郭 進(jìn)，陸運(yùn)章，周 蒙，張佳亮，唐 榮，黃齊鳴

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長沙 410111)

平流層浮空器是指距地面20～100 km的空域飛行的飛艇、高空氣球以及可以環(huán)繞地球長時間漂浮的平流層衛(wèi)星。隨著科技的發(fā)展，可用于高空防御、對地觀測、通訊保障的平流層浮空器越來越受到各國科學(xué)界的重視。

傳統(tǒng)浮空器采用燃料電池或氣體燃燒為浮空器上的設(shè)備提供能源，此種方法能量密度比低，安全性低，不能長時間提供能源。目前，使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)為浮空器提供能源已經(jīng)成為一種趨勢。

1 能源系統(tǒng)組成

如圖1所示，平流層浮空器能源系統(tǒng)主要包括光伏陣列、能源控制器、儲能電池組和負(fù)載設(shè)備。能源系統(tǒng)采用分布式發(fā)電、高壓傳輸、集中配電、就近轉(zhuǎn)換的電源配電及管理。浮空器光伏陣列采用分布式發(fā)電模式，囊體表面同一受光曲面的光伏陣列構(gòu)成一個發(fā)電單元，盡量減少由于囊體曲面導(dǎo)致的光強(qiáng)不均對系統(tǒng)整體發(fā)電功率影響；大功率、長距離傳輸電能采用高壓直流母線傳輸，盡量減少傳輸損耗；DC-DC轉(zhuǎn)換電路及控制電路盡量布置在負(fù)載設(shè)備附近，就近轉(zhuǎn)換供電。能源系統(tǒng)為提高能源系統(tǒng)輸出效率，采用分布式MPPT模式為儲能電池充電和負(fù)載供電。每個MPPT模塊連接囊體表面同一受光曲面的光伏陣列，使用多個MPPT模塊構(gòu)成分布式MPPT能源控制器。

圖1 浮空器能源系統(tǒng)示意圖

2 優(yōu)化設(shè)計

2.1 光伏組件優(yōu)化設(shè)計

平流層浮空器所有太陽電池當(dāng)前形式是柔性薄膜和薄化的晶體硅太陽電池兩類，兩類電池各自有優(yōu)缺點，但主要矛盾還是轉(zhuǎn)換效率和質(zhì)量密度。傳統(tǒng)的柔性薄膜電池效率較低，衰減較大，成本較高。薄化工藝制備的晶體硅太陽電池，由于采用和借鑒傳統(tǒng)制備工藝，工程化水平高，可大批量生產(chǎn)和應(yīng)用，國內(nèi)轉(zhuǎn)換效率較高，單體的比功率水平已經(jīng)超過薄膜太陽電池水平，且功率面密度高，更有利于電源的管理和控制，厚度在100～150 μm水平的質(zhì)量密度，在組件封裝后足以達(dá)到薄膜太陽電池水平，且具有更高的功率質(zhì)量比。

平流層浮空器囊體表面擬采用柔性光伏組件，柔性組件外觀為長790 mm，寬680 mm，厚度4 mm，在組件四周分布有安裝孔。單塊組件的質(zhì)量小于325 g，面密度小于650 g/m2。彎曲半徑可達(dá)到1 m，柔性組件彎曲照片如圖2所示。

柔性組件在標(biāo)準(zhǔn)測試條件（大氣質(zhì)量AM1.5、1 000 W/m2的輻照度、25℃的環(huán)境溫度）下，最佳工作點功率Pmax大于等于85 W，其不同負(fù)載輸出條件下I-V輸出曲線如圖3所示。

圖2 柔性組件彎曲實驗圖

圖3 柔性組件I-V曲線圖

在AM1.5光譜標(biāo)準(zhǔn)測試條件下單塊組件的典型電性能參數(shù)如表1所示。

表1 柔性組件典型電性能參數(shù)

2.2 MPPT控制電路設(shè)計

本設(shè)計方案采用的分布式MPPT控制器，將浮空器彎曲表面入射角接近的光伏組件接入一個MPPT控制器，根據(jù)彎曲表面光伏組件的多少，使用多個MPPT控制器，最大限度地追蹤每一路光伏組件最大功率。由于采用多個中小功率的MPPT控制器，單個MPPT控制器的發(fā)熱量較小，無需安裝散熱器，在每個MPPT控制器上安裝散熱片即可。在常規(guī)的MPPT基礎(chǔ)上增加充電保護(hù)功能，當(dāng)蓄電池快充滿時，啟動充電保護(hù)功能，MPPT進(jìn)入均充模式，蓄電池充滿時，MPPT完全關(guān)斷輸出，均充電壓和關(guān)斷電壓可根據(jù)蓄電池的性能進(jìn)行設(shè)置。MPPT控制器電路圖如圖4所示。

2.3 熱分析

圖4 MPPT控制器電路圖

光伏組件的發(fā)電功率隨溫度升高而降低，要計算出柔性組件的發(fā)電功率，需求出柔性組件溫度隨時間變化曲線。

組件的裝機(jī)功率是在常溫（25℃）下測試獲得，組件的發(fā)電效率隨溫度的升高而降低，每升高1℃，組件功率下降0.3%，在溫度為T的時候，組件的溫度系數(shù)（ηT）：

圖5 柔性組件能量平衡示意圖

根據(jù)能量守恒原理，柔性組件接收的太陽能量等于輸出的電能、反射出的太陽能、上表面熱交換的能量、上表面熱輻射的能量、下表面熱輻射能量、下表面熱交換能量的總和，能量平衡如圖5所示。

以某日浮空器在北緯41.7°處飛行為例進(jìn)行組件熱分析。

根據(jù)太陽高度角計算公式得出組件垂直入射光強(qiáng)，進(jìn)行熱仿真，如圖6所示，柔性組件由電池片、透明封裝材料、隔熱材料組成。太陽光通過透明封裝材料照射在電池片表面，電池片吸光率較高，產(chǎn)生的熱量也最大，其溫度也最高，隔熱材料的熱傳導(dǎo)最低，能很好地進(jìn)行隔熱，組件的上表面和下表面溫度相差30℃，使組件產(chǎn)生的熱量較少地傳導(dǎo)至浮空器氣囊。

圖6 柔性組件熱場仿真圖

通過ANSYS仿真軟件模擬出組件溫度，最高溫度為74.2℃，出現(xiàn)在北京時間14:30，組件溫度隨時間變化曲線如圖7所示。

圖7 光強(qiáng)和組件溫度隨時間的變化

2.4 光強(qiáng)分析

柔性組件發(fā)電功率受光強(qiáng)、溫度、太陽高度角等因素的影響。

2.4.1 海拔高度對光強(qiáng)的影響

隨著海拔高度的增加直射光強(qiáng)呈增強(qiáng)趨勢，但是海拔到15 km以上時直射光強(qiáng)變化基本穩(wěn)定，在18～22 km高空光照強(qiáng)度約為1.26 kW/m2，海拔高度與直射光強(qiáng)關(guān)系如圖8所示。

2.4.2 太陽高度角影響

組件的垂直入射光強(qiáng)E為太陽光強(qiáng)乘以太陽高度角γ的正弦值：

圖8 海拔高度和直射光強(qiáng)的關(guān)系

式中：φ為地理緯度，北半球為正，南半球為負(fù)；δ為赤緯角，ω為太陽時角；H為時刻，0～24 h；dn代表從1月1日起的第dn天，即1≤dn≤365。

3 實驗及結(jié)果分析

如圖9所示，能源管理系統(tǒng)由柔性光伏陣列、能源控制器、儲能電池組、DC-DC和負(fù)載構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集端接入工控機(jī)作為上位機(jī)。

圖9 浮空器能源系統(tǒng)測試連接框圖

在晴天太陽輻照度較好的時候，將108塊85 W光伏組件（裝機(jī)功率為9.18 kW）的柔性光伏組件平鋪在地面，108塊柔性光伏組件按9個不同受光面劃分為9個區(qū)域（每個區(qū)域鋪設(shè)12塊柔性組件）分別與9個MPPT模塊連接；采用110 V、16 kW·h的蓄電池作為儲能電池組；DC-DC分別將母線電壓降壓至24 V供傳感器和飛控使用（功率為100 W），功率為1～3 kW功率可調(diào)的110 V直流電機(jī)從直流母線上取電。能源控制器數(shù)據(jù)采集模塊以1 Hz的采樣頻率采集各個參數(shù)，并通過RS422總線在測試過程中上傳測量參數(shù)至上位機(jī)。

使用電子稱計量MPPT模塊的質(zhì)量為400 g，使用光強(qiáng)計測試太陽輻照強(qiáng)度，12塊柔性組件（裝機(jī)功率為1 020 W）連接一個MPPT模塊，MPPT單位質(zhì)量功率達(dá)到2.5 kW/kg。使用萬用表和鉗形表測量MPPT模塊的輸入輸出電壓電流，計算得出MPPT的轉(zhuǎn)換效率為97.03%～98.01%。MPPT模塊電性能參數(shù)見表2所示。

傳感、飛控等航電設(shè)備功率一直保持在100 W，中午太陽光強(qiáng)，光伏發(fā)電多，早晚太陽光弱，光伏發(fā)電少，在不同時間段調(diào)節(jié)動力電機(jī)的功率來更好地利用太陽能。不同時間段動力電機(jī)功率與負(fù)載總功率如表3所示。

表2 MPPT模塊電性能參數(shù)

表3 負(fù)載不同時間段功率表

9.18 kW光伏組件發(fā)電功率隨時間的變化曲線如圖10所示。最大功率點出現(xiàn)在13:19，光伏組件輸出總功率為6.479 kW，通過對光伏發(fā)電曲線的時間積分，可得出全天發(fā)電量積分39 kW·h，儲能蓄電池電量最少的時刻出現(xiàn)在9:14，此時蓄電池剩余電量為2.33 kW·h，此后光伏發(fā)電功率大于負(fù)載總功率，光伏開始給蓄電池充電，蓄電池在17:20充滿。

圖10 輸出功率隨時間的變化曲線

4 結(jié) 論

本文對平流層浮空器能源系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，對能源系統(tǒng)在地面情況下發(fā)電、儲能與帶載運(yùn)行情況進(jìn)行了實驗驗證。研制的柔性晶硅組件與MPPT模塊質(zhì)量輕、效率高。該方案模擬了平流層浮空器能源系統(tǒng)中發(fā)電、儲能、能量利用，實現(xiàn)能源循環(huán)過夜，實現(xiàn)能量閉環(huán)，為平流層浮空器實現(xiàn)長期駐空奠定了基礎(chǔ)。