无人机能源系统

质量比功率 （W/kg） （AM0） 55 65 105 300 400
太阳电池性能指标现状
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这是由NASA设计的一种硅电池阵由3串30片共90片硅太阳电池组 成，每片电池6×3.5cm。总功率22.5W。
电池片排布
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高比能量蓄电池组技术
二 、 太 阳 能 飞 机 电 源 技 术 发 展 趋 势
一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
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各型号无人机的一些主要参数
一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
Pathfinde r 长度 (m) 翼展 (m) 飞行速度 (km/h) 3,6 29,5 27-31
Pathfinder -Plus 3,6 36,3 27-31
Centurion
共使用264片单结GaAs太阳电池， 效率17.88%，电池尺寸6×6cm ， 单片电池功率0.49W，总功率130W。
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电池安装在机翼上的条格中，电池和机翼使用硅胶粘结，同时在两者 之间贴有泡沫垫片，避免电池在粘结过程中破损。电池和电池之间使 用1mm×0.5mm的银条串联，银条和电池使用焊接连接技术。
太阳电池组件由8行7列共56片太阳 电池组成，如下图所示。行列的间 隔为0.51mm。每个组件装有7个旁路 二极管。组件中电池间的连接使用 25um厚的银箔。
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1994年，NASA开始高空太阳能无人机研究，其目标就 是研制一种在高空中可长时间飞行的飞行器，且有一 定的负载能力，用于大气观测等用途。NASA的高空 太阳能无人机一共发展了Pathfinder，Centurion， Helios等5个型号。
15 0
[mA /cm2]
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10 Current 5
Voc 914 mV
Jsc 14.45 mAcm
2
FF 0.657 6.416 %
0 200 0 200 400 Voltage [mV] 600 800 1000
0
双面太阳电池
600 500 400
电流/mA
300 200 100 0
n/a
592 862 270
29,523
600 929 329 14 n/a 锂电池
19,812
n/a 1,052 n/a 10 n/a 燃料电池
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发动机
发动机数量 太阳电池阵功率 储能电池
1.5kW直流电机
14 31 锂电池
Pathfinder用组件功率和质量(AM0,25℃)
一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
成功进行了第一次载人太阳能飞机的飞行 2.5kw 16128片/5小时23分 钟，262.3km 无
实现了跨越美国的飞行（飞行21次，121小时）
2
3）、高空长距离发展阶段
试飞 年月
19941998 19971999 19942003 19941998 20002003 2005 名称 美国Pathfinder NASA环境研究计划 美国Centurion NASA遥感、通信平台 研究计划 美国Hellos NASA 欧洲，Solitair 欧洲 Heliplat 美国Solong 重量 30m翼展 重量254kg， 功率
5
3）、英国Zephyr“西风”号 一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势

由英国QinetiQ公司 为英国国防部研制 历经6代更新 柔性非晶硅太阳电池(unisolar) 12米翼展 12Kg机身重量 4万米最大飞高度 82.5小时世界最长飞行时间 采用锂硫电池组,576只单体电池作48并12串组合，总重约10kg， 单体电池质量能量密度达到350Wh/kg



11628块150微米厚薄硅电池 12%转换效率 220Wh/kg高能密度比蓄电池 63.4米翼长 1600公斤重量 4
2）、瑞士“SkySailor”号 一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
苏黎世瑞士联邦理工学院和欧洲宇 航局合作设计



216块超薄硅电池 220Wh/kg高能密度比蓄电池 27小时连续飞行记录 3.2米翼长 2.41Kg轻巧机身
太阳电池阵 储能电池（锂离子、锂硫蓄电池组等） 控制系统 光照条件下，太阳电池为负载供电并为蓄电池进行充电； 无光照条件下，蓄电池放电为飞机供电，以维持系统的正常 功能。
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2、太阳能飞机电源关键技术 二 、 太 阳 能 飞 机 电 源 技 术 发 展 趋 势
高效太阳电池方阵技术 高比能量蓄电池组技术 智能化控制技术
3,6 61,8 27-33
Helios HP01 3,6 75,3 30.6-43.5
Helios HP03 5,0 n/a
爬高纪录 (m)
净重 (kg) 最大起飞重量 (kg) 负载 (kg)
21,802
207 252 45 6 7.5 蓄电池
24,445
247.5 315 67,5 8 12.5 蓄电池
二 、 太 阳 能 飞 机 电 源 技 术 发 展 趋 势
白天
黑夜
有效载荷 太阳能电池阵 DC-DC 氢气 水电解器 氧气 燃料电池
可再生燃料电池 具有高比能量和比功 率，而且克服了蓄电 池的自放电、放电深 度及电池容量有限等 弱点，因而特别适用 于空间及邻近空间长 期飞行。
水
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薄膜太阳电池及其组件
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4）、德国“SunSeaker”号 一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
德国SolarFilght公司和 日本Sanyo公司合作开发


高效单晶硅电池 氢氧燃料电池
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5）、NASA无人机（GaAS） 一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
NASA研制一种小型无人机，机身 长2m，翼展4.7m，重9.2kg。这 种飞机设计为短程使用，因此没 有储能设备。
1、太阳能飞机发展历史
1）、无人机探索阶段 一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
试飞 年月 1974 1975 1976 1976 1990 1998 名称 美国Sunrise I 美国SunriseII 德国Solaris 美国Solar Solitude 德国Solar Excel 德国Picosol 重量 功率 450W 600W 太阳电池数目 4096片 4480片 14% 储能 电池
一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
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6）、NASA无人机(三种硅电池) 一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
Pathfinder使用了三种硅太阳电池作为电源，厚度110um的是双面电 池，厚度150um的是薄硅电池，厚度350um的是普通硅电池。电池尺寸均为 67.3mm×69.8mm，双面电池平均效率15%，薄硅电池平均效率15.7%。
FF 0.761 0.764
正面效率16.56% 背面效率12.13%
双面电池光电转换效率的测试结果
Voc (mV) 633.1 632.4 Isc (mA) 558.3 407.55 Vmax (mV) 527.6 524.1 Imax (mA) 509.7 375.9
0
100
200
300
400
500
600
700
电压/mV
η % 16.56 12.13
不同高度储能电池容量的影响
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锂离子电池和锂硫电池的性能参数比较
二 、 太 阳 能 飞 机 电 源 技 术 发 展 趋 势
电池 体系 电极 材料 理论 容量 (mA h/g) 275 372 1675 实际 容量 (mA h/g) 140 568 330 700 ～ 1000 ～ 1000 理论 比能 量 Wh/k g 实际 比能 量 Wh/k g
试飞 年月 1979 1980 1981 1990 名称 美国Solar Riser 美国 Gossamer Penguin 美国 Solar Challenger 美国Sunseeker 重量 翼展9.76m 重量12.25kg 功率 350W 太阳电池数/ 飞行时间及距离 10分钟、800m距离 储能 电池 Ni-Cd 蓄电池
电池类型 电池厚度（um） 电池质量（g）
薄硅 150 118.2
双面 110 77.3
组件质量（g） 组件输出功率（W）
质量功率比（W/kg） 背面电池功率（W） 质量功率比（W/kg）
175.6 55.25
315 0 315
134.7 53.34
396 8 455 组件采用了层压技术，由上 下两组Tedlar膜和硅橡胶组 成，将太阳电池密封在中间 。Tedlar膜厚度为12.5um， 硅橡胶厚度为50um。
太阳电池数/ 飞行时间及距离
飞行高度达到15392m
储能 电池
一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
翼展是Pathfinder两倍，可携带超过300kg的遥感及通信设备，飞 行高度达24400m，锂电池储能，日落后可持续飞行2-5小时 飞行高度29524m，其中有40分钟以上在29261m的高空飞行 5.2m翼展，可调节角度的太阳能电池帆板 用于宽频通信和地球观测，24米翼展，后期改为Shampo 飞行24小时11分钟，无储能，4.74m翼展，11.5kg，同年6月实现了 48小时16分钟的飞行,76片20%SunPower A-300电池,约300W 飞行6小时，高度7925m，2006年实现18小时的飞行，2007年实现54 小时飞行，打破了无人机飞行时间记录，高度达到17786m，重量 30kg，18m 的翼展。
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高效太阳电池方阵技术
二 、 太 阳 能 飞 机 电 源 技 术 发 展 趋 势
1）、电池逐渐高效化 2）、方阵逐渐柔性化 3）、电池排布采用分布式设计
太阳电池种类 高效硅太阳电池 单结砷化镓太阳电池 三结砷化镓太阳电池 柔性非晶硅薄膜太阳电池 柔性铜铟硒薄膜太阳电池
效 率 （%） AM0 15 19 28 9 12
锂离 子电 池
LiC oO2 正极
石墨 负极
S8正 极
160～ 200
锂硫 电池
金属 锂 负极
2600
3861
>350 远期 600
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智能化控制技术
二 、 太 阳 能 飞 机 电 源 技 术 发 展 趋 势 智能化:
机翼变化
辐照度随时间\天气\角度变化
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模块化: 二 、 太 阳 能 飞 机 电 源 技 术 发 展 趋 势
3、太阳能飞机发展趋势
一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
① 高空飞行并长时间滞空 ② 短程不采用储能设施，简单可靠 ③ 采用更为高效、智能电源系统
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1、太阳能飞机电源系统 二 、 太 阳 能 飞 机 电 源 技 术 发 展 趋 势
能源分系统为飞机的动力、控制及任务载荷等提供能源， 是整个飞机能量的唯一来源，可采用：
3 2003年开始，80m翼展，2000kg重量，将于2011年实现环球飞行。
2005 20092010
英国 Zephyr 瑞士新一代 Solar-Impulse
2、太阳能飞机重要项目 1）、瑞士“Solar Impulse”号 一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势


2009年,首架可昼夜飞行太 阳能飞机 由苏威、欧米伽、德意志银 行等共同投资
翼展9.76m 重量12.25kg
翼展9.76m 重量10.21kg
在50米的高度进行了三次150秒的飞行 飞行距离达到38.84km，两年后达到非常高度1283m 飞行距离达到190km，速度达到62.15km/h(模型) 重量159.5g 翼展1.11m 8.64w
1
2）、尝试载人阶段 一 、 太 阳 能 飞 机 现 状 与 趋 势
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3、 未来系统能源方案选择
二 、 太 阳 能 飞 机 电 源 技 术 发 展 趋 势
1）高效太阳电池阵和锂离子蓄电池组相结合的方案
太阳电池阵
电源控制器 电源系统
蓄电池组
储能电源采用高比能量聚合物锂离子蓄电池组， 聚合物锂离子电池具有比能量更高、安全性好、循环寿 23 命更长等优势。
2）高效太阳电池和可再生燃料电池相结合的方案