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AbstractSolar-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 realmThis 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。

1.1.2太阳能电池太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。

图3为利用太阳能电池板阵列发电。

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

这就是太阳能电池的工作原理——光电效应。

图 3 光伏发电太阳能电池的发展水平是决定太阳能无人机性能的根本。

目前在太阳电池的研究方面进步较快，各种材质的高效电池不断涌现，但航空领域对太阳能电池的要求并不仅仅是较高的转化效率，它还要求电池具有良好的物理特性，如耐高/低温变化、耐辐射、耐腐蚀、高可靠性等。

对比当前各种电池，高端单晶硅太阳能电池产品凭借其高效、无毒无污染、技术成熟等特性成为当前太阳能航空器中应用最为广泛的电池。

单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为%，规模生产时的效率为18%。

在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，目前已发展了多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池作为单晶硅太阳能电池的替代产品，但转换效率均低于单晶硅太阳能电池。

1.1.3太阳能无人机太阳能无人机是以太阳辐射作为推进能源的飞机。

太阳能无人机的能源动力系统（如图5）一般由太阳能电池组、锂电池、电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。

由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳电池，因此太阳能无人机的机翼面积较大。

图5 典型太阳能无人机的能源动力系统示意太阳能无人机的工作原理是：白天，依靠机体表面铺设的太阳电池将吸收的太阳光辐射能转换为电能，维持动力系统、航空电子设备和有效载荷的运行，同时对机载二次电源充电；夜间，太阳能无人机释放二次电源中储存的电能，维持整个系统的正常运行。

如果白天储存的能量能满足夜间飞行的需要，则太阳能无人机理论上可以实现“永久”飞行。

太阳能无人机巡航时间长，飞行高度高，覆盖区域广，可以执行多种任务，具有常规飞行器不可替代的优点。

太阳能在航空器的应用研究，是我国新世纪航空工业重点发展的一个新领域，也是各国航空工业研究的一个新热点。

1974年11月4日，世界上第一架太阳能无人机sunrise I在4096块太阳能电池的驱动下，缓缓地离开了地面，这次成功的飞行标志着太阳能飞行时代的来临。

此后随着太阳电池效率、二次电源能量密度的提高，以及微电子技术、新材料技术等的发展，太阳能无人机终于驶上了飞速发展的快车道。

在上世纪90年代，我国也开始了对太阳能无人机的探索。

中国第一架太阳能无人机“翱翔者”号（如图6），是北京航空航天大学飞机设计与应用力学系（现为航空科学与工程学院）李晓阳博士和赵庸教授在1992年设计制造的，该机是中国历史上有记载的首架具有原创自主知识产权的太阳能飞行器（，，China）。

“翱翔者”号把阳光和太阳能研究以极低的成本提升到空中，其科学意义还包括通过技术/工程验证机的研制与相关实验，能够发现太阳能飞行器关键技术问题和利于找出解决问题的方法，为进一步研制实用的太阳能飞行器建立理论基础和累积工程实践经验。

这种先研制缩比验证机再研制全尺寸太阳能无人机的方法，有利于显着降低科研经费、缩短研制周期。

第四届中国国际航空航天博览会新闻发布会对外公布中国“绿色先锋”太阳能飞行研究计划（如图7），该计划目标是结合一种特殊型式的太阳能飞行器研制，系统地研究与太阳能飞行器相关的科学问题，为持续发展中国太阳图7 “绿色先锋”能动力飞行探索研究事业建立更全面的科学技术基础。

该项目在2005年做过一些试验后再无进一步消息。

近几年，国内虽然仍然有许多专家学者在研究太阳能无人机，但一直没有取得突破进展，而国外的太阳能无人机则在各方面的性能上突飞猛进。

国家高度重视新能源的开发与利用，太阳能无人机作为一个集科技、能源、实用价值于一身的发展点，有很大的研究价值。