太陽能無人機(jī)作為以清潔能源為動力的航空飛行器備受各國青睞,它留空時(shí)間長、飛行范圍廣,能夠代替衛(wèi)星和常規(guī)飛行器完成多種空中任務(wù),具有十分廣闊的應(yīng)用前景。能源系統(tǒng)是太陽能無人機(jī)的核心組成部分,在整個(gè)空中飛行過程中為無人機(jī)的動力系統(tǒng)及電子設(shè)備提供能量。本文重點(diǎn)圍繞能源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開研究,旨在為能源系統(tǒng)的能量獲取、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)以及能量管理策略設(shè)計(jì)方面提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo),進(jìn)而改善能源系統(tǒng)的工作性能,具有重要的工程意義。研究內(nèi)容包括:(1)基于太陽能電池仿真模型研究了不同環(huán)境下太陽能電池的輸出特性,根據(jù)搭建的四種太陽能電池陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并基于典型飛行工況研究了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下電池陣列的功率輸出水平,通過上述研究提出了能源系統(tǒng)獲取更多能量的方法。(2)研究常見的MPPT控制算法的原理并改進(jìn)了其中一種算法,在基于Boost電路的算法測試平臺上,對改進(jìn)算法與其他固定步長算法在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的工作性能進(jìn)行比較,測試結(jié)果表明所提算法的MPP跟蹤性能較好,可以減少太陽能電池陣列由于自身輸出功率的振蕩現(xiàn)象而引起的能量損耗,進(jìn)而增加能源系統(tǒng)的能量供給。(3)重點(diǎn)研究太陽能無人機(jī)能源系統(tǒng)儲能方案的能源匹配原理,針對電池儲能方案和聯(lián)合儲能方案,分別完成了兩者基于巡航狀態(tài)下的能量平衡策略的建模工作,為能源系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)及分析奠定了基礎(chǔ)。(4)根據(jù)上述兩種能源系統(tǒng)儲能方案并結(jié)合太陽能無人機(jī)巡航狀態(tài)下的功率匹配關(guān)系完成了能源系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)步驟建模,在Visual Studio 2012平臺下開發(fā)了基于上述關(guān)鍵參數(shù)求解模型的能源系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì)軟件并對軟件的功能進(jìn)行了測試,然后基于該軟件重點(diǎn)分析了影響能源系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)的因素,根據(jù)分析結(jié)果提出了優(yōu)化能源系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的途徑。最后,論文根據(jù)搭建的太陽光照模型分析了不同飛行空域下的太陽光照強(qiáng)度變化,結(jié)合之前章節(jié)的內(nèi)容對能源系統(tǒng)的能量管理策略的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了初步研究,并基于實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用分析,為后期詳細(xì)設(shè)計(jì)能源系統(tǒng)的能量管理策略建立了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V279
【部分圖文】：

導(dǎo)致獲取的監(jiān)測信息以及監(jiān)控范圍受到限制，而常規(guī)動為動力來源，燃油一旦耗盡必須結(jié)束空中巡邏任務(wù)，無法滿足全低了主權(quán)領(lǐng)域的維護(hù)力度。地實(shí)現(xiàn)全天候和實(shí)時(shí)性的空中監(jiān)控目標(biāo)，不間斷飛行的長航時(shí)太野。太陽能無人機(jī)(Solar-Powered UnmannedAerial Vehicle，SPUA量作為飛行動力的新型航空設(shè)備，通過搭載高性能機(jī)載工具，可實(shí)時(shí)信息。目前，太陽能飛機(jī)的最長的留空時(shí)間已經(jīng)超過十天，[1,2]，留空時(shí)間長，飛行范圍廣，所以可以保障監(jiān)控信息的連續(xù)任務(wù)[3]。與常規(guī)動力飛行器相比，太陽能無人機(jī)采用太陽光輻射關(guān)任務(wù)，動力來源豐富、清潔無污染，維護(hù)成本較低；與定軌道陽能無人機(jī)不需要火箭發(fā)射升空，省去了對應(yīng)的人力和財(cái)力成本的靈活性增加了太陽能無人機(jī)的監(jiān)測區(qū)域范圍，可以替代衛(wèi)星的探測、河道水紋變化監(jiān)測、森林火災(zāi)預(yù)警、地面目標(biāo)物體跟蹤[4]，因此，具有極大的應(yīng)用前景[7]。圖 1.1 為多架太陽能無人機(jī)組網(wǎng)

伴隨著世界上第一架太陽能無人機(jī) Sunrise I(圖 1.2 所無人機(jī)時(shí)代正式開啟。Sunrise I 機(jī)身搭載了 4096 塊硅太陽能能夠在百米空中飛行 20 分鐘[11]。1975 年 9 月，Sunrise II 太陽 Sunrise I 的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，機(jī)翼布置了更多的太陽能電池片

圖 1. 3 Pathfinder 太陽能無人機(jī)圖 1. 4 Helios 太陽能無人機(jī)003 年開始研制“西風(fēng)”(Zephyr)太陽能無人機(jī)[15]，最新型號的太陽能無 2010 年 7 月完成試驗(yàn)飛行，飛行高度達(dá)到 21.6km，連續(xù)飛行時(shí)間，打破了太陽能無人機(jī)單次飛行時(shí)間最長的記錄。“西風(fēng)”號太陽能

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