全太阳能飞艇：新能源浮空器热起来

5月27日，一艘太阳能飞艇在南非成功试航。飞艇是由中国企业和外国科研机构开发的，完全由安装在背后的太阳能电池板转化而来的电能驱动，是飞艇中的“新能源”的一员。

■我们的记者袁一学

在一个庞大的飞机家族中，飞艇没有飞机那么强大，但是研究飞艇的研究人员仍然渴望将新能源应用到飞艇上。对于主要在平流层“移动”的飞艇来说，太阳能无疑是最佳选择。

然而，与飞机不同的是，飞艇表面几乎没有飞机，形状更像大型气球。漂浮的力量来自氦气，它比气球中的空气轻。正是由于这些外部特征，在飞艇上安装太阳能电池是一个巨大的挑战。

5月27日成功测试的飞艇被国内设计公司塔蒂亚飞艇公司称为全太阳能飞艇CA-21R，属于该公司的CA系列飞艇产品。“这种飞艇不同于以前的太阳能飞艇。它不依赖石油和电力的混合动力，而是利用太阳能飞行。”上海大雁飞艇制造有限公司董事长助理徐璐告诉《中国科学》。

太阳能飞艇

在这种全太阳能飞艇出现之前，许多痴迷于飞艇的研究人员也做过类似的实验。2011年，加拿大太阳能飞艇公司开发的太阳能飞艇有一个奇怪的三角形，背部覆盖着太阳能电池板。他们声称太阳能飞艇结合了飞艇轻松的特点和有翼飞机的优点，不需要任何道路或轨道。因此，它可以在没有着陆点或跑道的偏远地区完成医疗急救、野生动物监测、军事侦察和重型货物运输等任务。

不过，徐璐表示，以前的太阳能飞艇都是与燃料发动机结合使用的，所以它们是混合式太阳能飞艇，但所有太阳能飞艇的动力都来自太阳能电池。

全太阳能飞艇有很大的优势。长期以来，“无论哪种飞艇，其技术瓶颈都是物质、能量和漂浮重量的平衡。然而，全太阳能飞艇的出现有效地解决了后两个问题。油耗降低后，不会产生额外的升力，也无需担心较轻的飞越造成的控制困难。”徐璐解释道。

在动力方面，全太阳能飞艇的能量系统相对简单，不仅有利于能量的需求和转换，而且使得由太阳能电池组成的飞艇能量系统能够保证飞艇长时间在高空工作。“随着高度的增加，石油动力的动力都呈下降趋势，而所有太阳能船都可以有效地减少这一趋势。例如，在海拔超过8000米的地方，不具备增压功能的飞艇中常用的活塞和涡轮螺旋桨发动机无法正常工作，但发动机可以。”徐璐说。此外，由于飞艇使用电机提供动力，维护相对简单，省时省力。

除了上述优点，全太阳能飞艇也为救灾提供了新的思路。因为，当自然灾害发生时，救援力量如何能尽快到达灾区提供应急电源、应急通讯等服务，无疑是一个生死攸关的重要问题。与更常见的救援直升机相比，全太阳能飞艇不仅能在灾后快速升空，避开损坏的地面道路，快速到达灾区的天空，还能通过全身使用太阳能电池为灾区提供应急电源、通讯等服务。

此外，由于太阳能的持续供电，全太阳能飞艇可以长期“站岗”和“值班”，充分发挥其在火灾预警和灾害调查、警察反恐等领域的优势。

多种技术决定飞艇的发展

如今，世界上越来越多的国家都在致力于发展太阳能飞艇，中国也不例外。中国科学院光电研究所也在进行太阳能飞艇的研究。在研究所的大型船库内，搭建了一个模拟太阳能电池在真实飞艇上铺设的试验平台，试验平台上放置了各种柔性太阳能电池。中国科学院光电研究所气球中心系统综合部副主任杨延初博士告诉《中国科学报》，柔性太阳能电池具有良好的柔性，但转换率相对较低，目前约为10%，而普通硬质太阳能电池板的能量转换率可达20%~30%。此外，一些柔性太阳能电池的柔性有限，如果在铺设过程中弯曲到一定角度，就会损坏。因此，为了节约成本，他们还专门制作了一些模拟太阳能电池板的“假电池板”来测试铺设过程和技术。为了使测试的模拟程度更高，测试台本身也可以调整角度，这样在进行室外测试时，研究人员就可以实际测量不同太阳照射角度与太阳能电池转换率之间的关系。

除了找到太阳能电池和飞艇的最佳组合，研究人员还需要解决如何在飞艇蒙皮上安装太阳能电池的问题。由于飞艇需要适应平流层的恶劣环境，其蒙皮由老化层、空气阻隔层、粘合层、织物层等多层材料组成。如果您想更有效地将太阳能电池安装在船体外壳外，您需要在地面上对太阳能电池组件本身进行具体的改进，然后根据实际飞行所需的铺设面积与船体外壳连接。“这涉及到两个问题:一个是地面上遇到的问题，即在地面上的混凝土铺设过程中，由于铺设面积太大或膨胀期间船体变形不均匀，太阳能电池可能会损坏，因此需要对实际铺设过程进行深入细致的研究。第二个问题是在空气中遇到的问题，即根据能量守恒原理，太阳能电池将产生大量的“废热”，同时吸收热量将其转化为电能。这部分热量由于空气密度小，在高海拔地区散热效率低，所以无法迅速消散，所以会直接传递到船体蒙皮上。如果不加以控制，会对皮肤造成损害，因此有必要考虑在太阳能电池和皮肤之间直接安装隔热层。”杨延楚解释道。

如果飞艇长时间供电，需要大量的太阳能电池来提供能量转换，但是事实上，太阳能电池可以放置在飞艇上的面积是非常有限的。飞艇太阳能电池的部署只能在飞艇的上表面，而且必须满足飞艇的最大功耗徐璐说。

因此，目前可升至平流层高度的演示验证船仍处于试验阶段，全太阳能飞艇的成功试飞标志着飞艇向前迈出了关键的一步。高科技飞艇将首先应用于对流层飞艇和重型飞艇，然后应用于平流层飞艇徐璐说。

大规模生产需要时间。

不仅存在技术障碍，薄膜太阳能的高成本也是制约太阳能飞艇发展的一个因素。以柔性太阳能电池为例。目前，相对成熟和可用的柔性太阳能电池的成本高达每平方米数万元，而大型纯电动飞艇所需的太阳能电池通常需要数百平方米甚至数千平方米。

CA-21R是在南非成功测试的全太阳能飞艇，是一个总长度为21米、直径为4.62米、高度为6.5米、最高时速为32公里的测试项目。“它的太阳能电池板是半柔性的，实际面积为12平方米。空气停滞的设计时间是24小时，实际飞行时间是4小时。”徐璐说。

因为所有的能量都来自太阳能电池，当遇到恶劣天气或黑暗条件时，全太阳能飞艇使用储能电池储存的能量来工作，“这可以在短时间内得到保证，但也应该考虑到蓄电池组的容量和重量。太阳能电池和飞艇的重量之间的关系由飞艇系统的能量消耗决定，即太阳能电池的放置面积必须满足飞艇的最大能量消耗。”徐璐说。

“所以太阳能飞艇的未来发展一方面取决于太阳能电池技术和储能电池技术的发展；另一方面，能源管理技术也将是一个研究重点。”杨延初说:“理论上讲，一旦上述能源技术突破，太阳能飞艇将形成自身能源供应的闭环，这样它就可以在没有能源供应的情况下长时间停留在空中。然而，长期停留在空气中会带来其他问题，如漏气、皮肤和部件老化、系统可靠性下降等。，这将给飞艇这样庞大而复杂的系统带来隐患。因此，仍有一系列问题需要科研人员进一步研究和解决，以真正实现全太阳能飞艇的实用性和大规模生产。”