高空科学球太阳电池能量平衡分析

高空科学球太阳电池能量平衡分析

0高空科学气流循环能源系统仿真的提出靠近空间是一片空间，位于传统航空区域和航空航天区域之间，高度为20.100公里。这是目前各国正在研究和研究的最重要领域。目前能长时间在该区域飞行的飞行器包括高空科学气球、平流层飞艇、太阳能飞机等低速临近空间飞行器。其中高空科学气球以发放简单、载重量大以及一次飞行成本低等优点非常适合在临近空间长期驻留，得到了众多载荷应用单位的青睐但到目前为止，上述飞行试验的电源供给方式主要以储能电池供电为主，无太阳电池的循环能源，该方式结构简单，非常适合短时间飞行任务，但无法完成长时间飞行，制约和影响了科学气球的驻空时间和应用范围。该高空科学气球循环能源系统与地面光伏系统和平流层飞艇光伏系统有较大不同：1）该循环系统一般安装在吊舱上，不像平流层飞艇上太阳电池可大面积布置在上表面，高空科学气球布设太阳电池的体积和面积都非常有限；2）上升和平飞过程中飞艇吊舱一直在旋转运动，而平流层飞艇一般可较长时间保持一个稳定姿态，地面光伏系统姿态也是固定的。受季节和太阳高度角的影响，在不同地域飞行以及不同时间长度飞行的循环能源系统设计出的参数也各不相同；3）临近空间长时间处在低温低气压环境中，如20km/-56℃/5kPa，与地面和太空有较大不同。目前，包括平流层飞艇在内，中国还没有带循环能源的浮空器在该环境条件中飞行超过24小时，而高空科学气球在国内也没有使用循环能源系统的先例，因此高空科学气球循环能源系统的环境适应性也具有较大的挑战。针对上述问题，本文提出：1）进行动态特殊环境下高空科学气球循环能源系统设计和仿真分析，结合储能电池充放电平衡建立精确的太阳辐照模型和能量平衡公式，并描述能源系统的能量平衡状态；2）在设计过程中为综合实现各个指标，提出太阳电池铺设方法的优化函数，并根据已有太阳电池铺设方法的各项参数进行分析，将此函数作为评价标准来指出铺设结构的发展方向。为验证优化函数的实用性，仿真得到不同项目中的铺设方法和不同时间段的计算结果。本文的计算结果可为实际高空科学气球吊舱的设计提供理论依据，以期简化高空科学气球能源系统的设计工作。中国尚无高空科学气球循环能源的案例，研究临近空间高空科学气球循环能源系统不仅能拓展高空科学气球的应用范畴，而且对其他临近空间长航时飞行器循环能源系统设计具有重要的参考价值。1能源系统设计高空科学气球根据任务目标，其能源系统从早期的一次性能源系统已发展为循环能源系统，具体工作过程为：当白天负载正常工作、太阳电池产生足够能量时，既为负载供电也为储能电池充电；白天负载呈峰值功耗时，单纯的太阳电池无法满足需求，需太阳电池和储能电池联合为负载供电；当夜间太阳电池不工作时，负载的能量完全由储能电池提供。对于小型高空科学气球来说，载荷的数量较少，可将配电功能直接集成在能源管理器中，而大型高空科学气球平台不仅要为专门的研究设备提供大功率能源，还包括飞控计算机、风机、阀门、切割器等设备，其负载要求更加复杂，需要专门的配电器。如需设计可靠性高的能源系统，还应引入一个备用储能电池，当主供电发生故障时，切换到应急电池继续供电。能源系统结构如图1所示。综上，目前长航时高空科学气球能源系统的模块结构包括太阳电池、储能电池、能源管理器以及配电器等目前所使用的单体太阳电池片的光电转换效率能达到20%以上，其参数为0.6V/6A。在24V的供电系统中，通过80～90块单体太阳电池组成的阵列可制作功率为100W的光伏组件，其实际大小为78.74cm×68.58cm能源管理器的另一项功能是调节母线电压，本文采用半调节母线的方式，在充电时调节母线电压，放电时则由储能电池放电电压作为母线电压。通过检测电路的后端输出确认控制参数，再用闭环回路控制输出电流或电压，此时能源管理器无法工作在最大功率跟踪状态。相比铅酸和镍氢等电池，锂离子电池的能量密度较高，目前质量比容量约为200Wh/kg，是较为理想的储能电池。为适应低温低气压的临近空间环境，本文将锂电池和电源管理器放置在带有保温能力的吊舱内，吊舱内带有加热功能，白天靠电源管理器、载荷和锂电池等设备的工作散热维持吊舱内热量平衡，夜晚当检测到吊舱内温度低于0℃时自动加热维持吊舱内热量平衡。太阳电池封装时考虑低温和低气压的环境，并在地面环模箱里做适应性实验。2能量平衡模拟分析高空科学气球的载重量有限，如何在满足能量平衡的情况下实现重量的最小化是能源设计的目标2.1系统能量本文所设计的能源循环系统仿真思路为：1）根据输入的负载功率大小确定循环系统全天的输出能量；2）根据环境和设备参数并通过充放电平衡公式推算出全天累计转换能量；3）通过调用直接辐照能量计算方法推算出太阳电池的单块面积，最后利用电池面积计算全天转换的能量和实时接收到的直接辐照功率。2.2太阳辐射和能量平衡根据文献太阳直接辐射量为：式中：E由于太阳辐照能量通过大气层会产生衰减，因此太阳辐射通过大气后的值为：式中：Eθ式中：δ——太阳赤纬角，rad；φ——地理纬度，（°）；d——自春分日起的第d天，即3月21日记为第1天，依此类推；ω——太阳时角，rad，且ω每隔1小时增加15°，上午为正下午为负，如上午08:00为60°。为使仿真结果更加准确，引入日地距离修正因数，则有：式中：d工程中通常采用文献所以直接辐射可通过上述过程和式（12）计算得出。天空的散射辐射则是由于空气中的分子粒和气溶胶颗粒使太阳辐射产生的散射效果。水平面铺设的太阳电池可全部接收散射辐射，而具有倾斜角的太阳电池接收到的辐射量与倾斜因数有关，可假设水平面时该因数为1.0，随角度的增加呈线性变化，直到垂直状态时变为0.5地面反射辐射量的数值往往只占H能量平衡定义：高空科学气球若想实现跨昼夜24h飞行，则太阳电池所生产的能量必须大于等于所消耗的能量，若恰好是相等的状态，则称系统达到能量平衡。仿真得到的某日系统所产生的太阳能功率曲线如图5所示，图中直虚线上曲线所围成的面积大于或等于直虚线下曲线外侧与坐标轴所围成的面积时，系统能量达到平衡。为了精确仿真，以0.1h为单位进行计算，因此图5的时间轴单位是0.1h（图6同），如横轴100处应为10:00,101处为10:06。假设能源管理器控制效率为95%，电池充放电效率为99%。如果某个时刻的辐照功率大于负载所需功率，则将多余的辐照功率给储能电池组供电充能；如果辐照功率小于负载所需功率，则负载需由光伏组件和储能电池组共同供电；若无辐照，则由储能电池组单独供电。能量平衡可通过储能电池组的充放电平衡来表示：式中：P影响高空科学气球太阳电池所能接收到的辐照量的主要因素包括日期、高度、纬度、面积以及铺设方法等。通过图6可直观地比较不同月份下每个单日所产生的实时发电功率与不同纬度下累计总能量。从图6可看出，每天的光照所产生功率最大值在正午（图6a），夏至日（6月21日）能量产生最多的纬度是30°N～40°N，如图6b所示。2.3模型分析过程通过仿真结果可看出，若想达到能量供需平衡，夏至日单日内4块光伏组件铺设角度为水平铺设所需面积最小，且随着角度的增大，所需面积的增大速度变快。而仿真结果表明，单块光伏组件全年的累计辐照量若想达到最大，在该地理位置的太阳电池铺设角度约为34°，每平方米全年产生1398.315MJ的能量，符合常识，进一步验证了仿真模型的准确性。从理论上分析，单日内平铺太阳电池是理想的状态，但这样的设计并不能顾及到其他因素。现实中出于支架结构的承受力设计、太阳电池与吊舱器件稳定性和有效载荷重量的考虑，往往会设计成具有倾斜角度的结构。该部分的设计分析过程见2.4节。该设计的依据可通过分析图4得到：倾斜角与面积的关系曲线呈先缓慢增加后急剧上升的趋势，设定一个合适的角度，就是希望在牺牲较少的光电转换效率、增加较少面积的前提下，减小支架的重量，提升结构稳定性。将倾斜角度为15°、30°和45°时的设计参数进行仿真对比，可辅助选择优化方案。根据数据对比与实际可行性分析，选取负载为120W时，8月31日的数据为仿真条件，具体参数详见表1。选取倾斜角为30°的结构作为仿真分析对象。从09:00开始，太阳电池功率达到307.1507W以上并持续到15:00，大于最大所需功率300W长达约6h。这样的工作状态可保证载荷正常工作和能源系统的高效供能，即使载荷呈峰值工作，也可直接由太阳电池提供所需能源，无需存储到储能电池后再重新释放。2.4实验结果分析高空科学气球能源循环系统的设计涉及到目标优化问题，因此需在设计过程中使用最优控制理论和优化模型求解的方法，全面考虑设计方案的合理性。该系统中希望达到重量最轻、体积最小、太阳电池面积最小以及成本最低的目标。为解决多目标优化问题，通常需包含被控对象状态方程、容许控制、目标集和最小化性能指标4个要素。在本文实验中，所进行的优化设计工作主要集中在高空科学气球的太阳电池铺设方法上。在能量平衡的条件下，提出优化函数，并结合已有项目，仿真分析不同的太阳电池铺设方法，提出一种新的铺设方法。本文设计中体积和重量基本符合同步变化的趋势，因此优化过程从太阳电池面积与占用体积2个优化目标入手，将太阳电池倾斜角作为控制元素，后续优化可逐渐增加优化目标和控制数量，最后解决多目标多元素优化的复杂问题。通过Matlab计算得到的倾斜角度与系统达到能量平衡时所需面积的对应关系点集进行拟合，输入条件为负载120W、高度20km、纬度40°N、积日172和光电转换效率16%。拟合结果如图4所示。拟合的曲线公式为：式中：θ根据拟合优度的计算公式可得：经式（16）计算得到可决系数R在确定舱体实际长度L=0.8m的前提下，占用体积为：为确认倾斜角度对体积的影响趋势，对V求导得：综上可得出结论：体积先增加后减小。因此当θ式中：ξ倾斜度优化步长为0.1°，优化函数的曲线如图7所示。由图7可见，最小值点是倾斜角0°处，此时优化函数的值为0.3743，而后共有极大和极小2个极值点。若严格按照函数最小值来选取合适工作点，则应选取倾斜角为0°的状态，但这样做失去了优化意义，而且需要考虑权重系数的主观不确定性。经过测试可发现最小值点在不同取值下只能出现在0°、90°和极小值点3个位置，即面积权重过大、体积权重过大和优化收敛值。故倾斜角在约31.5347°的位置可视为最优解，此时优化函数值为0.3821。代入计算后占用体积缩小6.35%，面积增大9.90%，因此实验中选择倾斜角为30°的铺设方式。除本文实验中所使用的固定式四面结构太阳电池铺设方法外，还对水平单板铺设方法、固定式八面体结构、单板跟踪式结构等进行分析。1）水平单板铺设方法通常选择将4块长方形光伏组件围成一块大的正方形电池，中间形成小正方形孔洞可通过线缆等设备，是一种计算简单、工程量较小的方法。计算得到的参数如表2所示，与固定式四面结构的函数值做对比，结果表明这种方法虽然使用面积小，但占用体积过大，不方便实验操作。同时，太阳电池的稳定性低，采用此种方法铺设对其柔性要求较高。2）太阳电池八面体铺设结构有效利用了空间资源，是重载科学气球中较为常见的使用方法。八面体结构的缺点主要有：(1)不适合载重量和功率较小的高空科学气球；(2)安装测试较为困难。3）跟踪式单板结构受限于其复杂的控制过程、难以提供安装位置和功耗不平衡等问题，并未真正应用于高空科学气球能源系统，而是使用在小功率系统、电池单体标定系统和地面发电系统中。通常该系统会使用两轴电机和四象限光敏传感器来实现追踪太阳方位的功能。此种方法占用空间过大，很难找到合适的固定点。另外，该方法面临的一个重要难题是由于吊舱是通过系缆悬挂在球体下方的，跟踪到太阳方位后存在转动惯量，很难达到稳定状态，需引入超前控制等方法，技术难度很大。针对上述分析结果，本文提出一种新的太阳电池铺设方法，即单轴跟踪式四面结构铺设方法。该方法在现有基础上，将支撑杆变为可伸缩式的结构，大大缩小了占用体积。支撑杆只有在空中跟踪状态时展开，故电池面积也有所缩减。此系统只需简单的两象限传感器即可，每块光伏组件使用单轴的电机跟踪。经过仿真计算，不同铺设方法与不同时间段和不同维度的仿真结果如表2和表3所示。从表2、表3可看出，跟踪式四面结构铺设方法是一种较为理想的结构，其原理是通过二象限传感器所采集到的电压差，控制电池板的高度角，直至某一边的传感器压差达到零附近。由于光伏组件和碳纤维杆的重量较小，选用电机型号为KH4248D真空高低温步进电机即可满足扭矩条件，电机重量为350g，传感器所增加的重量几乎可以忽略，而功耗问题需要进一步的实验验证能量平衡。综上，单轴跟踪式四面结构良好地解决了目标优化问题，有望成为后续实验的发展方向。目前，笔者所在团队已按照这一研究方向，研制了一种能手动调节太阳电池铺设角度的结构，并应用于实验当中。该方法能在不同时间发放高空科学气球时，利用优化函数寻找到的最佳铺设方法，固定一个精确的角度，有效优化了电池面积与空间占用。另一方面，太阳电池面积和成本是2个同步变化的目标，而且在涉及到成本与性能冲突的问题中，只要不是极其昂贵的设备，通常也会选择牺牲成本提高性能。引入质量M和成本C，得到优化函数为：式中：ξ——各参数的权重系数，ξ假定铺设角度已取为30°，通过上述类似运算，可得到砷化镓、铜铟镓硒和薄型晶体硅3种材料对应角铝和碳纤维杆时的优化函数值，如表4所示。本文最终确定为使用薄型晶体硅电池和碳纤维杆作为系统太阳电池模块的材料。2.5实际循环能源系统仿真借鉴上述能量平衡分析并总结设计流程，使用Matlab编写一个GUI用户界面，令设计参数和仿真结果更加简洁、直观，也为后续的高空科学气球能源系统的设计提供有力的参考依据。通过该程序可根据需求快速推导出实际循环能源系统所需参数。取30°为实际倾斜角度，平均负载功率按实际需求计算为120W，地理纬度为40°N，飞行高度为20km，光电转换效率为16%，仿真时间按照可能进行实验的光照最差的一天，即8月31日进行仿真。计算得到4块光伏组件每块面积最小为0.5124m所采用的最大功率跟踪方法选为电导增量法，该方法根据电池I-V曲线的导数决定工作点的跟踪方向，该方法中电压变化值为固定值，因此该值选取的大小直接决定系统跟踪的精度和速度。3实验评估和数据分析3.1支架与电池固定囊体本文所设计的实验设备地面测试过程如图8所示。测试硬件设备包括太阳电池、碳纤维支架与电池固定囊体材料、载荷配电箱、能源管理器、主备用储能电池、CAN接口数据存储器、太阳辐照计以及霍尔电流传感器等。所设计的能源系统实时测试监控软件可通过PC机连接到能源管理器，不仅能采样实时系统参数，而且可在线修改管理器比例系数。3.2辐照强度对循环能源系统的影响地面测试过程中白天的辐照强度和输出电流折线图可直观有效地分析能源管理器的各项特性，包括能源管理器在辐照强度稳定的条件下是否能稳定地跟踪到最大功率点，在辐照强度不稳定的情况下是否能快速跟踪变化趋势等。以上午的时间段为例，由于储能电池电压被钳位，电流的大小决定了输出功率，电流平稳且逐渐上升，说明随着辐照强度的增大最大功率点的值也增大，能源管理器能较为准确地跟踪变化趋势，所截取的波形如图9所示。由于MPPT跟踪方法是当工作点超出曲线时重新从开路电压处开始跟踪，所以当辐照强度产生阶跃性变化且趋势是降低的情况下会使电流波动激增，而辐照缓慢增强的情况下，控制器可跟踪到最大功率点并稳定在这一工作状态。图9中，辐照时间为09:00～11:00，因此辐照强度逐渐增大，但因云层遮挡，在09:18、10:06、10:35和10:55时刻均出现辐照强度降低，则输出电流相应出现毛刺并降到零，辐照稳定后输出电流又重新归于稳定。根据实验数据，在09:11时