太阳能无人机平台

太阳能无人机平台 Prepared on 24 November 2020

第21届“冯如杯”学术科技竞赛参赛论文

科技发明制作类

论文名称：太阳能无人侦察机

项目编号：

学院名称：航空科学与工程学院

专业名称：飞行器设计与工程

学生姓名：王斐然（）

指导教师：孙康文

北京航空航天大学

二○一一年四月制

作者承诺

我保证本论文的工作由我和项目组的成员独立创作，保证本论文中不存在抄袭、剽窃、侵权、伪造、故意夸大等各种弄虚作假的行为。我和项目组成员将遵守本届冯如杯参赛的有关各项规定。并愿意承担因为个人原因而产生不良后果的责任。

申请者(签章)：

2011 年04月01日

摘要

太阳能无人机作为飞行器的一种，是指以阳光、太阳能以及太阳可能存在的其他能量来作为动力和任务设备能源的飞行器。以太阳能作为未来航空航天器的辅助能源乃至主能源，是人类具有方向性和前沿性的重要研究目标。20世纪中期以来，太阳能飞行器研究已经成为世界航空航天业重点发展的新兴领域。目前，以瑞士、美国为首的一些国家已经在这方面取得了长足发展，而国内受制于各种因素一直没有突破性进展。本项目组希望在太阳能无人机的设计及应用上进行一些探索，尝试创造性解决太阳能无人机动力不足、能源管理等技术难题，为国内在此领域的研究提供一些借鉴。

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-powered plane is a kind of aircraft. It is powered by sunshine, solar power and any other energy that possibly released by the sun. Solar-powered aircraft has been one of the most cutting-edge technologies and is still an important research subject. Since the mid-20th century, solar-powered aircraft has been an key emerging area in world aviation industry. Currently, countries such as Switzerland and the US have achieved great success in this field, while there hasn't been any remarkable breakthrough in China due to various reasons. We hope to inquire a little into design of solar-powered airplane. We try to solve technical problems such as insufficient power, power management etc. And we hope that our work will provide reference for further research in this realm

This essay, with a model, aims at explaining the design process of such a small unmanned solar-powered aircraft and its development prospects.

keywords: solar-powered airplane,air reconnaissance,solar cell,lithium cell,power management

目录

第一章 引言

项目背景

1.1.1太阳能

太阳能（Solar Energy ），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。

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/m 2，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/m 2，地球表面某一点24h 的年平均辐射强度为200w/ m 2，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。 图1 美国加州南部的太阳能热电厂

图2 太阳能电池板阵列

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1 m2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。