我国突破氢燃料电池瓶颈，创造多旋翼垂直起降无人机续航世界纪录
来源：宝鄂实业
2019-03-14 12:49
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血汗宝马闻名靠的是马力，一辆车的好坏在于发动机。玩过无人机，或者对其稍有了解的朋友都知道，无人机最让人尴尬的一点可能就是几乎鸡肋的续航时间，所以电池是无人机的核心。电池续航时间短一直是限制无人机技术发展的瓶颈，普通消费级无人机的续航时间一般在30分钟左右，工业级多旋翼无人机的续航时间一般也在1小时以内。航时是多旋翼无人机解决一切作业难题的先决条件，一旦解决了航时问题，将会极大地扩展多旋翼级无人机应用场景和用途，许多之前因为航时有限而造成的问题将迎刃而解。
目前市场上的无人机多使用锂电池，因为洽购方便，工艺幼稚，但也存在明显缺陷，如电芯无法做到100%均衡充放电，充电时间较长，最关键的还是续航能力弱，300克重量的锂电池，理论上只能让500克重的无人机飞行17分钟，这一问题困扰着整个无人机行业。相较之下，氢燃料电池优势更明显。相比于锂电池，氢燃料电池性能衰减小，续航时间更长，加注时间更短。
HYDrone1800在阿布扎比国际展
氢燃料电池的其实已不是什么全新的技术，20世纪60年代，氢燃料电池就已经胜利地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。
进入70年代以后，随着人们不竭地掌握多种先进的制氢技术，很快，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。波音公司于2008年4月3日胜利试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机。
但电力继航时间长久以来都没能解决。氢燃料电池的工作原理氢燃料电池基本工作原理是将氢气送到燃料电池的阳极板（负极）经过催化剂（铂）作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，达燃料电池阴极板（正极）与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不竭地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水（蒸气）带走，就可以不竭地提供电能。由于氢燃料电池不储能，确切的讲应该称为氢发电装置。
氢燃料电池原理图
氢气的来源问题氢气不像氮气和氧气是空气中的最主要组成因素，想得到氢气可以通过电解水，但这可是个不太经济的方法，能量损失极大！如果单纯的把氢气储存，不制造，每次用完充气，这个在氢气用完后的手续就会麻烦多了如果做成一次性的那老本将十分高昂。
燃料电池将是未来电池的发展方向，现在仍需加大燃料电池的研究力度，开发出更高效的燃料电池，同时克服现在存在问题。
最近深圳的一家工业用无人机制造厂商科比特航空突破氢燃料电池瓶颈，发布了全球首款产品化的氢燃料电池无人机—HYDrone1800。
HYDrone-1800在阿布扎比国际展上
2月19日，由中航技进出口公司和科比特航空联合推出的多旋翼垂直起降无人机HYDrone-1800第十三届阿布扎比国际展上引起参会者关注。
HYDrone-1800采用先进的氢燃料电池系统，缔造了该级别无人机270分钟续航的新世界纪录。续航时间根据气瓶容积不同分为几个级别：5升气瓶大概 90分钟，9升气瓶为180分钟，14升气瓶大概270分钟。
动力方面，HYDrone-1800采用6轴设计，轴距约1.8米，全碳纤维一体成型，可实现工业级三防（防火、防雨、防尘）即使单桨发生故障，也可以保险降落。
HYDrone-1800氢混合动力无人机的最大载重达25公斤，最大飞行半径100公里，同时具备超远距离图像传输、超视距遥控、精准定位导航等功能。可用于长时间的巡航检测和工业级勘察，更能够在消防、救援等领域发挥作用。
在外观上，“奥德修斯”的最大特征，就是在机翼表面、尾翼边缘和垂直尾翼上都覆盖了太阳能电池。Aviation Week & Space Technology的最新报道引用极光飞行首席技术官和无人驾驶飞行系统副总裁汤姆·克兰西(Tom Clancy)的说法表示：“把太阳能电池集成到飞机的结构中，提供了相对较高的功率重量比。”
与“奥德修斯”本身的设计理念和性能特征相比，赋予了“奥德修斯”无限飞行能力和最大载荷能力的太阳能电池技术更加值得关注。因为对于无人机行业来说，这很可能是革命性的。
而对于中国人来说，似乎更有理由去了解为“奥德修斯”提供太阳能电池的公司及其技术——因为正是汉能控股集团旗下子公司Alta Devices(以下简称“汉能阿尔塔”)的砷化镓柔性太阳能电池阵列与复合表面板，在背后为“奥德修斯”打破世界纪录提供了技术支撑。
无人机突破
近年来，全世界出现了一大批致力于在民用市场和消费级市场推广、普及无人机技术的公司，这其中以来自中国的大疆最为著名。但对于无人机行业来说，无法回避的问题是，在动力方案上无论采用锂电池、氢燃料电池等，还是采用内燃机发电等，续航时间较短都是制约行业发展的主要问题之一。
公开资料显示，当前多旋翼无人机的续航世界纪录是7小时17分。一架普通的大疆消费级航拍无人机，大概会配置容量为5000毫安左右的锂电池，续航时间大约为半小时。
随着民用和消费级无人机市场的不断壮大，为了改善续航现状，更多的动力方案被探讨和采用。其中一种方案就是，在无人机上安装太阳能电池，当阳光充足的时候，让太阳能电池自动吸收能量，并储存在电池内部作为动力来源，进而解决无人机的续航问题。不过，这要求电池必须是轻薄的、柔性的，既可以为无人机提供动力，又不能增加负担。
在薄膜太阳能领域拥有较多核心技术的汉能，就瞄准无人机市场做了诸多的尝试。比如将砷化镓薄膜太阳能电池应用在无人机上，研发出续航时间为6~10小时、作业范围为400~700公里的固定翼工业级太阳能无人机。公开资料显示，这种无人机与常规的纯电池动力无人机相比，不仅在续航时间和作业范围上提升较大，而且取得了较大的性能升级。
极光飞行的“奥德修斯”也很好地验证了上述这些说法。根据汤姆·克兰西的介绍，“奥德修斯”不仅可以承载比同类其他任何无人机更大的有效载荷，而且有更好的适应性和可重新配置性，搭载专业观测设备以后，可观测到关键且复杂的环境退化因素，包括植被、冰川覆盖甚至地面水分等数据，将成为天气及气候研究的理想设备。
提升砷化镓转化率
实际上，就在极光飞行推出“奥德修斯”之前，汉能阿尔塔刚刚再次刷新了单结砷化镓电池的世界纪录。根据世界三大再生能源研究机构之一的德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)的权威认证，汉能阿尔塔砷化镓薄膜单结电池的转换效率达到29.1%，成为新的世界纪录。
公开资料显示，砷化镓薄膜单结电池转换效率的世界纪录2010年被Alta Devices突破。此后，Alta Devices连续6次刷新自己创造的世界纪录。在29.1%之前，Alta Devices上一次的世界纪录，是2018年上半年创造的28.9%。
汉能控股集团于2014年8月完成对Alta Devices的收购，并由此开始一直牢牢把握着砷化镓薄膜太阳能电池的转换率纪录。到目前为止，在砷化镓薄膜太阳能领域，汉能不仅拥有单结电池29.1%的世界纪录，而且拥有双结电池31.6%以及量产组件25.1%的世界纪录。
作为一项面向未来的薄膜太阳能技术，在相同面积下砷化镓技术能够产生的效能，可以达到普通柔性太阳能电池的2倍到3倍，是目前全世界转换率最高的薄膜太阳能技术。
“随着我们日益迈向自动化机械时代，能够不间断获得能源补充变得愈发重要。”Alta Devices首席营销官里克·卡普斯塔(Rich Kapusta)表示。里克·卡普斯塔认为，随着自动化机械的趋势日益明显，人类需要一种能量来源，这种能量来源既可以不间断地产生电力，又几乎不会改变接收电力的物体形态。多年来，汉能阿尔塔专注于用砷化镓薄膜太阳能技术，为希望实现能源自治的产品和系统提供电能。“阿尔塔的目标是帮助实现更为广泛的自治系统，并持续引领薄膜太阳能行业，我们相信这是实现自主创新的最佳方式。”汉能阿尔塔首席执行官丁建说。
汉能阿尔塔是这样说的，也是这样做的。汉能薄膜发电集团相关人士表示，由于砷化镓薄膜太阳能电池技术具有转换效率高的特点，同时兼具轻、薄、柔的特性，这使得薄膜太阳能芯片能够在不影响产品外观设计的情况下，广泛应用于汽车、无人机、无人驾驶系统、卫星、消费类电子产品、传感器、远程探测等各种应用领域。
开创“移动能源”新时代
不仅是砷化镓薄膜太阳能领域，在铜铟镓硒薄膜太阳能领域，汉能同样拥有世界领先的技术水平，目前的最高转换效率也达到了21%。
汉能之所以在薄膜太阳能技术的多个领域拥有领先优势，与此前几年的技术储备不无关系。公开资料显示，2012~2014年间，汉能控股集团在全球光伏太阳能行业整体低迷的背景下持续逆势投入，先后完成了对德国铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池制造商Solibro、美国铜铟镓硒薄膜太阳能电池制造商Miasolé和Global Solar Energy(GSE)、美国柔性砷化镓薄膜太阳能电池制造商Alta Devices公司的收购，为今天汉能拥有并掌握柔性薄膜太阳能生产线核心装备的自主设计和制造能力奠定良好的基础。
收购完成以后，汉能积极对相关技术进行整合消化，并且持续稳定地投资研发，让汉能的技术研发基地和产品研发中心遍布美国、瑞典、德国、中国北京、中国成都等，共拥有2000多名研发人员。截至2018年11月26日，汉能全球累计申请专利8600件，累计授权专利1880件。目前，汉能阿尔塔单结砷化镓薄膜太阳能量产组件光电转换效率达到25.1%，子公司Solibro的玻璃基大面积铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能量产组件的光电转换率达到18.72%；子公司MiaSolé采用溅射法制造的柔性铜铟镓硒薄膜太阳能量产组件的光电转换率达到19.4%，均为目前全球最高水平。
