白皮书

page 1

高空长航时飞行器的太阳能选择方案

摘要在上世纪九十年代，美国宇航局参与研发的高空飞行器太阳神和探路者号已经证实，太阳能薄膜电池的存在，仅对空气动力学造成较小程度的影响，却使机翼从被动机械的一部分转变成主动的动力源。随着电力推进科技和无线通讯系统受到越来越多的关注，能够为飞行器在平流层提供可持续动力保障的太阳能发电技术受到商业领域的广泛关注。此白皮书将对现有的太阳能技术和其在高空中的独特需求做出综述。

高空长航时飞行器 vs 卫星系统 一直以来困扰着我们的问题都集中在为何设计者要尝试建造高空长航时飞行器来代替已有的卫星系统用来完成可持续通讯和侦测活动。由于二者都存在彼此的优缺点，因此最终的选择权归结于其建造成本。在基础网络设施缺乏和不存在的地区，高空长航时飞行器将提供更为廉价的通讯保障，但其还没有建立属于自己的销售市场。事实上，不论是高空长航时飞行器还是卫星系统都存在着技术上的鸿沟，一旦二者都能够克服相应的困难，高空长航时飞行器被证明更具价值。

特有性能参数在高空中太阳能的表现将主要由温度，天气，光谱辐照度和投射角来决定。

温度和气候MIL-HDBK-310和“2009施拉特的大气成分和垂直结构”两篇论文对高空下温度，风力，和空气密度的情况进行了详细的分析和介绍。依照上述文章的论述，温度和风力将被统一考虑在60 kft（20km）以上的高空，在该空间昼夜温度的变化是极其微小的，将仅仅受到季节性的干扰，另外两极区域比起赤道地区展示出更为稳定的气候条件。

较低的空气密度不仅不利于飞行的拉升而且也会降低热导率。另外太阳辐射所造成的热能累计将导致机翼后沿的温度较周围环境高出20-40摄氏度。

内容摘要 .....................................................1

高空长航时飞行器 vs 卫星系统 ......1

特有性能参数 .....................................1

适用性能指标 .....................................3

技术领域 ............................................5

技术类比 .............................................8

结论 .....................................................8

高空长航时飞行器的优势• 费用• 增加带宽• 持续保持顶板覆盖• 维护和升级性能

劣势• 未被证实• 高功率需求• 占据大量空间

page 2page 2

白皮书: 高空长航时飞行器的太阳能选择方案

高度 最低记录温度 最高记录温度km ft C F C F

14 45.9 -77 -107 -30 -22

16 52.5 -87 -125 -35 -31

18 59.1 -88 -126 -35 -31

20 65.6 -87 -125 -31 -24

22 72.2 -85 -121 -29 -20

24 78.7 -86 -123 -33 -27

数据来源 MIL-HDBK-310

温度系数随着表面温度的降低所有太阳能电池的输出功率得以提升。然而温度对于功率的改变将直接被联系到温度系数的变化。因此考虑温度系数对于材料的变化将需要考虑较大范围的温度区间。

光谱辐照度太阳光谱辐照度的波长几乎等同于从紫外线（UV）到红外线（IR）的长度 （300 – 1300 nm）。图一展示了此光谱的示例。大部分高空长航时无人机预计运转的高度在50-80 kft （15 – 24 km）。这段空域坐落在云层上的臭氧层内，可以最大限度的使飞行器避免来自紫外线和其他大气辐射的干扰并且还能有效获得畅通无阻的太阳辐照度。另外光照强度在太阳能材料上的变化主要基于太阳投射角度随时间的变化。

太阳光谱辐照模型太阳能大气辐射传输模型有效的预测了晴朗天空下光谱辐照度。该模型主要被用来预测光照条件，从而推断出图一的光谱辐照变化图。以上数据也被美国国家可再生能源实验室和一些其它研究机构所采用, 并用来预测在高空中的太阳能发电。更多关于大气辐射传输模型的信息，请关注：www.nrel.gov/rredc/smarts/

光谱和量子参数太阳能转化率是由特定太阳能电池的量子效应和整体太阳能光谱的差值所决定。所有太阳能电池基于他们制作材料的不同，允许吸收的光谱部分也存在差异。量子效应曲线图

图 1. 光谱辐照度的变化涉及高度，时间和投射角度的变化

白皮书: 高空长航时飞行器的太阳能选择方案

page 3

能用太阳能电池光谱响应图来表示。其中的不同能使用光谱效率图来解释。总之，光谱效率将由随时间变化的太阳能电池表现所决定。

图 2. 伴随光谱的变化，功率输出将由量子参数和光谱响应曲线共同决定

投射角太阳光被太阳能电池所捕获时的角度，或称投射角，不仅仅由每年或每天中时间的不同所决定，还由飞行器的倾斜角度来决定。理想条件下，功率损耗将满足余弦定理。但是，制造商选择不同的太阳能制作材料将有效背离余弦定

适用性能指标目前的光伏产业被许多大型商用太阳能制造商所统治，应用领域主要涵盖大规模公共，商业及住宅发电。其中，最令人关注的参数为转换效率，但仍有许多指标和太阳能技术应被考虑用来针对特殊环境下高空长航时飞行器的运作和研究。

功率重量比为了有效维持高空长航时的飞行，不必要的重量将被省略。通常情况下太阳能电池板将被整合并嵌入悬臂式机翼中，其重量也将无法避免的导致飞行器本身负重的增加。作为结果，功率重量比将被作为飞行器在太阳能应用领域主要的指标用来进行评估和考量。实际上太阳能电池片总共的重量不仅仅包括电池片本身的重量，还要加上为了适应不同环境在其表面所封装薄膜的重量。

图3. 完美的太阳能电池将遵循余弦定理

page 4page 4

白皮书: 高空长航时飞行器的太阳能选择方案

功率面积比对于飞行器在太阳能领域的另一项重要考量，涉及最小化面积，其参数能被测量通过使用功率面积比。功率面积比不应该被仅仅计算在单元级别，其阵列级别的计算有必要被涉及和考虑。在特定的阵列水平情况下，填充因子将决定有效的机翼面积，用来满足特定的功率要求。

填充因子填充因子对于阵列水平的功率面积比起到至关重要的作用。太阳能电池制造商利用填充因子的性质最大程度的发挥机翼的可利用面积来帮助设计自定义大小和形状的太阳能电池。

300

200

100

0 0 500 1000 1500

Wat

ts p

er sq

uare

met

er

Watts per kilogram

Mass and Area Ratios

c-Si CIGS

Traditional GaAs

Advanced c-Si

Alta DevicesSingle Junction

Alta DevicesDual Junction

Data is for fully encapsulated modules or submodules and includes bypass diodes and interconnect ribbons.

轻便整合理想化的太阳能技术避免对现有的飞行器设计和加工程序造成不必要的限制。但众所周知，现有的太阳能电池技术在加工和设计方面将不同程度的造成一定限制。单纯就厚度，可塑性，和可承受的加工步骤都将作为主要因素进行考虑，例如真空成型法作为众多流程中的一部分，应用不同的设计方案将会获得不同的成型结果。毋庸置疑，越轻薄的太阳能电池片将越容易进行整合，因为他们易弯曲和耐久的特性更能抵御外力的破环。另外电池片也能被应用不同的塑料薄膜进行封装，或者为其表面喷射涂层进行保护。因为轻薄的薄膜在维持高功率比的情况下，也将提供光滑的表面用来获得最佳的空气动力学性能。

耐久性和可靠性高空长航时飞行器需要在苛刻的环境条件下进行运转和飞行。这意味着，它不仅仅需要在极端的温度条件下完成震动和伸缩式飞行，还要在不同高度条件下完成起飞和降落并同时克服碰撞和磨损造成的影响。最终，在无需维护的条件下，太阳能必须保证飞行器维持数月的不间断飞行。现如今许多高空长航时飞行器的设计正尝试应用更高的总线电压以便降低接线的重量用来获得更高效的推进力，但过高的电压可能导致失效模式的发生，因为在低电压的测试条件下太阳能电池片不能发挥其应有作用。如果该太阳能子模

图 4. 质量和面积参数是高空长航时飞行器的重要参数指标

填充因子能被计算通过收集原子填充因子的变化量

白皮书: 高空长航时飞行器的太阳能选择方案

page 5

块被粘附在飞行器表面，粘附系统必须能够彻底的通过审核，并且与之配套的封装系统也随之通过相似审核用来保护该太阳能电池片。因此选择正确的技术供应商显得尤为重要，因为自愿投资必要测试并持续不断提供相关数据服务将成为高空长航时飞行器设计发展的基础。

价格集中于购买所能换取的全面价值是重要的。当前大量太阳能电池制造商所提供的太阳能电池必须由高空长航时飞行器制造商进行相关的联系和保护，或者由第三方提供相关服务。另外，相关联集成和测试服务花费则需要飞行器制造商额外进行支出。毋庸置疑，产品价格是一项重要的衡量指标，但是周期成本在太阳能电池领域显得更加重要。

技术领域 现如今超过二十种太阳能技术正在被不同类型的制造商和研究机构应用和实施。总体来讲，这些技术能被分为两大类别：晶片型和薄膜型。这里我们将集中阐述适合整合并嵌入飞行器的太阳能技术。以晶片技术为基础的材料包括晶体硅（c-Si）和砷化镓(GaAs)。而以薄膜技术为基础的材料可以分为非晶硅（a-Si）,铜铟镓硒（CIGS），光伏砷化镓薄膜（thin-GaAs）。

晶片技术

晶体硅太阳能电池 (c-Si)以晶体硅材料为基础所生产的太阳能电池占据了当前市场上最大的份额，通常以6英寸大小的晶片作为生产样板，在标准测试条件下此项技术将达到接近17%的转化效率（一些最新科技手段可能会使转化率最多达到20%左右）。另外使用该材料所产生的太阳能电池晶片厚度普遍在0.2mm，但由于其易碎的特性，必须对其采用较厚的压层材料进行封装以便适应不同环境的影响，因此封装后的电池片重量将增加三倍或更多。现如今以晶体硅为材料的太阳能市场已经被许多大型制造商所统治，他们可能不愿为需求量较低的飞行器生产商提供太阳能电池片。综上所述，以晶体硅为材料的太阳能电池片具有较为成熟的生产技术并在标准测试条件下具有较高的转化率。

柔性太阳能薄膜电池能被轻松整合

page 6page 6

白皮书: 高空长航时飞行器的太阳能选择方案

砷化镓太阳能晶片电池 (GaAs) 早在1970年，砷化镓太阳能电池被首次开发能够提供较之晶体硅更高的转化效率 （22-30%）。与晶体硅类似，生产砷化镓（GaAs）太阳能电池所需的晶片也具有易碎的特性，但其晶片价格却大约是晶体硅（c-Si）的100倍。因此，砷化镓（GaAs）太阳能电池被独家应用在太空领域，并且其绝大部分供应商把注意力集中在砷化镓的多结产品上。这是因为多结产品能够获得更高的转化效率（26-35%）但是其制作费用却高于单结产品。作为结果，少量的供应商提供较少的年供货量垄断着多结产品。尽管砷化镓（GaAs）太阳能电池能够提供较高的可用转化率但其却有着高额的生产成本。

超轻薄太阳能薄膜电池片 薄膜太阳能电池片是以极薄的半导体材料为基础制作而成，其厚度与之前的晶片型电池片相比要薄上100倍，因此这些电池片能被制成非常轻和薄的太阳能电池板。下面我们将集中介绍此类太阳能电池片。

铜铟镓硒 (CIGS) 一个较为普及的薄膜太阳能技术是基于铜铟镓硒（CIGS）所建立的。其具有易弯曲特点的太阳能电池片能够被装配在金属箔片表面用来提供大面积转化率可达到13%的太阳能源

（标准测试条件下）。但由于CIGS在空气和潮湿环境下极易受到影响，为了保证其使用寿命，必须将其密封封装在配套设备中。因此这

将无可避免的导致该产品重量的增加并将降低其一体化的选项。而且在高温和低光照条件下，CIGS的转化效率也会随之降低。另外由于其较差的抗潮特性也将对集中整合造成影响。

除非采取适当保护，否则基于晶片的太阳能薄膜很极易受损

白皮书: 高空长航时飞行器的太阳能选择方案

page 7

非晶硅 (a-Si)轻质的非晶硅（a-Si）太阳能电池片拥有较为成熟的技术、便宜的价格，抗潮湿和空气的特性，并且容易整合使其能够在现实条件下提供较好的能量产出。然而该材料电池片的转化效率相对较低（约为8%），在飞行器本不充足的表面很难提供其所需要的能量。

薄膜砷化镓(Thin GaAs) 薄膜砷化镓是较为新型的技术能够提供较高的转化效率（25%-35%）并且不像传统高产能的砷化镓太阳能电池片，它们还具备轻薄柔性的特点。此项技术所提供的功率重量比系数可达到惊人的1 kW/kg并且在导线面受限的情况下仍可提供较高的转化率输出。其抗潮湿和空气的特点，使之比起铜铟镓硒（CIGS）电池片更容易实现一体化。由于其仅仅被生产和加工来自特定的公司，这也促使客户更容易自定义其产品的几何和电路结构，方便满足客户需求。另外比起传统的砷化镓电池片，薄膜砷化镓电池片可实现更小的尺寸，使之满足飞行器特定的组装密度。

某些技术具有柔性的特点但却需要极重的材料进行封装.

较低填充因子实例

©2017 Alta Devices. All rights reserved. page 8

| 545 Oakmead Parkway, Sunnyvale, CA 94085 | www.altadevices.com

AnyLight is a trademark of Alta Devices. WP SOLAR-FOR-HALE 201707-001-CHN

关于阿尔塔设备公司阿尔塔设备公司 (www.altadevices.com) 现如今保持着单结太阳能薄膜电池片转化率的世界纪录（28.8%）。它所制造并生产的超轻薄砷化镓太阳能电池片，工厂位于美国加州森尼维尔市，并为全球范围内的客户提供相应的应用工程师服务。info@altadevices.com.

白皮书: 高空长航时飞行器的太阳能选择方案

技术类比技术领域 功率重量比 功率面积比 填充因子 耐久性/可靠性 易整合 价格

薄膜性阿尔塔设备公司（薄膜砷化镓） 高 高 高 高 高 中多结薄膜砷化镓 高 高 低 高 低 高铜铟镓硒 中 低 中 低 中 低非晶硅 低 低 高 中 高 低

晶片型晶体硅 低 中 中 中 低 低多结晶片砷化镓 中 高 低 中 低 高

结论薄膜砷化镓（Thin GaAs）太阳能电池其独特的性质能够适用于特殊环境条件并满足高空长航时飞行器的任务需求。特别对于阿尔塔设备公司，其高度配置的单结薄膜砷化镓太阳能电池具有在五年内实现较低价格批量生产的目标。最终，其高性能和廉价的太阳能电池将促进高空长航时飞行器产业的持续增长。尽管太阳能和高空长航时无人机生产商在接下来的数年中仍面临着诸多急需解决的问题，但其成功将延展信息时代并将人类带到更远的未来。