太阳能飞行器能源系统综合实验设计

　　摘 要：太阳能飞行器是实现临近空间持久驻空的重要平台，通过对太阳能的循环获取、综合利用实现高空长航时飞行。能源系统设计是制约太阳能飞行器发展的核心因素。在当前研究生教学实践中，从专业特点、技术需求及创新型人才培养等方面出发，结合太阳能飞行器能源系统设计，开展研究实验教学的具体流程及效果评估。实践表明：综合实验设计的教学方式可以加深学生对理论知识的掌握，还可以激发学生设计临近空间飞行器的热情，提高学生在飞行器研究方面的创新能力和工程实践能力。

　　关键词：太阳能飞行器 能源系统设计 实验教学 综合实验设计

　　臨近空间作为人类继陆、海、空、天之后，进一步拓展和利用的自然环境之一，对促进新的空间资源探索和经济产业发展具有重大意义。以太阳能飞行器为代表的临近空间超长航时飞行器，驻空时间长久、飞行高度适中、覆盖范围宽广、军民用途极其广泛，被称为“平流层卫星”，已成为各军事强国和商业巨头竞相发展的重大前沿方向[1-2]。

　　太阳能飞行器持久驻空飞行产生的能源短缺问题，是当前严重制约该技术发展应用的瓶颈之一。太阳能飞行器在驻空过程中主要依靠太阳电池获取能量，分析和计算太阳电池阵列的产能、储能电池充放电、能源分配，对优化太阳能飞行器能源系统设计、提高驻空飞行时间具有十分重要的意义[3-5]。

　　本文根据临近空间太阳能飞行器设计的原理和特点，结合国防科技大学航空宇航科学与技术专业的研究生人才培养计划[6]，以临近空间太阳能飞行器总体设计为牵引，设计了“太阳能飞行器能源系统综合实验设计”实践课程。通过给定技术指标的能源系统总体设计实践，结合系统仿真设计实验，提高研究生工程素养，拓展学生的知识面，培养学生理论联系实际的能力以及团队协作的意识。

　　1 实验基本原理

　　临近空间太阳能飞行器能源系统是指由太阳电池阵、蓄电池组及能源管理系统等构成，具备能源产生、传输、转换、存储、管理和配置等功能，并为满足特定任务载荷需求，而能够持续提供稳定功率的能源系统。利用太阳能实现再生循环能源的系统组成，一般包括薄膜太阳电池或其他轻薄太阳电池的阵列系统、锂离子蓄电池组(也可是其他元素体系蓄电池组)或再生燃料电池(部分配备其他辅助电池作为启动电源)、能源管理系统(可含配电器等)、传输电缆网等组成。临近空间太阳能飞行器能源系统的工作原理如图1所示[1]。

　　在白天光照期间，由太阳电池阵进行太阳辐照的光电转换，对平台和有效载荷提供所需能量，并在功率富裕状态下，为储能系统进行充电，以满足夜晚无能量产生状态下的功率需求;在夜晚由于无外部能量注入，只能通过储能电池系统放电作为直接能量，对飞行器进行平台和载荷的供电;此外在朝夕期，由于太阳辐照强度较弱，太阳电池系统发电有限，只能通过与储能电池放电进行联合供电，共同为系统提供能量。通过上述模式和过程，能源系统实现为整个太阳能飞行器提供不间断能量，满足系统昼夜工作要求。

　　2 仿真软件基本架构

　　2.1 模型設计

　　作为能源供给系统，太阳电池、锂电池需要满足能源管理系统在任意飞行时刻的功率调度需求，此外，存在重量限制以及锂电池不能过充和过放，因此能源系统的设计问题归结为优化问题。问题描述如下：

　　(1)

　　上式中，、分别为太阳能电池的数量和质量，、分别为锂电池的数量和质量，相应的约束条件为：

　　(2)

　　其中，、分别为能源系统当前时刻t提供和需求的能量，为飞艇结束飞行任务时的时刻，也就是飞艇的驻空时间，SOC为储能电池的荷电状态，是确定的任务需求功率，表示飞行剖面的航迹信息。

　　、SOC(t)是能源系统耦合匹配的参数，由太阳电池系统和储能电池系统在动态功能过程中共同确定，是根据真实的飞行数据建立需求功率的统计模型，本次实验的目的是确定、。

　　2.2 仿真软件架构

　　太阳能飞行器能源系统实验主要是通过仿真软件平台完成。在能源系统模型的基础上，对仿真软件进行了设计，基本的设计思路为：采用确定性的能源系统拓扑结构、理想的太阳能电池MPPT(Maximum Power Point Tracking)管理器，能源管理系统以简单的能源管理逻辑单元代替，动态工况采用统计性的需求功率谱和典型的飞行剖面进行模拟。通过上面的系统处理，最终确定能源系统应当采用的太阳能电池的数量和锂电池的数量，以此建立能源系统设计的约束条件。

　　仿真平台对上述能源系统拓扑架构、太阳能电池管理与验证技术的支持，可以简单通过动态工况下耦合仿真模块的替换来实现，主要是在MATLAB中进行编程实现。针对太阳能电池和锂电池的拓扑架构设计的仿真分析，软件结构如图2所示。

　　能源系统的设计是一个不断更新迭代的过程，仿真平台可以检验能源系统设计的可行性，同时可结合实际的飞行试验数据，对仿真平台进行更新，使之更符合真实系统的运行状态。图2展示了仿真平台验证太阳能电池、锂电池的拓扑结构设计的过程。同时，结合飞行剖面中的时刻、经纬度、高度、温度等实际飞行数据，对相应的太阳辐射模型、热平衡模型等仿真模块进行修正，获取更真实的仿真计算结果。

　　3 实验过程及结果分析

　　3.1 实验参数设计

　　根据能源系统组成，可对太阳电池系统、储能电池系统等基本分系统参数进行设置，如表1所示。

　　表1中，太阳电池组件数和储能电池模块数需结合优化计算模型在软件平台进行计算验证，由能源系统的运行状态判断结果是否满足设计需求。

　　3.2 实验结果分析

　　在太阳电池系统仿真软件界面中输入表1所示太阳电池系统参数，结合试验数据，运行仿真软件，获取结果如图3所示。

　　由图3可看出，太阳电池系统产能的仿真结果与试验结果误差在10%以内，考虑到飞行器在飞行过程中姿态角变化(主要是偏航角的变化)对太阳电池发电性能的影响，以及测量系统的误差，认为太阳电池仿真模型具有较高可信度，可以作为后续能源系统仿真的能源输入模型。

　　在能源系统仿真软件界面中输入表1所示太阳电池系统、储能电池系统参数，结合试验数据，运行仿真软件，获取结果如图4所示。

　　由图4中蓄电池荷电状态曲线图可知，随着太阳辐照的增强，太阳电池的产能增加，储能电池开始充电;结合负载功率曲线变化，随着系统能耗功率增加，太阳电池系统与储能电池系统进入联合供电状态，可完全满足飞行过程中负载功率需求。

　　通过仿真参数设置与仿真计算，对能源系统太阳电池、储能电池的数量进行了求解验算。以动态过程仿真结合实际飞行数据的方式，对能源系统的运行进行了数据演示，清晰地显示了各分系统的状态变化。在增大负载功率需求的条件下，对太阳电池、储能电池的联合供电能力进行了仿真，能源管理系统的设计满足飞行过程的能源调配需求。

　　在本实验的基础上，学生可通过自行设置能源系统参数，选择合适的飞行器并计算出飞行过程中的功率消耗，在仿真软件平台进行分析，对设计的能源系统进行动态仿真，为实际工程设计获取必要的参考。

　　4 结语

　　本文提出的太阳能飞行器能源系统综合实验以解决实际工程应用问题为课程目标，结合理论知识点和创新实践应用，通过设计目标的数学建模、软件编程计算求解，引导学生以应用为中心，理论与实践结合，重点突出，适度外延，打牢基础与紧贴实用并重。充分锻炼学生的工程设计、问题归纳、仿真计算、结果优化等能力，为学生结合前沿科技应用、充分运用所学理论知识解决重大工程问题提供锻炼环境。实践结果证明：以专业必修课的形式开展临近空间飞行器总体设计与实验课程，不仅帮助学生加深对飞行器设计理论知识的掌握，还可以激发学生设计临近空间飞行器的热情，提高学生在飞行器研究方面的创新能力和工程素养。本课程可以为研究生未来从事临近空间飞行器设计与试验提供专业技术知识，提高临近空间装备应用技能。

　　参考文献

　　[1] 朱炳杰，杨宇丹，杨希祥，等.太阳能飞行器能源昼夜闭环仿真分析[J].宇航学报，2019，40(8)：878-886.

　　[2] Yu Huang， Honglun Wang， Peng Yao. Energy-optimal path planning for Solar-powered UAV with tracking moving ground target [J]. Aerospace Science and Technology，2016(53)：241-251.

　　[3] 张德虎，张健，李军府.太阳能飞机能量平衡建模[J].航空学报，2016，37(S1)：16-23.

　　[4] 杨宇丹，朱炳杰，郭正，等.太阳能无人机能源系统参数的敏度分析[J].上海交通大学学报，2020， 54(10)：1045-1052.

　　[5] Mingyun Lv， Jun Li， Huafei Du， et al. Solar array layout optimization for stratospheric airships using numerical method [J]. Energy Conversion and Management， 2017，135(2017)：160-169.

　　[6] 邓小龙，杨希祥，朱炳杰，等.国内外本科全程导师制实践研究与对比研究[J].大学教育，2020(6)：44-46.

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文章名称： 太阳能飞行器能源系统综合实验设计

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