我國突破氫燃料電池瓶頸，創(chuàng)造多旋翼垂直起降無人機(jī)續(xù)航世界紀(jì)錄
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-14 12:49
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血汗寶馬聞名靠的是馬力，一輛車的好壞在于發(fā)動機(jī)。玩過無人機(jī)，或者對其稍有了解的朋友都知道，無人機(jī)最讓人尷尬的一點可能就是幾乎雞肋的續(xù)航時間，所以電池是無人機(jī)的核心。電池續(xù)航時間短一直是限制無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的瓶頸，普通消費級無人機(jī)的續(xù)航時間一般在30分鐘左右，工業(yè)級多旋翼無人機(jī)的續(xù)航時間一般也在1小時以內(nèi)。航時是多旋翼無人機(jī)解決一切作業(yè)難題的先決條件，一旦解決了航時問題，將會極大地擴(kuò)展多旋翼級無人機(jī)應(yīng)用場景和用途，許多之前因為航時有限而造成的問題將迎刃而解。
目前市場上的無人機(jī)多使用鋰電池，因為洽購方便，工藝幼稚，但也存在明顯缺陷，如電芯無法做到100%均衡充放電，充電時間較長，最關(guān)鍵的還是續(xù)航能力弱，300克重量的鋰電池，理論上只能讓500克重的無人機(jī)飛行17分鐘，這一問題困擾著整個無人機(jī)行業(yè)。相較之下，氫燃料電池優(yōu)勢更明顯。相比于鋰電池，氫燃料電池性能衰減小，續(xù)航時間更長，加注時間更短。
HYDrone1800在阿布扎比國際展
氫燃料電池的其實已不是什么全新的技術(shù)，20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)勝利地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。
進(jìn)入70年代以后，隨著人們不竭地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，很快，氫燃料電池就被運用于發(fā)電和汽車。波音公司于2008年4月3日勝利試飛氫燃料電池為動力源的一架小型飛機(jī)。
但電力繼航時間長久以來都沒能解決。氫燃料電池的工作原理氫燃料電池基本工作原理是將氫氣送到燃料電池的陽極板（負(fù)極）經(jīng)過催化劑（鉑）作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過質(zhì)子交換膜，達(dá)燃料電池陰極板（正極）與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不竭地給陽極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時把水（蒸氣）帶走，就可以不竭地提供電能。由于氫燃料電池不儲能，確切的講應(yīng)該稱為氫發(fā)電裝置。
氫燃料電池原理圖
氫氣的來源問題氫氣不像氮氣和氧氣是空氣中的最主要組成因素，想得到氫氣可以通過電解水，但這可是個不太經(jīng)濟(jì)的方法，能量損失極大！如果單純的把氫氣儲存，不制造，每次用完充氣，這個在氫氣用完后的手續(xù)就會麻煩多了如果做成一次性的那老本將十分高昂。
燃料電池將是未來電池的發(fā)展方向，現(xiàn)在仍需加大燃料電池的研究力度，開發(fā)出更高效的燃料電池，同時克服現(xiàn)在存在問題。
最近深圳的一家工業(yè)用無人機(jī)制造廠商科比特航空突破氫燃料電池瓶頸，發(fā)布了全球首款產(chǎn)品化的氫燃料電池?zé)o人機(jī)—HYDrone1800。
HYDrone-1800在阿布扎比國際展上
2月19日，由中航技進(jìn)出口公司和科比特航空聯(lián)合推出的多旋翼垂直起降無人機(jī)HYDrone-1800第十三屆阿布扎比國際展上引起參會者關(guān)注。
HYDrone-1800采用先進(jìn)的氫燃料電池系統(tǒng)，締造了該級別無人機(jī)270分鐘續(xù)航的新世界紀(jì)錄。續(xù)航時間根據(jù)氣瓶容積不同分為幾個級別：5升氣瓶大概 90分鐘，9升氣瓶為180分鐘，14升氣瓶大概270分鐘。
動力方面，HYDrone-1800采用6軸設(shè)計，軸距約1.8米，全碳纖維一體成型，可實現(xiàn)工業(yè)級三防（防火、防雨、防塵）即使單槳發(fā)生故障，也可以保險降落。
HYDrone-1800氫混合動力無人機(jī)的最大載重達(dá)25公斤，最大飛行半徑100公里，同時具備超遠(yuǎn)距離圖像傳輸、超視距遙控、精準(zhǔn)定位導(dǎo)航等功能?？捎糜陂L時間的巡航檢測和工業(yè)級勘察，更能夠在消防、救援等領(lǐng)域發(fā)揮作用。
在外觀上，“奧德修斯”的最大特征，就是在機(jī)翼表面、尾翼邊緣和垂直尾翼上都覆蓋了太陽能電池。Aviation Week & Space Technology的最新報道引用極光飛行首席技術(shù)官和無人駕駛飛行系統(tǒng)副總裁湯姆·克蘭西(Tom Clancy)的說法表示：“把太陽能電池集成到飛機(jī)的結(jié)構(gòu)中，提供了相對較高的功率重量比。”
與“奧德修斯”本身的設(shè)計理念和性能特征相比，賦予了“奧德修斯”無限飛行能力和最大載荷能力的太陽能電池技術(shù)更加值得關(guān)注。因為對于無人機(jī)行業(yè)來說，這很可能是革命性的。
而對于中國人來說，似乎更有理由去了解為“奧德修斯”提供太陽能電池的公司及其技術(shù)——因為正是漢能控股集團(tuán)旗下子公司Alta Devices(以下簡稱“漢能阿爾塔”)的砷化鎵柔性太陽能電池陣列與復(fù)合表面板，在背后為“奧德修斯”打破世界紀(jì)錄提供了技術(shù)支撐。
無人機(jī)突破
近年來，全世界出現(xiàn)了一大批致力于在民用市場和消費級市場推廣、普及無人機(jī)技術(shù)的公司，這其中以來自中國的大疆最為著名。但對于無人機(jī)行業(yè)來說，無法回避的問題是，在動力方案上無論采用鋰電池、氫燃料電池等，還是采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電等，續(xù)航時間較短都是制約行業(yè)發(fā)展的主要問題之一。
公開資料顯示，當(dāng)前多旋翼無人機(jī)的續(xù)航世界紀(jì)錄是7小時17分。一架普通的大疆消費級航拍無人機(jī)，大概會配置容量為5000毫安左右的鋰電池，續(xù)航時間大約為半小時。
隨著民用和消費級無人機(jī)市場的不斷壯大，為了改善續(xù)航現(xiàn)狀，更多的動力方案被探討和采用。其中一種方案就是，在無人機(jī)上安裝太陽能電池，當(dāng)陽光充足的時候，讓太陽能電池自動吸收能量，并儲存在電池內(nèi)部作為動力來源，進(jìn)而解決無人機(jī)的續(xù)航問題。不過，這要求電池必須是輕薄的、柔性的，既可以為無人機(jī)提供動力，又不能增加負(fù)擔(dān)。
在薄膜太陽能領(lǐng)域擁有較多核心技術(shù)的漢能，就瞄準(zhǔn)無人機(jī)市場做了諸多的嘗試。比如將砷化鎵薄膜太陽能電池應(yīng)用在無人機(jī)上，研發(fā)出續(xù)航時間為6~10小時、作業(yè)范圍為400~700公里的固定翼工業(yè)級太陽能無人機(jī)。公開資料顯示，這種無人機(jī)與常規(guī)的純電池動力無人機(jī)相比，不僅在續(xù)航時間和作業(yè)范圍上提升較大，而且取得了較大的性能升級。
極光飛行的“奧德修斯”也很好地驗證了上述這些說法。根據(jù)湯姆·克蘭西的介紹，“奧德修斯”不僅可以承載比同類其他任何無人機(jī)更大的有效載荷，而且有更好的適應(yīng)性和可重新配置性，搭載專業(yè)觀測設(shè)備以后，可觀測到關(guān)鍵且復(fù)雜的環(huán)境退化因素，包括植被、冰川覆蓋甚至地面水分等數(shù)據(jù)，將成為天氣及氣候研究的理想設(shè)備。
提升砷化鎵轉(zhuǎn)化率
實際上，就在極光飛行推出“奧德修斯”之前，漢能阿爾塔剛剛再次刷新了單結(jié)砷化鎵電池的世界紀(jì)錄。根據(jù)世界三大再生能源研究機(jī)構(gòu)之一的德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所(Fraunhofer ISE)的權(quán)威認(rèn)證，漢能阿爾塔砷化鎵薄膜單結(jié)電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到29.1%，成為新的世界紀(jì)錄。
公開資料顯示，砷化鎵薄膜單結(jié)電池轉(zhuǎn)換效率的世界紀(jì)錄2010年被Alta Devices突破。此后，Alta Devices連續(xù)6次刷新自己創(chuàng)造的世界紀(jì)錄。在29.1%之前，Alta Devices上一次的世界紀(jì)錄，是2018年上半年創(chuàng)造的28.9%。
漢能控股集團(tuán)于2014年8月完成對Alta Devices的收購，并由此開始一直牢牢把握著砷化鎵薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換率紀(jì)錄。到目前為止，在砷化鎵薄膜太陽能領(lǐng)域，漢能不僅擁有單結(jié)電池29.1%的世界紀(jì)錄，而且擁有雙結(jié)電池31.6%以及量產(chǎn)組件25.1%的世界紀(jì)錄。
作為一項面向未來的薄膜太陽能技術(shù)，在相同面積下砷化鎵技術(shù)能夠產(chǎn)生的效能，可以達(dá)到普通柔性太陽能電池的2倍到3倍，是目前全世界轉(zhuǎn)換率最高的薄膜太陽能技術(shù)。
“隨著我們?nèi)找孢~向自動化機(jī)械時代，能夠不間斷獲得能源補充變得愈發(fā)重要。”Alta Devices首席營銷官里克·卡普斯塔(Rich Kapusta)表示。里克·卡普斯塔認(rèn)為，隨著自動化機(jī)械的趨勢日益明顯，人類需要一種能量來源，這種能量來源既可以不間斷地產(chǎn)生電力，又幾乎不會改變接收電力的物體形態(tài)。多年來，漢能阿爾塔專注于用砷化鎵薄膜太陽能技術(shù)，為希望實現(xiàn)能源自治的產(chǎn)品和系統(tǒng)提供電能。“阿爾塔的目標(biāo)是幫助實現(xiàn)更為廣泛的自治系統(tǒng)，并持續(xù)引領(lǐng)薄膜太陽能行業(yè)，我們相信這是實現(xiàn)自主創(chuàng)新的最佳方式。”漢能阿爾塔首席執(zhí)行官丁建說。
漢能阿爾塔是這樣說的，也是這樣做的。漢能薄膜發(fā)電集團(tuán)相關(guān)人士表示，由于砷化鎵薄膜太陽能電池技術(shù)具有轉(zhuǎn)換效率高的特點，同時兼具輕、薄、柔的特性，這使得薄膜太陽能芯片能夠在不影響產(chǎn)品外觀設(shè)計的情況下，廣泛應(yīng)用于汽車、無人機(jī)、無人駕駛系統(tǒng)、衛(wèi)星、消費類電子產(chǎn)品、傳感器、遠(yuǎn)程探測等各種應(yīng)用領(lǐng)域。
開創(chuàng)“移動能源”新時代
不僅是砷化鎵薄膜太陽能領(lǐng)域，在銅銦鎵硒薄膜太陽能領(lǐng)域，漢能同樣擁有世界領(lǐng)先的技術(shù)水平，目前的最高轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了21%。
漢能之所以在薄膜太陽能技術(shù)的多個領(lǐng)域擁有領(lǐng)先優(yōu)勢，與此前幾年的技術(shù)儲備不無關(guān)系。公開資料顯示，2012~2014年間，漢能控股集團(tuán)在全球光伏太陽能行業(yè)整體低迷的背景下持續(xù)逆勢投入，先后完成了對德國銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池制造商Solibro、美國銅銦鎵硒薄膜太陽能電池制造商Miasolé和Global Solar Energy(GSE)、美國柔性砷化鎵薄膜太陽能電池制造商Alta Devices公司的收購，為今天漢能擁有并掌握柔性薄膜太陽能生產(chǎn)線核心裝備的自主設(shè)計和制造能力奠定良好的基礎(chǔ)。
收購?fù)瓿梢院?，漢能積極對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行整合消化，并且持續(xù)穩(wěn)定地投資研發(fā)，讓漢能的技術(shù)研發(fā)基地和產(chǎn)品研發(fā)中心遍布美國、瑞典、德國、中國北京、中國成都等，共擁有2000多名研發(fā)人員。截至2018年11月26日，漢能全球累計申請專利8600件，累計授權(quán)專利1880件。目前，漢能阿爾塔單結(jié)砷化鎵薄膜太陽能量產(chǎn)組件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到25.1%，子公司Solibro的玻璃基大面積銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能量產(chǎn)組件的光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到18.72%；子公司MiaSolé采用濺射法制造的柔性銅銦鎵硒薄膜太陽能量產(chǎn)組件的光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到19.4%，均為目前全球最高水平。
