王海瑞 张成茂 周泉知 曾宪平

【摘 要】本文针对一种太阳能/甲醇作为无人机的混合动力进行了研究。研究了太阳能飞机日趋成熟技术，以及微型直接甲醇燃料电池技术的不断发展，从而能够将太阳能电池和直接甲醇燃料电池结合，实现无污染、低噪音、绿色飞行，同时增加续航时间。

【关键词】无人机；太阳能；甲醇；混合动力

中图分类号： TM611.3 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）08-0058-002

Solar/Methanol Hybrid UAV

WANG Hai-rui1 ZHANG Cheng-mao1 ZHOU Quan-zhi1 ZENG Xian-ping2

（1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Linyi University，Linyi，Shandong 276000，China；

2.Linyi Sports School，Shandong Linfen 276000，China）

【Abstract】This paper focuses on a solar/methanol hybrid as a drone. Research has been conducted on the growing maturity of solar-powered aircraft and the continuous development of micro-direct methanol fuel cell technology to enable the integration of solar cells and direct methanol fuel cells to achieve pollution-free，low-noise，green flight and increased battery life.

【Key words】UAV；Solar energy；Methanol；Hybrid

0 引言

太阳能、甲醇等新型能源因储量巨大、效率高、无污染、无排放等优势，逐渐受到世界各国的重视。使用太阳能电池、直接甲醇燃料电池作为绿色能源驱动电动无人机应用而生。本文针对一种太阳能/甲醇作为无人机的混合动力进行了研究。

1 太阳能飞机日趋成熟的技术

2016年7月26日，世界上最大的太阳能飞机“阳光动力2号”，成功降落于阿联酋首都阿布扎比商务机场，他代表着人类有史以来不需任何燃料完全依靠太阳能作为动力的环球航行，促进了太阳能飞机的发展。机体平台，由于太阳能飞机具有能源不足的特点，为了保持飞行速度，多数飞机采用传统的气动布局作为机载平台。随着研究的不断发展，折线型翼型比光滑基准翼型具有一定的潜力，能够提升飞机的气动效率。环氧树脂、凯夫拉、碳纤维等先进的符合材料，有效的减轻了飞机的重量。能源系统，太阳能飞行器对太阳能电池的性能有较高的要求。目前单晶硅太阳能电池已经有相当成熟的技术、高效率、低成本、性能稳定等优点，广泛应用于飞行器上，提高无人机的能量转化效率。推进系统，分布式推进系统往往是太阳能飞机采用的布置，它在一定程度上提高了系统的可靠性。直驱电机和定距螺旋桨的结合使飞机效率大大提高。

2 太阳能/甲醇混合动力无人机的设计

（1）综合分析了太阳能飞机比较成熟的技术，和直接甲醇燃料电池的不断发展，对于太阳能/甲醇混合动力无人机的设计提供了理论依据。法国某研究团队从2009年就开始研发“零排放”混合动力飞机——Eraole的。太阳能动力占25%，当太阳能动力不足时，将其切换成生物燃料发电。该研发团队从微藻中提取了特殊生物燃料，将为飞机提供55%的动能，另外20%的动能靠飞机滑翔提供。综合分析，该款太阳能/甲醇混合动力无人机将有40%的太阳能，及40%的直接甲醇燃料电池能提供动力，其余20%的动能由飞机滑翔提供。太阳能/甲醇混合动力无人机三维图如图1所示，采用传统气动布局设计，机翼、水平尾翼均有太阳能板覆盖，动力系统采用直驱电机和定距螺旋桨。

（2）结合飞机气动布局和长时间航行的需要，机翼的设计参数如表1所示。利用XFLR5受力分析如图2所示。由彩色受力图可以看出，在设计速度10m/s的情况下，整个机翼的强度完全富裕，受力比较均匀，机翼前缘是整个机翼受力较大的地方，机翼上翼面是整个飞机受力最小的部分。该机翼前缘采用了泡沫填充，在不增加重量的情况下增加了前缘的强度，能够完全滿足应对机翼前缘应力集中的要求。机翼上需要覆盖太阳能电池片，太阳能电池片材质较脆不能受力，该机翼上翼面受力最小，不会损坏太阳能电池片。综合分析，该机翼能够满足此款飞机的设计要求。

（3）将直接甲醇燃料电池组放到机翼下方位于重心处的储存舱内，将电源线引出，同太阳能电池电源线共同接到飞机控制模块中，来实现这两种电能之间的切换，从而时刻满足飞机的电量需要。

3 结束语

本文针对一种太阳能/甲醇作为无人机的混合动力进行了研究。研究了太阳能飞机日趋成熟技术，以及微型直接甲醇燃料电池技术的不断发展，从而能够将太阳能电池和直接甲醇燃料电池结合，实现无污染、低噪音、绿色飞行，同时增加续航时间。

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