火星浮空器电源控制系统的设计.docx

火星浮空器电源控制系统的设计1.1任务背景 火星浮空器是一种位于火星表面附近的综合信息平台，采用航空飞行器设计思路，具有较大的气囊，充满轻质气体 (如氦气)，可依靠空气浮力来平衡飞行器重力，一般靠太阳能提供动力，靠螺旋桨推力来克服阻力，工作高度在 45km 左右，可长时间定点悬停，能低速水平飞行，机动性能较好，对于情报收集、侦察监视、预警探测、通信保障及对空对地作战等军事应用潜力巨大，颇受世界各主要强国军方的青睐，已成为目前国内外的研究热点。火星浮空器采用聚合物蒙皮制成，表面呈曲面，不能采用普通呈刚性的硅或砷化镓太阳电池，只能使用柔性薄膜太阳电池阵，它既能向火星浮空器上的动力及有效载荷供电，又能向储能电池充电。平流层火星浮空器能源系统主要由柔性太阳能薄膜电池阵和高性能贮能电池构成，太阳电池阵满足白天的能源供应，而贮能电池(如可再生燃料电池等)满足夜间的能源供应。本文主要总结平流层火星浮空器发展中面临的持续飞行的电源问题，并提出高效轻质柔性太阳能薄膜电池技术、高比能量再生燃料电池技术是急需突破的关键技术之一。因此高效轻质柔性薄膜太阳电池、高比能量再生燃料电池和能量储存设备的成功研制是火星浮空器正常工作的关键因素。1.2供电类型1.2.1 太阳电池 火星浮空器在近空间长期定点工作，空气稀薄且无云层遮掩。太阳能为再生式能源、无污染、使用时无质量损失，因此太阳能的利用是高空火星浮空器的发展趋势，而且其太阳能利用效率接近太空中太阳能利用效率，利用太阳能发电为火星浮空器和火星浮空器所载设备提供持续的动力也是最佳方案。经过半个多世纪的发展，光伏电池的效率得到大大提高 (单晶硅电池效率最高值为30)，但是由于火星浮空器蒙皮的可延展性和柔顺性要求电池具有可卷曲性、适度的伸缩性，因此，薄膜太阳电池是火星浮空器用电池的首要选择。薄膜太阳电池主要有非晶硅、多晶硅和 CIGS。其中非晶硅薄膜太阳电池具有良好的光学性、抗辐射强、质量比功率高(联合太阳能公司的非晶硅薄膜电池的质量比功率达 2 500Wkg)、温度适应性好和高可靠性等优点2。但是非晶硅薄膜电池存在以下问题：由于 Staebler-Wronski 效应的存在，使得非晶硅薄膜太阳电池在太阳光下长时间照射会产生效率的衰减，从而导致整个电池效率的降低；沉积速率低，影响非晶硅薄膜太阳电池的大规模生产；后续加工困难，如 Ag 电极的处理问题；在薄膜沉积过程中存在大量的杂质，如 O2、N2、C 等，影响薄膜的质量和电池的稳定性。因此，目前主要的研究重点集中在采用优质的底层材料，提高电池效率和稳定性的同时降低成本。多晶硅电池具有较高的光电效率、光稳定性好等优点，是高效、低耗能的理想光伏材料，但是由于多晶硅的膜材料、机理等尚未形成，因此阻碍了多晶硅薄膜的发展，目前未能应用。 CIGS 光伏电池的光电转化效率高、晶体和化学稳定好、成型性好等优点成为各国空间用电池的研究对象。美国可再生能源实验室制备的小面积 CIGS 薄膜太阳电池的最高光电转化效率已达 19.2%。SKawakita 等在 Japan Aerospace Ex-ploration Agency (Ibaraki，Japan) 测试了 CIGS 在太空中的性能，将电池安装在卫星上环绕地球 600 天后电池的性能没有明显的衰退。高效轻质柔性太阳能薄膜电池：由于火星浮空器质量是火星浮空器设计中需考虑的重要参数，因此在火星浮空器表面安装柔性薄膜电池是合理的选择。美国空军研究实验室(AFRI)已授予数家公司航空太阳电池研究合同。欧洲、日本、以色列等国都积极进行平流层太阳能火星浮空器的研究开发，目前已经进入实际的研制和试验阶段。柔性薄膜太阳电池是平流层火星浮空器的关键技术之一，它具有较高的质量比功率(500 W/kg)，同时具有可弯曲性，非常适用于对地观测的平流层火星浮空器表面。柔性太阳电池阵的效率、面密度、安装面积是重要设计指标，直接决定了平流层飞艇总体工作性能，军事上的利用前景光明。薄膜电池可以制作在超轻超薄的柔性衬底上，因此可以获得很高的质量比功率，从而大大减轻电池方阵的质量，降低飞行器发射成本。同时由于柔性电池的卷包特性，使得薄膜电池方阵可以卷包送入太空，减少装载容量。而在平流层火星浮空器这类特殊的空间飞行器上，如果要增加平流层火星浮空器的滞空时间以及使用寿命，必须采用太阳电池和可再生燃料电池相结合的电源系统，而太阳电池则只能用具有卷包特性的高质量比功率的柔性薄膜电池，直接铺设在火星浮空器表面。然而薄膜电池效率和晶体太阳电池相比还是比较低，要取得相等的功率，薄膜电池方阵的面积会大大超过晶体硅或砷化镓电池，这样无疑会增加飞行器姿态控制系统的复杂性。方阵面积过大，也会增加展开机构以及封装的质量，降低整个方阵的质量比功率。研究表明，薄膜电池效率达到 10%20%，方阵质量在 0.20.4 kg/m2，薄膜电池方阵的应用才有实际意义。而当薄膜电池的效率达到 13%后，其整体性能将可以和现在效率为 26.5%的晶体电池方阵相当。由于目前的薄膜电池或多或少地存在这样那样的问题，因而有机光伏电池成为火星浮空器用电池的另一选择。有机光伏电池成本低、易于加工、延展性和柔韧性好，这是其它薄膜电池无可比拟的，只要提高了有机光伏电池的光电效率，将大大降低太阳能火星浮空器的成本，从而普及火星浮空器在通信、监视和预警方面的应用。1.2.2 高比能量再生燃料电池 为保证夜间平流层火星浮空器对电力的要求，作为火星浮空器的能源存储设备，从性能上讲，燃料电池优于普通电池，普通电池优于飞轮，为确保燃料电池的存储量并使其质量和体积不至于过大，选择或研发高比能量再生燃料电池至关重要。再生燃料电池(RFC)能量密度较高，是平流层火星浮空器优选的电池。氢氧再生燃料电池比能量可达 0.41.0 k Wh/kg，可有效降低平流层火星浮空器质量，提高承载能力。由于火星浮空器空气动力设计的不断改进太阳电池与燃料电池组合供电(有日光照射时由太阳电池供电，夜间和日蚀期间由燃料电池供电)，以及离子推进器动力系统等技术的应用，火星浮空器航程和续航时间不断增大，为完成远程攻击提供了保障。1.2.3 锂离子电池 锂离子电池:是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。2 能源系统2.1供电方式需求分析:（1）全天候稳定持续供电，可适应火星恶劣环境。（2）在保证载荷正常工作的前提下，力求减少质量。2.2供电方式设计： 火星浮空器的能源系统由太阳能薄膜电池以及再生燃料电池，锂离子电池储电组合供电。在白天由附在火星浮空器背部表面的高效轻质柔性太阳能薄膜电池(45W 26KG)发电，夜间和日蚀期间由燃料电池(比能量3500瓦时/公斤 10KG)供电。两种供电方式组合