太阳能无人机的研制

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 太阳能无人机的研制 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。 中国论文网 /8/view-13002231.htm -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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 50m300m，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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 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， 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