里我们选用了锂聚合物电池，其优点在于：
（1）体积小，重量轻；
（2）与电机的匹配方式可以参考模型飞机的经验；
（3）作为太阳能电池和电机之间的桥梁，可以起到稳定电压电流的作用，避免因为阳光因素导致供电不稳。
电压方面：
单节锂聚合物电池的电压范围为3.7V~4.2V，若想实现太阳能电池对其充电，太阳能电池电压应与锂电池电压基本持平或略高，考虑到受日照条件影响，单节锂电池大约需要10片太阳能电池串联为其充电。
如此算来，比较合理的布置是选用3节串联的锂电池（电压为11.1V~12.6V，如图9），太阳能电池片则30片为一组串联（电压约15V，受日照条件影响电流会存在一定的波动）。
图9本项目选用的锂电池（3S3000mAh25C）
电流方面：
一组30片串联的太阳能电池电流约4A，使用3组并联则共需要90片太阳能电池，考虑电池片的尺寸及翼面积大小，这是一个可以接受的数量，同时功率大约达到180w，也基本达到飞机平飞所用功率（起飞爬升则不够）。
因此，最终太阳能电池片的连接方式定为：
30片串联为一组，再将这样的3组并联，形成一个电压15V，电流12A的电池组。
2.1.3动力系统
动力系统由电池（包括太阳能电池和锂电池，电池同时也属于能源系统）、电子调速器、电机、螺旋桨组成。
电池部分是电机的能量来源，也是本项目的核心部分。
除了提供足够的电压与电流外，如何协调太阳能电池与锂电池的工作状态也是这部分的重要问题。
有关能源管理的解决办法请参看后边的章节。
电子调速器是将电池组输出的直流电转化成交流电的一个部件，它同时也有控制电流即控制动力大小的作用。
电子调速器轻便小巧，转化效率很高，在小型无人机有很广泛的应用。
其性能指标主要为允许通过的最大电流，最终，本项目组选用了40A的好赢牌“飞腾”系列电子调速器（如图10）。
图10电子调速器
电机和螺旋桨共同构成电路的负载，也是飞机拉力的提供者。
目前各大厂商生产的电机都会提供实测的拉力数据，这是我们选择电机的一大依据。
当然由于本项目的特殊性，并非拉力越大越好，因为我们还要兼顾太阳能电池的功率。
以下为本项目所选电机的参数。
图11电机参数
螺旋桨我们选用了德国进口的CAM折叠桨，规格为电机推荐的12*6（如图11）。
图12折叠桨
以上为本飞机选用的动力系统，预计可以产生1.55kg的拉力。
在项目的初期，我们从成本考虑，暂时没有加装减速组。
在进一步的研究中拟通过计算与实验，找到一个高效的减速比，以此为基础选择减速组。
2.2气动外形设计
2.2.1气动布局简述
当前太阳能无人机的气动布局形式主要有常规布局和飞翼布局两种。
常规布局是早已有之的布局形式，设计方法比较成熟，技术风险低，适合于太阳能无人机的初期设计。
而在对太阳电池、储能系统、控制系统等方面研究成熟的情况下，可以考虑飞翼、联翼等先进布局形式，进一步提高无人机性能。
本项目采用了常规布局，为铺设更多的太阳能电池片以及获得更好的滑翔性能，机翼为大展弦比的矩形翼，水平尾翼上同样布置有太阳能电池片。
而为了减小遮挡面积，垂直尾翼采用了H型安装方式，左右两垂尾均未布置太阳能电池片。
起落架采用前三点式。
2.2.2飞机外形参数
展长（mm）
展弦比
翼面积（m2）
根稍比
尾容量
机翼
4940
12.35
1.976
1.00
平尾
1100
2.75
0.44
0.63
垂尾（上）
300
1.33
67500
1.65
0.01
垂尾（下）
100
0.42
24000
1.40
0.003
在飞机的俯视图中，浅绿色和深绿色代表铺设的太阳能电池，而从侧视图中可以清楚地看出尾翼的H型布局。
=
图13俯视图
图14侧视图
飞机的气动外形设计过程中，要时刻考虑太阳能电池片的布置，这是与常规飞机设计的重大区别。
可以看出，在机翼的弦向布置了2片太阳能电池，前缘与副翼部分由于工艺复杂没有布置任何太阳能电池片。
左右机翼共布置了38*2=76片电池，尾翼布置了14片，共计有90片电池布置在翼面上。
关于具体封装方式，后面章节有进一步说明。
2.2.3翼型
机翼的翼型选取，主要考虑在低雷诺数条件下有较大的升阻比。
最终确定翼型为MH115（相对厚度11%，弯度5.5%），以下为其特性曲线。
图15翼型MH115特性曲线
2.2.4焦点计算及静稳定裕度
使用公式：
式中：
——焦点位置在机翼平均气动弦长所占比例
——机身对焦点位置影响系数，粗略计算取0.25
——平尾效率。
正常式布局取为0.3
——尾容量
——平尾升力线斜率，
a——机翼升力线斜率，
——平尾下洗角相对于机翼迎角的变化量，这里参考常规布局的经验，
综上可求出：
即焦点在机翼弦长42%处。
说明：
由于电池片的封装问题，机翼的翼型难以完全保证，因此实际焦点可能会比理论计算值略微靠后。
基于这种考虑，我们将静稳定裕度取为7%，即重心在弦长的35%处（重心通过移动可动部件调整位置）。
第三章机翼及尾翼结构设计
太阳能电池在机体平台上的应用是非常困难的工作。
太阳能电池既是产生电能的功能元件，又作为蒙皮的一部分承载气动载荷。
其自身厚度小、刚度差、易碎易裂，对于弦长较小的机翼曲面环境很难适应，当飞行中机翼弯曲变形较大时，电池片将严重受损。
这就要求机体平台既要解决对太阳电池的封装问题，又要为电池提供良好的铺设平台。
此外，大型太阳能无人机上电池铺设面积大，焊点多，线路复杂，客观上降低了组件的可靠性，对工艺要求较高。
总体来说，对太阳电池的各种处理和铺设是太阳能无人机设计制作过程中一个重要的环节，该部分消耗的时间和经费在整个研制时间和研制费用中都占有较大的比例。
美国AC公司在研制solong无人机的4年中，花费近一年时间用于把太阳电池与机体平台相结合的工作上，其总研制费用的一半用于太阳能电池相关部分。
探路者无人机研制经费的3/4用于太阳电池相关部分。
据国外某航模网站介绍，在把A-300电池铺设于无人机翼面上的过利中，电池的损失率高达50%。
3.1机翼结构设计
3.1.1翼型的处理
如前所述，太阳能电池片很难铺设在曲面上，因此我们需要对翼型做适当处理。
处理方法很简单，翼型上需要铺设电池片的位置用直线代替原来的曲线，这样在整个翼面上即可形成两个平面，非常便于铺设太阳能电池片（如图16）。
图16处理后的翼型
当然，如此处理对翼型有相当的损失，为了弥补在气动上的损失，我们在机翼的后期制作中将翼型缺失的部分又重新加装，在表面热缩蒙皮的作用下，翼型在一定程度上得以恢复（如图17）。
图17机翼的电池片封装工艺
3.1.2机翼的传力结构
机翼采用双梁式结构，前梁位于弦长25%处，是承受弯矩的主要部件；
后梁位于弦长70%处，也承受一部分弯矩（如图18）。
图18双梁式结构的机翼
在紧贴前梁的后侧安装有腹板，主要传递剪力。
在前后梁之间的上下翼面均有蒙板，构成一个界面封闭的结构，主要传递扭矩。
另外，在机翼表面的透明热缩蒙皮（透光率91%）也可承受一定的扭矩。
机翼的封装效果如下图所示。
图19机翼封装效果图
3.2尾翼结构设计
3.2.1水平尾翼结构设计
水平尾翼所受载荷相比机翼小很多，采用了单梁式的结构。
在封装工艺上，则采用了一种更为优化的方式：
翼型不再做特殊处理，而是在两个翼肋之间搭建平台，以便铺设太阳能电池片。
这样做的好处是显而易见的——对气动没有任何影响（如图20）。
图20水平尾翼的封装工艺
3.2.2垂直尾翼结构设计
垂直尾翼位于水平尾翼的两侧，形成H型。
为了最大限度减少对平尾电池片的遮挡，垂尾采用了框架式的结构，表面用透明热缩蒙皮包装（如图21）。
图21垂直尾翼
第四章能源管理系统
能量管理系统的主要作用就是实时地监测各单元的能源需求量并合理高效地进行能量调配，使得太阳能电池吸收的能量得到最好的利用，从而使无人机的航程与航时得到扩展。
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，能量管理系统将更为复杂，自动化程度和可靠性要求都要更高。
开发一套功能强大、高效、高可靠性的能量管理系统将是未来太阳能无人机发展的关键技术。
4.1系统应具备的功能
对于太阳能无人机平台，能源管理系统应具备这样一些功能：
1）正确连接各部件。
在本项目中，每30片太阳能电池串联后形成一组，3组这样的太阳能电池与2个3S的锂电池应为并联关系。
2）限制部分线路的单向导通。
一般来说，我们希望太阳能电池能为储能电池充电，而不希望储能电池反过来为太阳能电池充电。
3）具有完善的充电策略。
利用太阳能电池充电，充电电流随日照变化而变化，一个理想的系统应该能够稳定充电电流而不至于变化过于剧烈。
另外，对于多节串联的储能电池应能实现平衡充电，并且时刻监视电压，不出现过充现象。
4）智能协调用电方式。
太阳能无人机由地面遥控，在地面上发送指令（如加速飞行），主控制器接收到后，就会采集系统状态、太阳能电池阵的电流、电压、储能电池的状态、负载的用电功率，电机的电流等，判断是由太阳能电池阵还是燃料电池或者两者同时供电，最后由执行机构完成操作。
5）体积小巧、可靠性高。
本项目目前仍处于初期，虽然也有简单的能源管理系统，但功能还不是十分完善，这也是我们下一步要改进的地方。
4.2关于最大功率点跟踪技术（MPPT）
此技术将使得能源管理策略大幅优化，是我们下一步研究的重点。
4.2.1技术原理
在常规的线性系统电气设备中，为使负载获得最大功率，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统的内阻，此时负载上就可以获得最大功率。
4.2.2在太阳能无人机上的应用
对于一些内阻不变的供电系统，可以用外阻等于内阻的简单方法就可以获得最大输出功率。
但在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻不仅受日照强度的影响，而且受环境温度及负载的影响，而处在不断的变化中。
因此，就不可能用上述简单的方法来获得最大输出功率。
目前所采用的方法是在太阳能电池阵列和负载之间增加一个DC/DC变换器，通过改变DC/DC变换器中功率开关管的导通率，来调整、控制太阳能电池阵列工作在最大功率点，从而实现最大功率跟踪控制。
最大功率点的跟踪（MPPT）实现的实质是一个自寻优过程，即通过控制阵列端电压，使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。
MPPT控制也可以先根据采集到的太阳能电压、电流值以及功率值来判断其运行在哪个工作区，然后根据不同的工作区采取不同的工作指令进行跟踪控制。
第五章地面实验
5.1动力系统工作时间测试
5.1.1实验目的
本实验测试太阳能电池在延长航时方面的效果。
5.1.
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