太阳能飞机环球,你了解多少?

作者:智能光伏产业联盟 / 公众号:ChinaPV2025 发布时间:2018-12-04


近日,全球首款纯太阳能飞机——“太阳能动力”号完成跨越美国全境的飞行后,在纽约肯尼迪国际机场平稳着陆。据悉,这架太阳能飞机的下一个目标是在2015年实现环球飞行。
今天,与各位读者一起来了解一下太阳能飞机。本文将从太阳能飞机飞行原理、发展历史及成就、技术特点及历史评价等四个方面进行介绍。
1
原理
太阳能飞机以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。
由于太阳辐射的能量密度小、单位面积所能获取的太阳辐射能量有限,为了获得足够的能量,飞机上应有较大的摄取阳光的表面积,以便铺设太阳电池。
2
技术特点
从太阳能飞机的技术特点上看,太阳能飞机要想获得技术突破与发展,必须要在技术特点上做出一定的改变。具体而言:
第一,从机体平台看,未来的太阳能飞机必须要采取新的布局、材料、工艺来改进飞机的结构及气动效率,从整体上降低飞机的重量,减少其机翼尺寸,提高飞机的安全性和稳定性。从应用前景看,小型的太阳能无人机应该是主导方向,微型的太阳能无人机也是一个发展方向。
第二,从能源系统看,这是太阳能飞机发展受制最大的问题,未来的太阳能飞机必须采取更高效的太阳能电池及储能器,同时保持太阳能电池与机体曲面的贴合,这不仅可以降低全机的重量,更能够保证飞机的安全。
第三,从推进系统看,新型的电机和高效的螺旋桨技术会得到广泛的应用,以保证其推进系统的效率。
机体平台
气动布局:采用目前技术上比较成熟的气动布局作为机体平台,能够降低风险。
气动效率:为了提升飞机的气动效率,大部分的太阳能飞机采取的是大展弦比机翼,特别是一些在高空中作长期停留的无人机,其展弦比均在30 左右。
机体质量:各种新型材料如碳纤维、凯芙拉等被广泛使用以求降低机体质量。
转化率:太阳能电池的转化率普遍不高,导致了其载荷不能太重,机身外形尺寸较小,特别是一些长期高空航行的太阳能飞机,大展弦比的机翼产生气动弹性可能会影响到飞机的安全和稳定。
能源系统
从当前设计且运行的太阳能飞机看,大部分的飞机采用的是转化率较高的单晶硅太阳能电池,少部分采用了多晶硅电池。电池的储能器大部分是锂电池,少部分飞机为了夜间储备能源,采用的是可再生燃料的储能器。为了减轻全机的质量,能源系统是安装在机体中枢,由于太阳能电池价格较贵,容易破碎,很难与机体的曲面进行很好的结合,这在一定程度上影响了太阳能飞机的性能。
推进系统
太阳能飞机通常采取以直驱为主要形式分布式推进系统以提高系统的可靠性程度。部分小型太阳能飞机上采用减速驱动的螺旋桨系统。直驱电机效率较高,可动的部件较少,其应用范围较为广泛。但要保持长时间高空航行,多采用的螺旋桨系统,主要是为了保持机体的平衡与能量的节约。
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发展及成就
太阳能飞机的发展始于上世纪70年代末。
80年代,美国人保罗-麦克里迪在人力飞机的基础理论上研制出第一架以太阳能为动力的“太阳能挑战者”号单座太阳能飞机。飞机翼展14.3米,翼载荷为60帕(6公斤力/米2),空重90公斤,机翼和水平尾翼上表面共有16128 片硅太阳电池。
1981年7月7日,“太阳能挑战者”号以平均54公里的时速成功飞越英吉利海峡,共计航程航程290公里。
1995年9月11日,在美国的爱德华兹空军基地的多拉伊顿开发中心“探险者”号进行了飞行高度试验,并达到了15390米的高度。
1998年11月10日,由瓦伊伦门特航空公司研制的太阳能无人机“百人队长”号在爱德华兹空军基地首飞成功,历时1小时22分钟。
2003年,瑞士探险家贝特朗·皮卡尔提出太阳能飞机环球飞行构想,和瑞士空军前飞行员波许博格共同组建了“阳光动力”团队,着手开发太阳能飞机。
2007年11月5日,在瑞士杜本多夫举行的新闻发布会上,展出了“阳光脉动”太阳能飞机样机。科研人员历时4年制成了这架太阳能飞机。
2009年,“阳光动力”1号机首飞。次年,首次完成26小时不着陆飞行,这是人类首次实现载人太阳能飞机跨夜飞行。
2014年,“阳光动力”2号机首飞。据了解,“阳光动力”2号机机翼长72米,超过波音747,机翼上装有17248片超轻薄高效太阳能电池,多余电量储存在633公斤重的锂离子电池内,供夜间和阴雨天飞行。飞机重2.3吨,主体使用了高强度的碳纤维材料,又轻又结实。它的最大飞行高度8500米,最高时速140公里,平均时速70公里。来自8个国家的12家企业为“阳光动力”2号机提供了太阳能板、电池等多种配件。
虽然“阳光动力”号并非人类设计的第一架太阳能飞机,但跨越美国的飞行,使它成为首架由飞行员驾驶的、昼夜不间断飞行的太阳能飞机。
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评价
太阳能飞机驾驶员皮卡尔认为,太阳能动力飞机的商业价值将在未来5年内体现出来。事实上,“太阳能动力”号这个项目的重点并非对航空技术的探索上,它更多是一个能源项目。如何实现太阳能的高效、可持续应用,或许才是这个项目关注的焦点。
研究人员希望通过低能耗的航空飞行,使人们意识到一个能源可持续的新时代就在眼前。太阳能飞机的到来,引发的很可能是能源领域的变革。一旦实现商业化应用,将开启一个全新的时代。
国际航空运输协会希望能在2050年实现飞行器的碳排放量为零。
阳光动力公司设想,在未来,着重解决光能吸收问题。因为只有大幅度提高电池功效,才可能使机上人数增加。40多年后,能承载300名乘客的全太阳能飞机有望正式投入运营。
光伏行业人士认为,可以从电池上做文章:只要太阳能电池板的能量转换率够高、蓄电池的能量密度够大、重复充电能力够强、电动机够经济,太阳能飞机实现永久飞行就非遥不可及。
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