太阳能无人机的研制

綦正民　李孝禄　刘琛　郑恩辉　张远辉

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。

可选择的翼型对象有SG 6043，GOE 500，MH 115等翼型。利用仿真软件Profili对不同速度、不同迎角下的升力系数、阻力系数等进行分析后比较后，该太阳能无人机最终选择GOE 500为其翼型。

2.测试结果分析

2.1 飞行过程

为减轻无人机自身重量并降低无人机复杂程度，该太阳能无人机并未制造起落架，而是使用无动力协助起飞小车进行起飞。无人机机翼下方合适位置放置小铁片并在小车相对应位置的支持臂上放置电磁铁，当无人机带动小车向前达到起飞速度后控制电磁铁脱电，无人机与小车脱离，成功起飞。

对该太阳能无人机进行了多次测试，由于该太阳能无人机具有较大上反角，一定程度上减小了无人机侧滑的发生，使无人机无论在遇到气流还是转弯时，都能够由副翼灵活控制，无侧滑失控的情况发生。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，使带有副翼控制面的外翼部分延迟进入失速状态，这样就增强了无人机在部分翼段出现失速状态下的姿态控制能力。

2.2 测试结果

对飞行过程中记录下的太阳能电池片输出功率情况进行分析，发现太阳能电池片的输出功率有一定量的变化，主要表现为电流的波动。测试表明，太阳能无人机功率在130W以上就可轻松的进行爬升；在80W左右功率下，該太阳能无人机仍可正常滑翔。

通过测试，当供电电源选择部分启动电流检测，检测电流小于4.5A时由锂电池进行电源输出；当太阳能电池阵列输出端电流大于等于4.5A时直接由太阳能电池输出。系统电流与功率主要限制因素为稳压模块电流不能持续过大输出，否则将发热发烫。

结语

本文对太阳能无人机的翼型选择、机翼阵列设计、太阳能电池片的安装布置以及太阳能电源的切换进行了研究。研究表明该太阳能无人机翼展4.8m，机翼面积2.3m2，正常光照强度下太阳能电池片输出功率可达160W以上，平飞巡航功率只需80W左右。当无人机自身携带的锂电池足够夜晚的滑翔巡航时，无人机的跨昼夜飞行将成为可能。

参考文献

[1]李孝禄，王东平，李娟，等.利用太阳能实现电动自行车供电的研究[J]. 太阳能学报， 2016，37（4）：884-890.

[2]李孝禄，黄建锋，王东平，等.采用交错并联技术的电动三轮车光伏充电控制系统[J].中国电机工程学报，2016，36（11）： 2909-2917.endprint