多項技術決定飛艇發展
　　由于具有高經濟性和環保性等特點，全球越來越多的國家在太陽能飛艇的開發研制工作上投入精力，我國也不例外。
　　中國科學院光電研究院也在開展太陽能飛艇的研究工作。在該院巨大的艇庫內，一個用以模擬真實飛艇上太陽能電池鋪裝的試驗臺已經架設完成，試驗臺上放置著正在開展試驗的各類柔性太陽能電池。中國科學院光電研究院氣球中心系統總體室副主任楊燕初博士告訴記者，柔性太陽能電池柔軟程度好，但是轉化率偏低，目前一般在10%左右，而普通硬式的太陽能電池板的能量轉化率則能達到20%~30%。另外，部分柔性太陽能電池的柔曲度有限，在鋪裝時如果彎折到一定角度就會損壞。所以，為了節省成本，他們也專門制作了一些模擬太陽能電池板的“假電池板”，用以測試鋪裝的流程和工藝。為了讓試驗的仿真度更高，試驗架本身還能夠進行角度的調節，這樣在進行戶外試驗時，科研人員便可實測出不同太陽照射角對應的與太陽能電池轉化率的關系。
　　除了尋找太陽能電池與飛艇的最佳組合方式，科研人員還要解決太陽能電池如何安裝在飛艇蒙皮上的問題。因為飛艇需要適應平流層惡劣的環境，所以蒙皮由老化層、阻氣層、膠層、織物層等多層材料復合而成，如果想將太陽能電池更為有效地安裝在艇體蒙皮外部，就需要在地面時，就對太陽能電池組件本身進行特定的改進，進而按照實際飛行需要的鋪裝面積與艇體蒙皮連接。“這其中涉及兩個問題：一是在地面遇到的問題，即在地面具體鋪裝過程中可能會因為鋪設面積過大或充氣時艇體變形不均勻造成太陽能電池無法保持平整而損壞，因此需要在實際鋪裝工藝進行深入細致的研究；二是在空中遇到的問題，即按照能量守恒的原則，太陽能電池在吸收熱量轉換成電能的同時，也會產生大量的‘廢熱’，這部分熱量因高空大氣密度稀薄，散熱效率低而無法快速消散掉，所以將直接傳遞到艇體蒙皮，如不加以控制將對蒙皮產生損傷，因此需要考慮在太陽能電池與蒙皮間直接加裝隔熱層。”楊燕初解釋道。
　　如果長時間提供給飛艇動力，就需要大量的太陽能電池提供能量轉換，但實際上，飛艇上可以鋪設太陽能電池的面積極其有限。“軟式飛艇布設太陽能電池只能在飛艇上表層，還必須滿足飛艇運行的最大用電量。”許璐表示。
　　所以，目前能夠上升到平流層高度的演示驗證艇尚在試驗階段，而全太陽能飛艇的試飛成功，標志著飛艇向前跨越了關鍵的一步。“該飛艇高新技術將在對流層飛艇和載重飛艇上首先應用，繼而推向平流層飛艇。”許璐說。

　　量產尚需時日
　　不僅在技術上存在障礙，薄膜太陽能高昂的成本也是制約太陽能飛艇發展的因素，以柔性太陽能電池舉例，目前，技術較為成熟可用的柔性太陽能電池成本高達每平方米幾萬元人民幣，而一架大型純電動飛艇所需的太陽能電池往往需要上百平方米甚至上千平方米。
　　此次在南非試飛成功的全太陽能飛艇CA-21R屬于試驗品，整體長21米，直徑4.62米，高6.5米，最大時速32公里/小時。“其太陽能面板使用的是半柔性的，實際使用面積12平方米。設計滯空時間24小時，實際飛行時間4個小時。”許璐介紹道。
　　因為動力全部來自太陽能電池，所以在遭遇惡劣天氣或遇到天黑的情況時，全太陽能飛艇利用儲能電池儲存的能量工作，“這在短時間是可以保證的，但也要考慮存儲電池組容量和重量。太陽能電池的重量與飛艇之間的關系是由飛艇系統的能耗決定的，即太陽能電池的鋪設面積必須滿足飛艇最大的用電量。”許璐說道。
　　“所以未來太陽能飛艇的發展一方面依賴于太陽能電池技術和儲能電池技術的發展；另一方面，能源管理技術也將是一個研究的重點。”楊燕初表示，“從理論上講，上面提到的能源技術一旦突破，太陽能飛艇將形成自身能源供給的閉環，由此將可以持久地駐留在天空而無須能源補給，但長期駐空所帶來的其他問題會隨之而來，比如氣體泄漏、蒙皮和零部件老化、系統可靠性下降等，這些都會給飛艇這樣一個龐大而復雜的系統帶來隱患，因此要真正實現全太陽能飛艇的實用化和量產還有一系列問題亟待科研工作者進一步研究解決。”


作者：袁一雪 來源：中國科學報 責任編輯：wutongyufg