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观点:阳光动力二号无实用价值 环保只是噱头

发布时间:2020-02-28 14:10编辑:使用说明浏览(195)

      2015年3月31日,“阳光动力2号”飞临中国。“阳光动力2号”是目前世界上最先进的太阳能飞机,号称不消耗燃料,依靠太阳能可做环球飞行。尽管“阳光动力2号”赚足了眼球,并以此成功拉到了财团的赞助,但是“阳光动力2号”的实用性和自相矛盾的环保理念,却备受争议。

      2009年6月26日,由瑞士探险家贝特朗·皮卡尔团队发起的“阳光动力”项目进入了实质性阶段,第一架“阳光动力”1号机HB-SIA(SOLARIMPULSE 1)与世人见面,拉开了太阳能飞机首次环球飞行的序幕。随后试飞员马库斯·舍德尔进行了首次试飞,并在7月7日实现太阳能飞机史上的第一次夜间飞行,全程持续26小时。26小时是第一个在夜间仅靠蓄电池工作的飞行时间世界纪录,同时也创下了9200米的飞行高度纪录。显然“阳光动力”1号取得了相当不错的开门红,在主要赞助商欧米茄和德意志银行的大力支持下,1号机开始了各种穿越欧洲和北美的飞行,苏黎世、布歇尔、马德里、图卢兹、旧金山、华盛顿等等都留下了它的足迹。

      “阳光动力”1号机开创了新的太阳能动力飞行时代,环球飞行的目的在于向世人展示太阳能可以用于飞行

      就在1号机顺风顺水在欧美“招摇过市”时,“阳光动力”2号机HB-SIB的设计蓝图很快就下发,2号机比1号机更大、聚光环保更重,1号机翼展为63米,2号增加到72米,超过了波音747-8的68.5米翼展,重量从1.6吨增加到2.3吨,太阳能电池的数量也从1.1万块增加到1.7万块,明显高大上了许多。2014年6月2日,“阳光动力”2号在伯尔尼空军基地帕耶讷进行了试飞,准备2015年进行首次环球飞行。

      2号机使用了4台电驱发动机,4块锂离子电池,重量为633公斤,可提供13KW的功率输出。最大飞行速度每小时140公里,巡航速度每小时90公里,升限1.2万米,基本属于龟速前进。聚光环保不过凭借其全程不使用一滴燃料的口号,2号机仍然赢得了全世界的目光。2号机的首飞时间目前已经确定,在3月9日上午开始,起点为阿联酋首都阿布扎比(拆卸前往),途径马斯喀特、艾哈迈达巴德、瓦拉纳西、曼德勒、中国重庆、南京、夏威夷、凤凰城、美国中西部、纽约、北非,最后返回阿布扎比。

      “阳光动力”2号机上使用的动力全部来自太阳能,自上个世纪80年代爆发商业太阳能开发浪潮之后,太阳能作为最原始的能源已经备受瞩目。太阳能发电主要有两个分支,第一个太阳能热发电,通过吸收太阳辐射热能并转换成电能,比如常见的塔式、槽式和盘式发电系统都属于聚光型热发电,当然还有非聚光型的,这部分技术主要用于建造太阳能发电站;太阳能发电的另一个分支就是本次阳光动力2号使用的太阳能电池,是原理是通过太阳能光发电,不需要将热过程就可以将光能转换为电能。

      太阳能光发电方式可在机翼上表面安装可有效吸收光辐射的太阳能级半导体器件,因此这也是当前太阳能汽车、飞机等交通工具的普遍动力来源。目前应用最为广泛的太阳能电池有耳熟能详的单晶硅电池,还有与此对应的多晶硅电池,以及另一种更高端的薄膜电池,主要用途取代单晶硅电池。这些太阳能电池各有其特点,许多人都知道单晶硅电池,这也是目前世界上技术最为成熟的太阳能电池,转换效率是最高的,可以达到23%以上,不过这只是实验室内的数据,一般规模化生产的单晶硅电池转换率在15%至20%之间。阳光动力2号上使用的就是单晶硅电池,转换效率为23%,应该是世界上最先进的水平了。

      阳光动力2号上使用的单晶硅电池属超薄型产品,仅135微米的厚度,比纸还薄,机翼上安装了1.7万块电池

      多晶硅电池看似有些更高端一些,但转换效率较低,一直被单晶硅打压着。不过近几年多晶硅的技术开始有所突破,效率也可以突破20%大关,但整体技术成熟度并没有单晶硅强悍。薄膜太阳能电池虽然是单晶硅电池的替代品,但加工和制造工艺还没有提上去,转换效率也没有单晶硅电池成熟。很显然阳光动力2号环球飞行使用单晶硅电池是必然之举,其电池供应商为美国的Sunpower公司,其也是美国最大的太阳能电池模块供应商。

      阳光动力2号上使用的单晶硅电池属超薄型产品,仅135微米的厚度,比纸还薄,机翼上安装了1.7万块电池。白天飞行时最大高度为8000米左右,这时候电能会被最大限度采集,除了提供给飞行需要外,还会将一部分电能存储在Kokam公司提供锂聚合物电池中,以供晚上飞行使用。该电池的能量密度为260Wh / kg,安装在四个发动机舱附近,由高密度泡沫和绝缘材料包裹,总重量为633公斤,为起飞质量的四分之一。

      “阳光动力”2号机HB-SIB的蓝图很快就下发,2号机比1号机更大、更重,1号机翼展为63米,二号增加到72米,超过了波音747-8的68.5米翼展

      阳光动力2号开启了太阳能动力载人飞行的时代,其意义是类似于上个世纪核动力推广时进行的环球航行。但是当前的太阳能飞行仍然具有非常大的局限性,只用于实验性质的轻型飞行器上,阳光动力2号算是当前世界上起飞重量最大的太阳能飞机,起飞质量为2.3吨,这与动辄上百吨质量的商业客机相比,实在是太轻了。

      阳光动力2号体型硕大,翼展堪比目前尺寸最大的F级客机,如波音747。这个庞然大物却是虚胖,只能乘坐飞行员一人,并不能运载乘客,更没有客机普遍拥有的卫生间。驾驶舱可以用简陋形容,既不增压,也不能加热,堪称复古。两名飞行员需要换班,同一时间内只能有一人在飞机上。飞行员相当于坐在马桶上开飞机,要嘘嘘时掀开座位就是,当然,睡觉也是在这个马桶上。

      从机翼面积上看,阳光动力2号为269平方米,太阳能电池板主要分布机翼、水平尾翼和机身上,几乎能被阳光照射的机体表面都覆盖上了,共1.7万块单晶硅电池。这些太阳能发电装置用于驱动2.3吨质量的机身,假如波音747的升阻比也做到阳光动力2号这样的水准,那么要让近300吨质量的747起飞显然是不可能的事儿。波音747的机翼面积为500多平方米,如果算上机身的部分面积,也仅比阳光动力2号大两至三倍,在747这一级别的客机上使用当前能量转换率仅为23%的单晶硅电池甚至没有讨论的意义。

      阳光动力2号上的太阳能电池厚度为135微米,一般在该领域都是以微米作为厚度单位,早期的电池厚度较大,300多微米的都有,效率却只有14%不到

      事实上,太阳能飞机作为一种新型能源飞机,其成功的关键在于如何分配能量,飞行器总体参数与高度之间的能量耦合是太阳能飞机的设计重点,其中涉及到起飞的功率输出、平飞功率以及平台总重量与总需求功率之间的关系等等复杂表达式。我们不妨从最简单的能量换算出发,看波音747与阳光动力2号之间的关系。阳光动力2号使用的单晶硅电池板数量为1.7万块,单块电池能量密度为260 Wh / kg,四台发动机配四块,其一天内收集的太阳能为340千瓦时,换算成焦耳大约是10的9次方;波音747的离地速度按300公里每小时、起飞质量300吨算,此时747的能量也大约在10的9次方,这就是说转换率为23%的1.7万块太阳能电池在24小时内收集的能量,仅仅能支持波音747离开地面一瞬间。

      当然这样的对比准确度不大,只能初步说明太阳能电池在航空飞行上应用的局限性,最大的问题在于太阳能电池的转换率太低。在太阳能飞机上应用的单晶硅电池还有一点特殊性,需要有一定的柔性,厚度要尽可能地薄。阳光动力2号上的太阳能电池厚度为135微米,一般在该领域都是以微米作为厚度单位,早期的电池厚度较大,300多微米的都有,效率却只有14%不到。美国国家航空航天局在1990年代末研制的太阳神号是太阳能飞机发展的转折点,全机身使用碳纤维制造,重量仅为590公斤,只有小汽车的一半质量,根据早午光照的不同可提供几十千瓦不等的电力供应,巡航速度为30多公里每小时。

      可以认为阳光动力2号是目前最先进的太阳能飞机,飞行采用白天高空飞行,夜晚降低高度的模式,高空飞行时高度为8500米,夜晚低飞高度为1500米,海平面速度在45至90公里每小时之间,最大高度的飞行速度为140千米每小时,基本上与汽车的速度相当,或是100年前萌芽阶段的早期飞机。目前喷气式客机的巡航速度,基本都在0.82-0.86马赫之间,换算约为800千米/小时。

      从目前的技术发展看,客机要使用太阳能电池作为主要动力显然还有相当长的路要走,除了太阳能电池的转换率太低外,单片电池能提供的功率也不够,这就使得现在的太阳能飞机几乎都是一种造型,翼展非常大,美国宇航局的太阳神号甚至没有尾翼结构,一旦遭遇坏天气就可能危及飞行安全。

      过低的全机重量,过大的翼展,以及尽可能提高升阻比的气动设计,意味着除了太阳能外,阳光动力2号还充分利用“风能”,用空气的流动辅助推动飞机,这也意味着阳光动力2号抵御气流的能力特别弱,较强的气流有可能破坏飞行姿态。

      针对太阳能电池板的生产制造,存在严重环境污染的问题,阳光动力二号研发团队绝口不提,对于业界的质疑,研发团队采取偷换概念的方式,不正面回答,只是一味强调在飞行过程中如何减少碳排放。太阳能电池板在生产过程中使用了氢氟酸、异丙醇之类的化学物质,产生的废水中就含有高浓度的氟化物,这种物质进入环境饮用水中可导致人体骨骼、神经系统等出现病症,处理起来花费又不菲。当太阳能电池板达到使用寿命后,回收也是个问题,诸如四氯化硅这样的物质对环境而言并不是一个好消息。规模化的回收需要大量使用无机酸和有机溶剂等化学物质,对环境的影响是深远的。因此生产和回收环节存在的瓶颈也是制约太阳能电池板规模化发展的重要因素。

      Facebook与谷歌都在使用太阳能无人机构建覆盖全球的无线网络。Facebook的“天鹰座”无人机可在60000英尺高度巡航数月之久无需落地,并搭载通讯设备,从天空向用户发射无线信号。

      网易航空认为,在太阳能电池转换效率实现量级突破之前,以太阳能为动力的飞机,只适合造无人机,不适合造有人机。这是因为需要飞机造的足够大,才能保证机翼有足够的面积贴轻薄的太阳能电池板。由于光能-电能转化效率过低,造成飞机尺寸巨大,而承载能力有限。以正在环球飞行赚足眼球的“阳光动力2号”为例,翼展超过波音747,远超Facebook的“天鹰座”无人机,却只能乘座一人,且无任何客机必须的客舱增压设备。

      太阳能飞机有长巡航时间的特性,动辄连续飞行几天,甚至数周数月不落地,对有人机不是必须的,甚至是没有意义的。对于无人机,用作通讯或监视平台,则是必须的。

      除非能耗转化效率出现革命性的跃进,而不是目前个位数的攀爬提升,否则动辄载数百人的客机要使用太阳能发电升空,并保持超过牛车的飞行速度,还有相当的难度。即使如此,太阳能飞机宣称的“环保”也并不纯粹,太阳能板生产回收也是一项沉重的环保负担。

      阳光动力2号飞行员贝特朗-皮卡尔所言意味深长,“阳光动力2号不是用来载客,而是用来承载信息的:驾驶着它来进行环球飞行本身就是一个向全世界推广清洁能源的绝佳方式。”网友评论则称,飞机不用来载客,造来何用?(作者:陈喆)

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    关键词: 聚光环保