一种太阳能无人机砷化镓太阳能电池阵设计方法与流程

1.本发明属于太阳能无人机技术领域，尤其涉及一种太阳能无人机砷化镓太阳能电池阵设计方法。


背景技术：

2.太阳能无人机以太阳能为能源，理论上可以永久飞行，且对环境无污染，使用灵活、成本低，有着广阔的应用前景。在民用上可用于大气研究、天气预报、环境及灾害监测、农作物遥测、交通管制、电信和电视服务、自然保护区监控等；军事上可用于边境巡逻、侦察、通信中继等。
3.考虑到太阳能无人机应用特点，太阳能电池组件不仅具有较高转换效率，还要具备轻质、柔性、可适应机翼翼型曲面应用等特点。现阶段按太阳能电池组件应用方式不同，太阳能无人机主要分为蒙皮一体化和硬壳式无人机，两种类型的无人机各有优缺点。太阳能电池组件在机上敷设完成后，需要通过组件之间的串并联形成多个太阳能电池阵。太阳能电池阵的发电功率、电压范围需匹配对应的mppt(最大功率点跟踪)控制器。太阳能电池阵的设计至关重要，关系到太阳能电池能否实现最大功率输出以及全机能源采集效率。无人机上太阳能电池阵设计要考虑翼型曲面、飞行姿态等影响。当前，国内外临近空间太阳能无人机主要搭载单晶硅电池组件开展低空飞行验证。随着飞行高度、飞行航时等需求的提高，砷化镓电池组件应用是未来发展趋势之一。
4.经查证，目前关于太阳能无人机砷化镓太阳能电池阵的设计方法、参考的经验较少。因此，本发明提供一种太阳能无人机砷化镓太阳能电池阵设计方法。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种太阳能无人机砷化镓太阳能电池阵设计方法，有效隔离单串电池短路故障，实现最大功率输出以及全机能源采集效率，在工程上也易实现。
6.本发明一种太阳能无人机砷化镓太阳能电池阵设计方法，包括如下步骤：
7.砷化镓电池单体选型步骤，根据机翼尺寸、转换效率以及成本要求进行砷化镓电池单体选型，确定砷化镓电池单体尺寸、最大功率点电压、最大功率；
8.砷化镓电池组件设计步骤，根据mppt控制器输入输出电压要求，确定砷化镓电池单体串联数目；确定标准砷化镓电池组件和非标准砷化镓电池组件规格；根据有效发电面积、生产工艺要求，确定砷化镓电池组件中串联方向、并联方向单体之间间隙；砷化镓电池组件中每串电池正极输出串联防反二极管；组件中每个串联方向输出正极、负极通过汇流焊带并联，形成组件正负极；
9.砷化镓电池组件测试及分档步骤，对组件进行标准环境下的电流-电压曲线测试，并按组件的最大功率点工作电压值进行分档；
10.砷化镓电池发电阵划分步骤，提取机翼翼型，根据机翼上翼面曲线长度确定发电阵中沿弦长方向的组件数量；根据发电阵对应的mppt控制器功率确定沿翼展方向的组件数
量；根据分档结果，同一个发电阵中砷化镓电池组件最大功率点工作电压值要求在同一档内；
11.砷化镓发电阵汇流设计步骤，同一个发电阵中所有砷化镓电池组件均通过汇流焊带并联在一起，同时引出发电阵正负极，接入对应的mppt控制器。
12.进一步地，在砷化镓电池组件设计步骤中，串联方向要求间隙控制在0mm～1mm之间；并联方向要求间隙控制在0.5mm～1mm之间；二极管厚度不超过1.2mm；组件中串联方向的留白宽度不超过8mm，并联方向的留白宽度不超过3mm。
13.进一步地，在砷化镓电池组件测试及分档中，分档电压间间隔为1v。
14.进一步地，砷化镓电池发电阵划分中，组件距离翼型前缘20mm～50mm，距离翼型后缘10mm～30mm；组件与组件之间间距1mm。
15.本发明解决了砷化镓电池单体由于电压高、尺寸小带来的在无人机上应用的难题。通过组件尺寸优化设计，可实现砷化镓电池在无人机上有效发电面积最大化；通过组件中每串电池输出正串联防反二极管设计，可有效隔离单串电池短路故障；以最大功率点电压对组件进行分段，可实现砷化镓太阳能电池阵最大功率输出，避免了组件匹配失效现象。该无人机砷化镓太阳能电池阵设计方法，在工程上也易实现。
附图说明
16.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的一种太阳能无人机砷化镓太阳能电池阵设计方法中标准组件示意图；
18.图2为本发明实施例提供的一种太阳能无人机砷化镓太阳能电池阵设计方法中电池阵示意图。
19.图1中标号1为防反二极管，标号2为组件输出正极，标号3为砷化镓太阳能电池单体，标号4为组件并联方向边缘，标号5为组件输出负极，标号6为组件串联方向边缘；图2中标号7为砷化镓太阳能电池阵输出正极，标号8为砷化镓太阳能电池阵输出负极，标号9为砷化镓太阳能电池阵中非标组件。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
21.如图1-2所示，本发明提供一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法，主要步骤包括：
22.砷化镓电池单体选型步骤，根据机翼尺寸、转换效率以及成本要求进行砷化镓电池单体选型，确定砷化镓电池单体尺寸、最大功率点电压、最大功率；
23.砷化镓电池组件设计步骤，根据mppt控制器输入输出电压要求，确定砷化镓电池单体串联数目；确定标准砷化镓电池组件和非标准砷化镓电池组件规格；根据有效发电面积、生产工艺要求，确定砷化镓电池组件中串联方向、并联方向单体之间间隙；砷化镓电池
组件中每串电池正极输出串联防反二极管；组件中每个串联方向输出正极、负极通过汇流焊带并联，形成组件正负极；
24.砷化镓电池组件测试及分档步骤，对组件进行标准环境下的电流-电压曲线测试，并按组件的最大功率点工作电压值进行分档；
25.砷化镓电池发电阵划分步骤，提取机翼翼型，根据机翼上翼面曲线长度确定发电阵中沿弦长方向的组件数量；根据发电阵对应的mppt控制器功率确定沿翼展方向的组件数量；根据分档结果，同一个发电阵中砷化镓电池组件最大功率点工作电压值要求在同一档内；
26.砷化镓发电阵汇流设计步骤，同一个发电阵中所有砷化镓电池组件均通过汇流焊带并联在一起，同时引出发电阵正负极，接入对应的mppt控制器。
27.本实施例中mppt控制器输出电压30v～60v，输入电压30v～60v，mppt控制器最大功率200w。机翼为矩形机翼，弦长为620mm，翼型上曲线长度660mm。
28.首先，本实施例中选用转换效率30％、尺寸为20.5mm*40.1mm的砷化镓电池单体。该单体最大功率点电压为2.5v、最大功率0.25w。
29.根据mppt控制器输入输出电压要求，砷化镓电池单体采用16串的形式。
30.根据本实施例中机翼尺寸以及组件制造工艺要求等，确定16串6并为本实施例中标准组件，其余组件为非标准砷化镓电池组件。
31.本实施例砷化镓电池组件中单体串联方向采用叠层设计，间隔为0mm，并联方向间隙为0.7mm。
32.本实施例砷化镓电池组件中每串电池正极输出串联防反二极管，二极管厚度为1.2mm。组件中每个串联方向输出正极、负极通过汇流焊带并联，形成组件正负极。
33.本实施例组件中串联方向单体距离组件边缘宽度为8mm，并联方向单体距离组件边缘宽度为3mm。
34.根据翼型上翼面曲线长度，本实施例确定发电阵中沿弦长方向的组件为2个16串6并的标准组件和一个16串3并的非标组件，该方式可实现砷化镓有效发电面积最大。本实施例中组件距离机翼前缘20mm，距离机翼后缘15mm。
35.根据本实施例中mppt控制器最大功率200w要求，确定发电阵沿翼展方向的组件数量为3组，共9个组件，分别为6个标准组件和个非标组件。组件与组件之间间距1mm。
36.对制作好的组件进行标准环境下的电流-电压曲线测试，并按组件的最大功率点工作电压值进行分档，分档电压区间为38v
±
0.5v、39v
±
0.5v、40v
±
0.5v、41v
±
0.5v、42v
±
0.5v。
37.根据分档结果，将同一电压区间内的砷化镓电池组件设置在一个发电阵内部。
38.发电阵中所有砷化镓电池组件均通过汇流焊带并联在一起，同时引出发电阵正负极，接入对应的mppt控制器。
39.通过上述技术方案，解决了砷化镓电池单体由于电压高、尺寸小带来的在无人机上应用的难题。通过组件尺寸优化设计，可实现砷化镓电池在无人机上有效发电面积最大化；通过组件中每串电池输出正串联防反二极管设计，可有效隔离单串电池短路故障；以最大功率点电压对组件进行分段，可实现砷化镓太阳能电池阵最大功率输出，避免了组件匹配失效现象。该无人机砷化镓太阳能电池阵设计方法，在工程上也易实现。
40.上述具体实施方式仅限于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明的技术方案的基础上做任何简单的变形或替换而得到的新的技术方案，均落入本发明的保护范围内。