平流层浮空器能源系统优化设计

2018-08-17陆运章张佳亮黄齐鸣

电子工业专用设备 2018年4期

关键词：浮空器平流层储能

郭进，陆运章，周蒙，张佳亮，唐荣，黄齐鸣

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙 410111)

平流层浮空器是指距地面20～100 km的空域飞行的飞艇、高空气球以及可以环绕地球长时间漂浮的平流层卫星。随着科技的发展，可用于高空防御、对地观测、通讯保障的平流层浮空器越来越受到各国科学界的重视。

传统浮空器采用燃料电池或气体燃烧为浮空器上的设备提供能源，此种方法能量密度比低，安全性低，不能长时间提供能源。目前，使用太阳能发电系统为浮空器提供能源已经成为一种趋势。

1 能源系统组成

如图1所示，平流层浮空器能源系统主要包括光伏阵列、能源控制器、储能电池组和负载设备。能源系统采用分布式发电、高压传输、集中配电、就近转换的电源配电及管理。浮空器光伏阵列采用分布式发电模式，囊体表面同一受光曲面的光伏阵列构成一个发电单元，尽量减少由于囊体曲面导致的光强不均对系统整体发电功率影响；大功率、长距离传输电能采用高压直流母线传输，尽量减少传输损耗；DC-DC转换电路及控制电路尽量布置在负载设备附近，就近转换供电。能源系统为提高能源系统输出效率，采用分布式MPPT模式为储能电池充电和负载供电。每个MPPT模块连接囊体表面同一受光曲面的光伏阵列，使用多个MPPT模块构成分布式MPPT能源控制器。

图1 浮空器能源系统示意图

2 优化设计

2.1 光伏组件优化设计

平流层浮空器所有太阳电池当前形式是柔性薄膜和薄化的晶体硅太阳电池两类，两类电池各自有优缺点，但主要矛盾还是转换效率和质量密度。传统的柔性薄膜电池效率较低，衰减较大，成本较高。薄化工艺制备的晶体硅太阳电池，由于采用和借鉴传统制备工艺，工程化水平高，可大批量生产和应用，国内转换效率较高，单体的比功率水平已经超过薄膜太阳电池水平，且功率面密度高，更有利于电源的管理和控制，厚度在100～150 μm水平的质量密度，在组件封装后足以达到薄膜太阳电池水平，且具有更高的功率质量比。

平流层浮空器囊体表面拟采用柔性光伏组件，柔性组件外观为长790 mm，宽680 mm，厚度4 mm，在组件四周分布有安装孔。单块组件的质量小于325 g，面密度小于650 g/m2。弯曲半径可达到1 m，柔性组件弯曲照片如图2所示。

柔性组件在标准测试条件（大气质量AM1.5、1 000 W/m2的辐照度、25℃的环境温度）下，最佳工作点功率Pmax大于等于85 W，其不同负载输出条件下I-V输出曲线如图3所示。

图2 柔性组件弯曲实验图

图3 柔性组件I-V曲线图

在AM1.5光谱标准测试条件下单块组件的典型电性能参数如表1所示。

表1 柔性组件典型电性能参数

2.2 MPPT控制电路设计

本设计方案采用的分布式MPPT控制器，将浮空器弯曲表面入射角接近的光伏组件接入一个MPPT控制器，根据弯曲表面光伏组件的多少，使用多个MPPT控制器，最大限度地追踪每一路光伏组件最大功率。由于采用多个中小功率的MPPT控制器，单个MPPT控制器的发热量较小，无需安装散热器，在每个MPPT控制器上安装散热片即可。在常规的MPPT基础上增加充电保护功能，当蓄电池快充满时，启动充电保护功能，MPPT进入均充模式，蓄电池充满时，MPPT完全关断输出，均充电压和关断电压可根据蓄电池的性能进行设置。MPPT控制器电路图如图4所示。

2.3 热分析

图4 MPPT控制器电路图

光伏组件的发电功率随温度升高而降低，要计算出柔性组件的发电功率，需求出柔性组件温度随时间变化曲线。

组件的装机功率是在常温（25℃）下测试获得，组件的发电效率随温度的升高而降低，每升高1℃，组件功率下降0.3%，在温度为T的时候，组件的温度系数（ηT）：

图5 柔性组件能量平衡示意图

根据能量守恒原理，柔性组件接收的太阳能量等于输出的电能、反射出的太阳能、上表面热交换的能量、上表面热辐射的能量、下表面热辐射能量、下表面热交换能量的总和，能量平衡如图5所示。

以某日浮空器在北纬41.7°处飞行为例进行组件热分析。

根据太阳高度角计算公式得出组件垂直入射光强，进行热仿真，如图6所示，柔性组件由电池片、透明封装材料、隔热材料组成。太阳光通过透明封装材料照射在电池片表面，电池片吸光率较高，产生的热量也最大，其温度也最高，隔热材料的热传导最低，能很好地进行隔热，组件的上表面和下表面温度相差30℃，使组件产生的热量较少地传导至浮空器气囊。

图6 柔性组件热场仿真图

通过ANSYS仿真软件模拟出组件温度，最高温度为74.2℃，出现在北京时间14:30，组件温度随时间变化曲线如图7所示。

图7 光强和组件温度随时间的变化

2.4 光强分析

柔性组件发电功率受光强、温度、太阳高度角等因素的影响。

2.4.1 海拔高度对光强的影响

随着海拔高度的增加直射光强呈增强趋势，但是海拔到15 km以上时直射光强变化基本稳定，在18～22 km高空光照强度约为1.26 kW/m2，海拔高度与直射光强关系如图8所示。

2.4.2 太阳高度角影响

组件的垂直入射光强E为太阳光强乘以太阳高度角γ的正弦值：

图8 海拔高度和直射光强的关系

式中：φ为地理纬度，北半球为正，南半球为负；δ为赤纬角，ω为太阳时角；H为时刻，0～24 h；dn代表从1月1日起的第dn天，即1≤dn≤365。

3 实验及结果分析

如图9所示，能源管理系统由柔性光伏阵列、能源控制器、储能电池组、DC-DC和负载构成，数据采集端接入工控机作为上位机。

图9 浮空器能源系统测试连接框图

在晴天太阳辐照度较好的时候，将108块85 W光伏组件（装机功率为9.18 kW）的柔性光伏组件平铺在地面，108块柔性光伏组件按9个不同受光面划分为9个区域（每个区域铺设12块柔性组件）分别与9个MPPT模块连接；采用110 V、16 kW·h的蓄电池作为储能电池组；DC-DC分别将母线电压降压至24 V供传感器和飞控使用（功率为100 W），功率为1～3 kW功率可调的110 V直流电机从直流母线上取电。能源控制器数据采集模块以1 Hz的采样频率采集各个参数，并通过RS422总线在测试过程中上传测量参数至上位机。

使用电子称计量MPPT模块的质量为400 g，使用光强计测试太阳辐照强度，12块柔性组件（装机功率为1 020 W）连接一个MPPT模块，MPPT单位质量功率达到2.5 kW/kg。使用万用表和钳形表测量MPPT模块的输入输出电压电流，计算得出MPPT的转换效率为97.03%～98.01%。MPPT模块电性能参数见表2所示。

传感、飞控等航电设备功率一直保持在100 W，中午太阳光强，光伏发电多，早晚太阳光弱，光伏发电少，在不同时间段调节动力电机的功率来更好地利用太阳能。不同时间段动力电机功率与负载总功率如表3所示。

表2 MPPT模块电性能参数

表3 负载不同时间段功率表

9.18 kW光伏组件发电功率随时间的变化曲线如图10所示。最大功率点出现在13:19，光伏组件输出总功率为6.479 kW，通过对光伏发电曲线的时间积分，可得出全天发电量积分39 kW·h，储能蓄电池电量最少的时刻出现在9:14，此时蓄电池剩余电量为2.33 kW·h，此后光伏发电功率大于负载总功率，光伏开始给蓄电池充电，蓄电池在17:20充满。