臺灣博碩士論文加值系統

本文旨在對於太陽能無人飛行載具之動力系統設計進行研究與探討，內容由動力系統需求開始，探討太陽能電池、蓄電池組、推進與電源管理等次系統的需求，為滿足各次系統需求，分別對於各次系統之重要元件進行分析與探討，並以探討之結果建構系統設計流程。以日照充足時的飛行及日照不足時2.5小時飛行的動力系統需求為例，當太陽能電池的效率為16%時，太陽能電池所需面積為5.47平方公尺；使用的二次電池能量密度為196Wh/kg，所需電池總重為6.09公斤。

This paper aims at the power system design of Solar Powered Uninhabitant Aerial Vehicle. Starting with the system requirements, the study discusses the requirement designs of the solar cell, the battery, the propulsion and the power management subsystems. At the end, the result obtained is used to construct the procedure of the system design. For the requirement of flying during daylight and during insufficient solar power for 2.5 hours, the area of solar cells is 5.47m2 while the solar cell efficiency is 16%, and the mass of secondary battery is 6.09kg while the energy density is 196Wh/kg.

致謝 ii
中文摘要 iii
英文摘要 iv
目錄 v
圖目錄 vii
表目錄 viii
第一章 緒論 1
1-1研究動機 1
1-2系統需求 3
1-3次系統簡介 4
第二章 次系統基礎設計 6
2-1次系統基礎需求 6
2-1-1太陽能電池 6
2-1-2蓄電池組 8
2-1-3電源管理次系統 10
2-1-4推進次系統 11
2-2太陽能電池基礎設計 11
2-2-1太陽能電池光電轉換原理 12
2-2-2各種太陽能電池特性比較 14
A. 矽太陽能電池 14
B. Ⅲ-Ⅳ族化合物半導體太陽能電池 18
2-2-3太陽能電池選擇 19
2-3蓄電池組基礎設計 20
2-3-1電池種類 20
A. 二次電池 21
B. 燃料電池 25
2-3-2蓄電池組選擇 33
2-4 電源管理次系統基礎設計 34
2-4-1最大功率追蹤電路 34
2-4-2 控制晶片 35
2-4-3 充電電路 35
2-4-4 直流-直流換流器 36
2-5推進次系統基礎設計 36
2-5-1馬達 37
2-5-2 螺旋槳 39
第三章 系統設計 43
3-1系統設計流程概述 43
3-2次系統設計 44
3-2-1推進次系統 44
3-2-2蓄電池組 53
3-2-3太陽能電池 55
3-2-4 電源管理次系統 57
第四章 設計實例 66
4-1 電池動力無人飛行載具PONY 66
4-2 太陽能動力無人飛行載具「羲和」 72
第五章 結論 76
參考文獻 78
圖一、太陽神號(HELIOS) 2
圖二、太陽能無人飛行載具動力系統架構圖 5
圖三 單晶矽太陽能電池 15
圖四、多晶矽太陽能電池 16
圖五、非晶矽薄型太陽能電池 18
圖六、圓柱型鋰離子二次電池 24
圖七、鋰高分子二次電池 24
圖七、質子交換膜燃料電池 30
圖八、再生式燃料電池工作示意圖 31
圖九、金屬儲氫瓶 32
圖十、HELIOS用再生式燃料電池 33
圖十一、動力系統設計流程圖 44
圖十二、槳葉元素概念圖 47
圖十三、速度與力方向關係圖 48
圖十四、自由流經螺旋槳加速示意圖 49
圖十五、螺旋槳設計計算流程圖 52
圖十六、系統設計計算流程圖 59
圖十七、PONY用馬達 67
圖十八、PONY用鋰高分子二次電池 69
圖十九、裝載在PONY上的太陽能電池 70
表一、各種太陽能電池性能比較表 19
表二、二次電池特性比較表 22
表三、燃料電池效率區分 26
表四、燃料電池特性比較表 29
表五、儲氫系統性能比較表 32
表六、鋰離子二次電池與再生式燃料電池特性比較 33
表七、馬達特性參數對於系統設計的影響 46
表八、PONY動力系統設計所需飛行與氣動力參數表 66
表九、PONY電力預估與計算 71
表十、「羲和」動力系統設計所需飛行與氣動力參數表 72

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