第三代太阳能 临近空间电池

第三代光伏技术,砷化镓电池,GaAs太阳电池

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临近空间又称近太空,一般是指海拔20公里至100公里的空间区域,是100公里以上的航天空间,与20公里以下的航空空间之间的过渡区域是一个可供全天候高速率无线网络覆盖、高分辨地理测绘、高空交通指挥、对地高精度监控、对天高清晰成像等科学研究和新型空间服务的理想区域。

世界各国从上世纪八十年代便开始了太阳能无人机研究,最初以美国为主,后来英国、德国、中国、俄罗斯等国家也相继加入,并纷纷加大太阳能无人机的研发投入,力图获取在这一领域的竞争优势,以夺取临近空间主导权。

临近空间太阳能无人机(Near Space Solar Unmanned Aerial Vehicle)是以太阳能为能量来源、飞行高度20000m 以上的电动无人飞行器。主要特点:飞行高度高,巡航作业不受天气和大气上下对流的影响;留空时间长,可进行长达数天甚至于数月、数年不间断飞行,作业覆盖区域广;可重复使用,可根据需要随时降落进行维修或更换有效载荷;效费比高,但其费用远低于在轨卫星;作业使用灵活,既可在指定区域长时间盘桓飞行作业,也可根据需要改变飞行航线以调整作业区域或远程自主航线作业;生存能力较强,其飞行高度超过一般战斗机和一般地面防空导弹的攻击范围,不易受到攻击。

临近空间太阳能无人机因其突出的优势而应用前景十分广阔。在民用领域,可进行临近空间大气研究、天气预报、环境及灾害监测、交通管制监测、互联网服务和电视服务等;在军用领域,可用于国界巡逻、战区侦察监视、通信中继、电子对抗等被喻为大气层卫星

临近空间太阳能无人机的能源系统由太阳能电池阵列、储能系统、能源管理与分配系统组成,能量流程。如图飞机总体参数与太阳能电池阵列能源接收/ 转换效率密切相关,如机翼翼载、飞机功重比等参数。为了提高太阳能无人机性能水平,一方面作为基础性的太阳能电池单元性能(包括重量、转换效率等)是关键性因素,另一方面太阳能电池阵列封装是实现太阳能电池航空工程化应用的关键性环节。太阳能电池封装须考虑电池的易脆性、透光性、抗冲击、可拆卸等要求,太阳能电池阵列的布置应与大挠度变形的弯曲翼面相适应,翼面弯曲、机翼挠度变形、机动飞行等导致太阳能电池阵列各区域太阳光线入射角存在较大差异,各电池单元输出电压高低不均,因此太阳能电池输出电能管理是一项必须解决的技术难题。

储能系统储存/ 释放能量过程的能量转化效率、能量密度在很大程度上决定了无人机的性能。一般是全机重量系数最大的系统,这反应出储能系统性能是决定临近空间太阳能无人机能否实现超长航时性能的关键。

能量管理与分配系统(PMAD)根据太阳能电池能量转换功率变化和系统负载的变化,对电能进行实时分配和管理。科学合理地进行能量管理与分配是实现昼夜飞行的重要保障。

前,临近空间超长航时太阳能无人机离真正商业化还有一段距离,从临近空间太阳能无人机研究现状和新技术发展来看,临近空间太阳能无人机将有良好的发展前景。

1)随着太阳能电池效率、储能系统能量密度与效率、新型结构材料高强度/ 轻质化等性能水平的不断提升,将促进临近空间太阳能无人机整体性能水平的持续发展。按照目前的发展,可以预测未来5~10 年内,临近空间太阳能无人机可以在30000m高空进行长达数月的昼夜飞行。

2)太阳能电池正向高效单晶硅电池、重量轻且易与机翼蒙皮融合的薄膜电池及聚光三结化合物、高效结构化吸能等方向发展。新型太阳能电池实验室状态效率达到了40% 以上,是当前工程化成品效率的2 倍,这将大大促进临近空间太阳能无人机的技术进步。一旦成熟并应用于临近空间太阳能无人机,不仅可以增加可用能量来源,而且可以为临近空间太阳能无人机规模小型化、降低结构设计/ 气动弹性与飞行控制难度带来可能。

3)在临近空间太阳能无人机需求牵引下,在未来5~10 年可再生燃料电池能量密度将从450Wh/kg提高到600Wh/kg 的水平,从而达到临近空间太阳能无人机商业化的基本要求,科学家认为远期可达到的水平是800Wh/kg。随着石墨烯电池技术的发展,将为临近空间太阳能无人机储能系统提供新的选择。

4)爬高储能以动能势能转化方式进行昼夜能量转换,没有重量代价,采用混合储能方式(爬高储能+ 物理储能)将是解决储能问题的重要发展方

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