太阳能无人机的研制
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2017 NO.11 （ 下 ）
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太阳能无人机的研制
綦正民 李孝禄 刘 琛 郑恩辉 张远辉 （中国计量大学机电工程学院，浙江 杭州 310018） 摘 要 ： 研制了翼展4.8m 的太阳能无人机，光照强度较大时由太阳能电池直接为动力系统供电，光照不足时由锂 电池进行供电。通过 Profili 软件对机翼分析后，采用具有大展弦比的机翼 GOE500 ； 太阳能电源由72片太阳能电 池组成，最大功率可达288W ； 在翼肋上表面利用超透薄蒙皮对太阳能电池片进行保护，并封装在翼肋中。测试 表明，由于飞行姿态和负载的变化，太阳能电池的输出功率具有波动性 ； 平飞巡航功率只需80W ； 当太阳能电池 输出功率在130W 以上时，太阳能无人机可成功进行高度爬升。 关键词 ： 光伏电池 ； 太阳能无人机 ； 锂电池 ； 翼型 中图分类号 ： V279 文献标识码 ： A ０． 引言 近几年，中小型无人机在很多领域得到重要的应用。但 是，电动或者油动中小型无人机存在航时短的不足。 太阳能是一种清洁的可再生能源，可作为小型移动装 置的能源，如为电动自行车和电动三轮车提供电能。由于固 定翼无人机具有翼展面积大的特点，将光伏太阳能电池安装 在无人机两翼上为其供电，可有效延长无人机的航时。本研 究对太阳能无人机进行了研究 ： 当太阳辐射度较大时，以光 伏电池作为无人机动力来源，光照不足时由搭载的高容量锂 电池供电，满足巡航所需能源。 １．１５０Ｗ 太阳能无人机设计方案 1.1 太阳能无人机设计要求 考 虑 到 试 验 要 求、 气 动 设 计、 结 构 设 计 等， 本 设 计 的太阳能无人机各项参数为平飞时巡航速度6 m/s，机身 长 度2.5m， 翼 展4.8m， 机 翼 面 积2.3m2。 使 用 多 晶 硅 功 率 4W(AM1.5) 太阳能电池片，单侧机翼总电压与总电流分别为 18V 与8A，太阳能电池板阵列理想输出功率288W。 1.2机翼布局 为将72片电池片合理分配，并考虑到太阳能无人机机 翼较长，为便于放置与运输，经计算之后，将机翼设计为三
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段式，分别是一个中段，两个外段，共铺设电池片72片。太 阳能电池阵列连接方式为以全机翼中线为中心，左右两侧机 翼上太阳能电池片分别串联，分别得到8A/18V 电源，左右 两侧机翼上电池片再进行并联接出，得到16A/18V 共288W 电源（理想情况下） 。 1.3机翼结构中电池片放置 在机翼框架翼肋之间预留出可容纳电池片的区域来放 置电池片。在翼肋之间和电池板底部采用松紧合适的凯夫拉 线作为电池片的缓冲底座。通过放置电池片框架以及凯夫拉 线作为缓冲底座，并通过连接电池片的焊带提供额外的强 度。整个电池片阵列就不需进行额外的封装，这样就可以减 少电池片封装重量。 1.4采用防逆冲二极管 以全机翼中线为中心，左右两侧机翼上太阳能电池片分 别串联后再并联接出，电池片全部焊带连接。在实际飞行过 程中，电池片可能会由于挤压或震动而导致破碎。为此，在 每片电池片上并联旁路二极管。当电池片受损无法供电后， 其最小电压低于旁路二极管的反偏电压，二极管导通，使破 损电池片短路。这样可以防止破损电池片成为耗电单元，提 高太阳能飞机中电池片的容错率。 1.5供电电源选择部分 当天气较差，会出现电池片供电不稳定的情况。为了 实现在光照强度满足时，由太阳能电池片为无人机提供总能 源，当太阳辐射不足无人机正常飞行时，由无人机携带锂电 池放电进行供能。电源选择部分的设计原理是采集电流 / 电 压参数值，与设定的电流 / 电压值比较，并通过分析后判断 是由太阳能电池片还是锂电池来供电。同时，经串口通信模 块将实时电流 / 电压值输出到上位机进行记录。 1.6气动布局分析 为了获得足够的能量，需要设计较大的翼面积来布置 太阳能电池片。太阳能无人机的飞行要求高气动效率以及高 稳定性，所以该机设计采用大展弦比机翼的常规十字尾翼布 局。 考虑到在天气状态不同的情况下，为了适应不同的飞 行模式，使太阳能无人机具有最高的飞行效率，本研究加入 了可变攻角的设计，即在机身上设置不同的安装孔位，在安 装机翼时可以方便地实现对机翼安装角的调节，从而调节太 阳能无人机在平飞时无人机迎角。 同时由于本研究的太阳能无人机为超低速飞机，因而 飞机在正常情况下飞行受阵风影响出现失速的概率比较大， 所以为本设计的太阳能无人机将外段机翼设计为外洗机翼， 外洗机翼外段的迎角相比内段迎角小，在内段机翼出现失速 情况时，可以使带有副翼控制面的外翼部分延迟进入失速状 态，增强飞机在部分翼段出现失速状态下的姿态控制能力。 1.7 GOE 500翼型选择及分析 选择翼型时要保证该翼型具有较高的升 / 阻比。其次， 由于该研究中的太阳能无人机主要飞行高度为50m~300m， 气流不稳定，且受太阳能电池片功率的影响，太阳能无人机 应具有较好的气动稳定性，即无人机在气流影响下处于不同 迎角及空速范围下的升力、阻力，以及升阻比曲线具有一定 的稳定度。同时在要考虑到翼型的前缘曲率以方便放置电池 片。
３． 自动化运行技术在输配电及用电工程中应用的正确 方法 3.1 引进各种专业技术培养复合型人才 目前我国的自动化运行技术在输配电及用电工程中的 应用并不是十分顺利，这其中的一部分原因就是由于在这 方面的技术水平还没有达到一个很高的水准，必须通过一 定的技术支持才能让自动化运行技术在输配电及用电工程 中发展起来。所以对于输配电企业来说，必须对各种专业 技术的引进提起高度重视，对于国外的先进技术要多进行 关注和学习，在适当的情况下要对这些先进技术进行引进， 然后进行一定的研究和学习，从而对这种技术进行一定的 创新和改进使之更加适合自己的企业。除了要做好对于技 术的引进之外，对于电力企业来说，还必须做好对于复合 型人才的培养。自动化运行技术在输配电及用电工程中的 应用不仅需要自动化方面的专业知识，也需要电力方面的 专业知识，所以对于技术人员来说仅仅懂得一方面的知识 是远远不够的，必须为此学习多方面的专业知识，并把这 些专业知识结合起来进行应用。对于电力企业来说，必须 做好对于技术人员的培训工作，要将技术人员培养成复合 型人才。 3.2 提高对于输配电及用电工程的管理水平 提高输配电及用电工程的管理水平对自动化运行技术 在输配电及用电工程中的应用发挥着极其的重要作用。对 于电力企业的管理人员来说，必须对自己的管理意识进行 更新，传统的管理意识已然不适合于如今的时代，如果不 对此进行改革，那么只能让电力企业的管理水平严重降低，
输电效率也将因此而降低，所以电力企业的管理人员应该 利用如今先进的管理模式进行管理，使输配电及用电工程 的管理水平得到切实提高。 3.3 对天气因素进行充分考虑 上文已经提到，天气因素也会对自动化运行技术在输 配电及用电工程中的应用产生一定的影响，所以对于相关 技术人员来说必须对天气因素也进行充分的考虑。为了应 对各种恶劣天气，相关技术人员在平时就必须做好对于各 种设备的维护工作，一定要提前消除各种安全隐患，不能 在恶劣天气即将到来时，再去进行检查和维修，到那时只 会增加维护的难度和成本。 结语 总的来说，将自动化运行技术在输配电及用电工程中 进行应用，可以有效提高供电效率，大幅降低输电过程中 的电力损耗，使输电成本得到了有效降低。但是，自动化 运行技术在进行实际的应用过程中还存在着一些问题需要 引起重视，只有在电力企业和技术人员的共同努力之下， 才能更好地将这些问题进行解决，提高自动化运行技术的 应用水平。 参考文献 [1] 张敏 . 浅析自动化运行技术在输配电及用电工程专业标准 中的应用 [J]. 建筑工程技术与设计，2015 (28) ： 350-350.
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太阳能无人机的研制
綦正民 李孝禄 刘 琛 郑恩辉 张远辉 （中国计量大学机电工程学院，浙江 杭州 310018） 摘 要 ： 研制了翼展4.8m 的太阳能无人机，光照强度较大时由太阳能电池直接为动力系统供电，光照不足时由锂 电池进行供电。通过 Profili 软件对机翼分析后，采用具有大展弦比的机翼 GOE500 ； 太阳能电源由72片太阳能电 池组成，最大功率可达288W ； 在翼肋上表面利用超透薄蒙皮对太阳能电池片进行保护，并封装在翼肋中。测试 表明，由于飞行姿态和负载的变化，太阳能电池的输出功率具有波动性 ； 平飞巡航功率只需80W ； 当太阳能电池 输出功率在130W 以上时，太阳能无人机可成功进行高度爬升。 关键词 ： 光伏电池 ； 太阳能无人机 ； 锂电池 ； 翼型 中图分类号 ： V279 文献标识码 ： A ０． 引言 近几年，中小型无人机在很多领域得到重要的应用。但 是，电动或者油动中小型无人机存在航时短的不足。 太阳能是一种清洁的可再生能源，可作为小型移动装 置的能源，如为电动自行车和电动三轮车提供电能。由于固 定翼无人机具有翼展面积大的特点，将光伏太阳能电池安装 在无人机两翼上为其供电，可有效延长无人机的航时。本研 究对太阳能无人机进行了研究 ： 当太阳辐射度较大时，以光 伏电池作为无人机动力来源，光照不足时由搭载的高容量锂 电池供电，满足巡航所需能源。 １．１５０Ｗ 太阳能无人机设计方案 1.1 太阳能无人机设计要求 考 虑 到 试 验 要 求、 气 动 设 计、 结 构 设 计 等， 本 设 计 的太阳能无人机各项参数为平飞时巡航速度6 m/s，机身 长 度2.5m， 翼 展4.8m， 机 翼 面 积2.3m2。 使 用 多 晶 硅 功 率 4W(AM1.5) 太阳能电池片，单侧机翼总电压与总电流分别为 18V 与8A，太阳能电池板阵列理想输出功率288W。 1.2机翼布局 为将72片电池片合理分配，并考虑到太阳能无人机机 翼较长，为便于放置与运输，经计算之后，将机翼设计为三
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段式，分别是一个中段，两个外段，共铺设电池片72片。太 阳能电池阵列连接方式为以全机翼中线为中心，左右两侧机 翼上太阳能电池片分别串联，分别得到8A/18V 电源，左右 两侧机翼上电池片再进行并联接出，得到16A/18V 共288W 电源（理想情况下） 。 1.3机翼结构中电池片放置 在机翼框架翼肋之间预留出可容纳电池片的区域来放 置电池片。在翼肋之间和电池板底部采用松紧合适的凯夫拉 线作为电池片的缓冲底座。通过放置电池片框架以及凯夫拉 线作为缓冲底座，并通过连接电池片的焊带提供额外的强 度。整个电池片阵列就不需进行额外的封装，这样就可以减 少电池片封装重量。 1.4采用防逆冲二极管 以全机翼中线为中心，左右两侧机翼上太阳能电池片分 别串联后再并联接出，电池片全部焊带连接。在实际飞行过 程中，电池片可能会由于挤压或震动而导致破碎。为此，在 每片电池片上并联旁路二极管。当电池片受损无法供电后， 其最小电压低于旁路二极管的反偏电压，二极管导通，使破 损电池片短路。这样可以防止破损电池片成为耗电单元，提 高太阳能飞机中电池片的容错率。 1.5供电电源选择部分 当天气较差，会出现电池片供电不稳定的情况。为了 实现在光照强度满足时，由太阳能电池片为无人机提供总能 源，当太阳辐射不足无人机正常飞行时，由无人机携带锂电 池放电进行供能。电源选择部分的设计原理是采集电流 / 电 压参数值，与设定的电流 / 电压值比较，并通过分析后判断 是由太阳能电池片还是锂电池来供电。同时，经串口通信模 块将实时电流 / 电压值输出到上位机进行记录。 1.6气动布局分析 为了获得足够的能量，需要设计较大的翼面积来布置 太阳能电池片。太阳能无人机的飞行要求高气动效率以及高 稳定性，所以该机设计采用大展弦比机翼的常规十字尾翼布 局。 考虑到在天气状态不同的情况下，为了适应不同的飞 行模式，使太阳能无人机具有最高的飞行效率，本研究加入 了可变攻角的设计，即在机身上设置不同的安装孔位，在安 装机翼时可以方便地实现对机翼安装角的调节，从而调节太 阳能无人机在平飞时无人机迎角。 同时由于本研究的太阳能无人机为超低速飞机，因而 飞机在正常情况下飞行受阵风影响出现失速的概率比较大， 所以为本设计的太阳能无人机将外段机翼设计为外洗机翼， 外洗机翼外段的迎角相比内段迎角小，在内段机翼出现失速 情况时，可以使带有副翼控制面的外翼部分延迟进入失速状 态，增强飞机在部分翼段出现失速状态下的姿态控制能力。 1.7 GOE 500翼型选择及分析 选择翼型时要保证该翼型具有较高的升 / 阻比。其次， 由于该研究中的太阳能无人机主要飞行高度为50m~300m， 气流不稳定，且受太阳能电池片功率的影响，太阳能无人机 应具有较好的气动稳定性，即无人机在气流影响下处于不同 迎角及空速范围下的升力、阻力，以及升阻比曲线具有一定 的稳定度。同时在要考虑到翼型的前缘曲率以方便放置电池 片。
３． 自动化运行技术在输配电及用电工程中应用的正确 方法 3.1 引进各种专业技术培养复合型人才 目前我国的自动化运行技术在输配电及用电工程中的 应用并不是十分顺利，这其中的一部分原因就是由于在这 方面的技术水平还没有达到一个很高的水准，必须通过一 定的技术支持才能让自动化运行技术在输配电及用电工程 中发展起来。所以对于输配电企业来说，必须对各种专业 技术的引进提起高度重视，对于国外的先进技术要多进行 关注和学习，在适当的情况下要对这些先进技术进行引进， 然后进行一定的研究和学习，从而对这种技术进行一定的 创新和改进使之更加适合自己的企业。除了要做好对于技 术的引进之外，对于电力企业来说，还必须做好对于复合 型人才的培养。自动化运行技术在输配电及用电工程中的 应用不仅需要自动化方面的专业知识，也需要电力方面的 专业知识，所以对于技术人员来说仅仅懂得一方面的知识 是远远不够的，必须为此学习多方面的专业知识，并把这 些专业知识结合起来进行应用。对于电力企业来说，必须 做好对于技术人员的培训工作，要将技术人员培养成复合 型人才。 3.2 提高对于输配电及用电工程的管理水平 提高输配电及用电工程的管理水平对自动化运行技术 在输配电及用电工程中的应用发挥着极其的重要作用。对 于电力企业的管理人员来说，必须对自己的管理意识进行 更新，传统的管理意识已然不适合于如今的时代，如果不 对此进行改革，那么只能让电力企业的管理水平严重降低，
输电效率也将因此而降低，所以电力企业的管理人员应该 利用如今先进的管理模式进行管理，使输配电及用电工程 的管理水平得到切实提高。 3.3 对天气因素进行充分考虑 上文已经提到，天气因素也会对自动化运行技术在输 配电及用电工程中的应用产生一定的影响，所以对于相关 技术人员来说必须对天气因素也进行充分的考虑。为了应 对各种恶劣天气，相关技术人员在平时就必须做好对于各 种设备的维护工作，一定要提前消除各种安全隐患，不能 在恶劣天气即将到来时，再去进行检查和维修，到那时只 会增加维护的难度和成本。 结语 总的来说，将自动化运行技术在输配电及用电工程中 进行应用，可以有效提高供电效率，大幅降低输电过程中 的电力损耗，使输电成本得到了有效降低。但是，自动化 运行技术在进行实际的应用过程中还存在着一些问题需要 引起重视，只有在电力企业和技术人员的共同努力之下， 才能更好地将这些问题进行解决，提高自动化运行技术的 应用水平。 参考文献 [1] 张敏 . 浅析自动化运行技术在输配电及用电工程专业标准 中的应用 [J]. 建筑工程技术与设计，2015 (28) ： 350-350.