太阳能无人机及其应用概述

图2 Aquila太阳能无人机
2 近年主要政策文件
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，将推动人工翼展：45 m，长度相当于25辆小轿车
飞行高度：20000 m
高度相当于48个天津电视塔
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
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。

图3 太阳能无人机能量转化示意图
太阳电池
电池管理系统
注：MPPT 为最大功率点跟踪
二次电池
MPPT
变压装置
发动机
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。

3.3 电源控制子系统
图4 太阳能无人机能量平衡关系图
白天使用太阳能的时间
夜间使用蓄电池的时间
白天用于充电的太阳能
夜间蓄电池供电能量
飞机平均消耗能量
P
O
t
图5 IBC 太阳电池结构
前表面减反射层
SiO 2/SiN x
SiO 2
n +前表面场
n +背表面场
负极正极金属电极
电极间距(周期)
n 型晶硅
p 型发射极
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]
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
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，。