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1、1 一、 太阳能飞机现状与趋势 1、太阳能飞机发展历史 试飞 年月 名称 重量 功率 太阳电池数目 储能 电池 1974 美国 Sunrise I 翼展 9.76m 重量 12.25kg 450W 4096片 1975 美国 SunriseII 翼展 9.76m 重量 10.21kg 600W 4480片 14% 1976 德国 Solaris 在 50米的高度进行了三次 150秒的飞行 1976 美国 Solar Solitude 飞行距离达到 38.84km，两年后达到非常高度 1283m 1990 德国 Solar Excel 飞行距离达到 190km，速度达到 62.15km/h(模型
2、 ) 1998 德国 Picosol 重量 159.5g 翼展 1.11m 8.64w 1）、 无人机探索阶段 2 一、 太阳能飞机现状与趋势 试飞 年月 名称 重量 功率 太阳电池数 / 飞行时间及距离 储能 电池 1979 美国 Solar Riser 翼展 9.76m 重量 12.25kg 350W 10分钟、 800m距离 Ni-Cd蓄电池 1980 美国 Gossamer Penguin 成功进行了第一次载人太阳能飞机的飞行 1981 美国 Solar Challenger 2.5kw 16128片 /5小时 23分钟， 262.3km 无 1990 美国 Sunseeker 实现了
3、跨越美国的飞行（飞行 21次， 121小时） 2）、 尝试载人阶段 3 一、 太阳能飞机现状与趋势 试飞 年月 名称 重量 功率 太阳电池数 / 飞行时间及距离 储能 电池 1994-1998 美国 Pathfinder NASA环境研究计划 30m翼展 重量 254kg， 飞行高度达到 15392m 1997-1999 美国 Centurion NASA遥感、通信平台研究计划 翼展是 Pathfinder两倍，可携带超过 300kg的遥感及通信设备，飞行高度达 24400m，锂电池储能，日落后可持续飞行 2-5小时 1994-2003 美国 Hellos NASA 飞行高度 29524m，其
4、中有 40分钟以上在 29261m的高空飞行 1994-1998 欧洲， Solitair 5.2m翼展，可调节角度的太阳能电池帆板 2000-2003 欧洲 Heliplat 用于宽频通信和地球观测， 24米翼展，后期改为 Shampo 2005 美国 Solong 飞行 24小时 11分钟，无储能， 4.74m翼展， 11.5kg，同年 6月实现了48小时 16分钟的飞行 ,76片 20%SunPower A-300电池 ,约 300W 2005 英国 Zephyr 飞行 6小时，高度 7925m， 2006年实现 18小时的飞行， 2007年实现 54小时飞行，打破了无人机飞行时间记录，
5、高度达到 17786m，重量30kg， 18m 的翼展。 2009-2010 瑞士新一代 Solar-Impulse 2003年开始， 80m翼展， 2000kg重量，将于 2011年实现环球飞行。 3）、 高空长距离发展阶段 4 1）、 瑞士“ Solar Impulse”号 11628块 150微米厚薄硅电池 12%转换效率 220Wh/kg高能密度比蓄电池 63.4米翼长 1600公斤重量 2009年 ,首架可昼夜飞行太阳能飞机 由苏威、欧米伽、德意志银行等共同投资 一、 太阳能飞机现状与趋势 2、太阳能飞机重要项目 5 2）、 瑞士“ SkySailor” 号 苏黎世瑞士联邦理工学院和
6、欧洲宇航局合作设计 216块超薄硅电池 220Wh/kg高能密度比蓄电池 27小时连续飞行记录 3.2米翼长 2.41Kg轻巧机身 一、 太阳能飞机现状与趋势 6 3）、 英国 Zephyr“西风”号 由英国 QinetiQ公司 为英国国防部研制 历经 6代更新 柔性非晶硅太阳电池 (unisolar) 12米翼展 12Kg机身重量 4万米最大飞高度 82.5小时世界最长飞行时间 采用 锂硫电池组 ,576只单体电池作 48并 12串组合，总重约 10kg，单体电池质量能量密度达到 350Wh/kg 一、 太阳能飞机现状与趋势 7 4）、 德国“ SunSeaker” 号 德国 SolarFi
7、lght公司和日本 Sanyo公司合作开发 高效单晶硅电池 氢氧燃料电池 一、 太阳能飞机现状与趋势 8 共使用 264片单结 GaAs太阳电池，效率 17.88%，电池尺寸 6 6cm ，单片电池功率 0.49W，总功率 130W。 5）、 NASA无人机（ GaAS） NASA研制一种小型无人机，机身长 2m，翼展 4.7m，重 9.2kg。这种飞机设计为短程使用，因此没有储能设备。 一、 太阳能飞机现状与趋势 9 电池安装在机翼上的条格中， 电池和机翼使用硅胶粘结 ，同时在两者之间贴有泡沫垫片，避免电池在粘结过程中破损。电池和电池之间使用 1mm 0.5mm的银条串联，银条和电池使用焊接
8、连接技术。 一、 太阳能飞机现状与趋势 10 Pathfinder使用了三种硅太阳电池作为电源，厚度 110um的是双面电池，厚度 150um的是薄硅电池，厚度 350um的是普通硅电池。电池尺寸均为67.3mm 69.8mm，双面电池平均效率 15%，薄硅电池平均效率 15.7%。 6）、 NASA无人机 (三种硅电池 ) 太阳电池组件由 8行 7列共 56片太阳电池组成，如下图所示。行列的间隔为 0.51mm。每个组件装有 7个旁路二极管。组件中电池间的连接使用25um厚的银箔。 一、 太阳能飞机现状与趋势 11 1994年， NASA开始高空太阳能无人机研究，其目标就是研制一种在高空中可
9、长时间飞行的飞行器，且有一定的负载能力，用于 大气观测等用途 。 NASA的高空太阳能无人机一共发展了 Pathfinder， Centurion，Helios等 5个型号。 一、 太阳能飞机现状与趋势 12 Pathfinder Pathfinder-Plus Centurion Helios HP01 Helios HP03 长度 (m) 3,6 3,6 3,6 3,6 5,0 翼展 (m) 29,5 36,3 61,8 75,3 飞行速度 (km/h) 27-31 27-31 27-33 30.6-43.5 n/a 爬高纪录 (m) 21,802 24,445 n/a 29,523 19
10、,812 净重 (kg) 207 247.5 592 600 n/a 最大起飞重量 (kg) 252 315 862 929 1,052 负载 (kg) 45 67,5 270 329 n/a 发动机 1.5kW直流电机 发动机数量 6 8 14 14 10 太阳电池阵功率 7.5 12.5 31 n/a n/a 储能电池 蓄电池 蓄电池 锂电池 锂电池 燃料电池 各型号无人机的一些主要参数 一、 太阳能飞机现状与趋势 Pathfinder用组件功率和质量 (AM0,25) 电池类型 薄硅 双面 电池厚度（ um） 150 110 电池质量（ g） 118.2 77.3 组件质量（ g） 17
11、5.6 134.7 组件输出功率（ W） 55.25 53.34 质量功率比（ W/kg） 315 396 背面电池功率（ W） 0 8 质量功率比（ W/kg） 315 455 组件采用了层压技术，由上下两组 Tedlar膜和硅橡胶组成，将太阳电池密封在中间。 Tedlar膜厚度为 12.5um，硅橡胶厚度为 50um。 一、 太阳能飞机现状与趋势 14 高空飞行并长时间滞空 短程不采用储能设施，简单可靠 采用更为高效、智能电源系统 一、 太阳能飞机现状与趋势 3、太阳能飞机发展趋势 15 二、太阳能飞机电源技术发展趋势 1、 太阳能飞机电源系统 能源分系统为飞机的动力、控制及任务载荷等提供
12、能源，是整个飞机能量的唯一来源，可采用： 太阳电池阵 储能电池（锂离子、锂硫蓄电池组等） 控制系统 光照条件下，太阳电池为负载供电并为蓄电池进行充电； 无光照条件下，蓄电池放电为飞机供电，以维持系统的正常功能。 16 二、太阳能飞机电源技术发展趋势 2、 太阳能飞机电源关键技术 高效太阳电池方阵技术 高比能量蓄电池组技术 智能化控制技术 17 二、太阳能飞机电源技术发展趋势 高效太阳电池方阵技术 1）、 电池逐渐高效化 2）、 方阵逐渐柔性化 3）、 电池排布采用分布式设计 太阳电池种类 效 率 （ %） AM0 质量比功率（ W/kg） （ AM0） 高效硅太阳电池 15 55 单结砷化镓太
13、阳电池 19 65 三结砷化镓太阳电池 28 105 柔性非晶硅薄膜太阳电池 9 300 柔性铜铟硒薄膜太阳电池 12 400 太阳电池性能指标现状 18 这是由 NASA设计的一种硅电池阵由 3串 30片共 90片硅太阳电池组成，每片电池 6 3.5cm。总功率 22.5W。 电池片排布 19 二、太阳能飞机电源技术发展趋势 高比能量蓄电池组技术 不同高度储能电池容量的影响 20 二、太阳能飞机电源技术发展趋势 锂离子电池和锂硫电池的性能参数比较 电池体系 电极材料 理论容量 (mAh/g) 实际容量 (mAh/g) 理论比能量 Wh/kg 实际比能量 Wh/kg 锂离子电池 LiCoO2正
14、极 275 140 568 160200 石墨负极 372 330 锂硫电池 S8正极 1675 7001000 2600 350 远期600 金属 锂 负极 3861 1000 21 二、太阳能飞机电源技术发展趋势 智能化控制技术 机翼变化 智能化 : 辐照度随时间 天气 角度变化 22 二、太阳能飞机电源技术发展趋势 模块化 : 23 1）高效太阳电池阵和锂离子蓄电池组相结合的方案 电 源 系 统太 阳 电 池 阵蓄 电 池 组电 源 控 制 器储能电源采用高比能量聚合物锂离子蓄电池组，聚合物锂离子电池具有比能量更高、安全性好、循环寿命更长等优势。 3、 未来系统能源方案选择 二、太阳能飞
15、机电源技术发展趋势 24 白 天 黑 夜D C - D C水 电 解 器氢 气氧 气水燃 料 电 池太 阳 能 电 池 阵有 效 载 荷2）高效太阳电池和可再生燃料电池相结合的方案 可再生燃料电池具有高比能量和比功率，而且克服了蓄电池的自放电、放电深度及电池容量有限等弱点，因而特别适用于空间及邻近空间长期飞行。 二、太阳能飞机电源技术发展趋势 薄膜太阳电池及其组件 0C ur r e nt0V ol t a ge200 0 200 400 600 800 1000051015 m V mA/cm2V o c 914 mVJ s c 1 4 . 4 5 m A c m2FF 0 . 6 5 7 6 . 4 1 6 %双面太阳电池 双面电池光电转换效率的测试结果 Voc (mV) Isc (mA) Vmax (mV) Imax (mA) % FF 633.1 558.3 527.6 5
