CN102185528B - 一种太阳能温差能互补的热控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于长航时太阳能飞行器的太阳能与温差能互补的热能量管理技术。其功能实现方法具有长航时太阳能飞机的能量管理的特点。本发明包括光电转换模块、热电转换模块、热量收集模块、太阳能/温差能互补主控制器、蓄电池模块、交流转换与直流转换模块。采用了太阳能发电技术和温差发电技术结合方法，通过采用太阳能温差能互补控制器协调控制的方法，实现了长航时飞行器的能量管理，降低了飞行器内部的电能消耗，并实现了内部的温度控制，该方法具有较高的可靠性、稳定性，满足了长航时太阳能飞行器的需求。

Description

一种太阳能温差能互补的热控系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于长航时太阳能飞机的太阳能与温差能互补的热控系统及其控制方法。 
背景技术
太阳能飞机是一种利用太阳能作为主要能源供给系统，并能在超高空连续飞行数周以上的无人驾驶飞行器。因其可以完成卫星的大部分工作，如侦察、预警、大气观测、中继等，而被称为“大气卫星”，目前正受到美国、欧盟、俄罗斯等航空航天大国的关注。然而太阳能飞机往往在试飞过程中为了满足长航时的要求、安装大量太阳能板、造成尺度过大，下降过程中结构受力不均而导致空中解体，国外有相关报道。根据分析，目前制约太阳能飞机向前发展的主要因素是能源技术，尤其是太阳能光电转换技术。 
目前，国内外的研究多集中于太阳能的光电转化以及太阳能的光热转化。然而，太阳能电池光电转换效率最高仅24.7％，剩余的能量则全部转化为热，如不充分加以利用，这些热能不但是有限能源的浪费，同时，由于电池表面温度的升高，电池的输出功率将会降低。并且、太阳能飞机上其它相关系统如航电系统、有效载荷等的正常工作也产生热量。此外，利用温差效应的温差电池技术发展迅速。因此，考虑采用温差效应对热能进行二次转换。通过这种方法不仅可以提高太阳能的装化效率、降低太阳能飞机的实现难度，更可为相关能源系统的合理改进和充分利用提供有益借鉴。 
发明内容
本发明是一适用于长航时飞行器的太阳能温差能互补的热控系统及其控制实现方法，其目的是实现太阳能飞行器更有效的热能量利用，收集有效载荷剩余的热量，采用热电转化的方式，将热量转换为电能并储存，实现热电的二次转化，从而延长飞行器的航时。 
本发明包括光电转换模块、热电转换模块、热量收集模块、太阳能/温差能互补主控制器、蓄电池模块、交流转换与直流转换模块组成。本发明采用了太阳能发电技术和温差发电技术结合方法，采用两组温差发 电片收集有效载荷和太阳能电池板的热量，通过采用太阳能温差能互补控制器协调控制的方法，实现了长航时飞行器的热能量的有效利用，降低了飞行器内部的电能消耗，并实现了内部的温度控制，为飞行器实现长航时提供了条件。 
根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能与温差能互补的热能控制系统，其特征在于包括：热量收集模块；太阳能/温差能互补主控制器；交流负载；直流负载；第一直流转换器；第二直流转换器；交流转换器。 
根据本发明的另一个方面，提供了一种太阳能与温差能互补的热能控制方法，其特征在于包括： 
输入模拟量步骤，从光电转换模块、热电转换模块以及蓄电池模块获得电流、电压值； 
检测太阳能发电电流，如果满足工作条件即电流值满足要求，则通过最大功率跟踪模块调整电流、电压值满足最大功率要求，并控制第一直流转换器使太阳能发电电流，给系统提供电能； 
交直流转换，获得负载相应的电流； 
运行负载并充电。 
附图说明
图1是本发明的系统工作原理图。 
图2是本发明的一种具体实施方案结构图 
图3是本发明的主控制器程序流程图。 
具体实施方式
以下结合图1-图3，详细说明本发明的具体实施方案。 
图1所示的是本发明的能量管理方案流程图。该流程包括： 
首先是将光能(501)，经过光电转换(503)变为电能，再通过交流转换与直流转换(505)的方式，输出给长航时飞行器的能量储存单元(506A)及有效载荷(506B)。并将长航时飞行器的有效载荷的热能(502)及太阳能电池阵列(201)自身的发热通过热量收集器(507)收集起来，其中有效载荷(506)产生的热量包括推进系统、航电系统产生的热量，再通过热电转换(504)变为电能，并通过交流转换与直流转换(505)的方式，输出给长航时飞行器的能量储存单元(506A)及有效载荷(506B)，实现热量的二次转化与利用。 
图2是包括根据本发明的一个实施例的太阳能与温差能互补的热控系统的能源系统的结构图。如图2所示的能源系统包括光电转换模块(101)、热电转换模块(102)、热量收集模块(103)、太阳能/温差能互补主控制器(104)、蓄电池模块(105)、交流负载(106)、直流负载(107)、直流转换器1(108)、直流转换器2(109)、交流转换器(110)。其中光电转换模块(101)包括太阳能电池阵列(201)和最大功率跟踪模块(202)；热电转换模块 (102)包括温差发电片1(203)、温差发电片2(204)；热量收集模块(103)包括热管(205)和换热器(206)。下面结合图2做进一步的详细说明。 
-光电转换模块(101) 
光电转换模块(101)将(501)，经过光电转换(503)变为电能，主要包括太阳能电池阵列(201)和最大功率跟踪模块(202)；其中最大功率跟踪模块(202)采用电导增量法对对光伏阵列的电压和电流进行采样，并将其结果送给太阳能/温差能互补主控制器(104)。电导增量法控制精确，响应速度较快，很适合用于天气条件变化较快的情况。 
-热电转换模块(102) 
热电转换模块(102)包括第一温差发电片(203)、第二温差发电片(204)。第一温差发电片(203)主要利用有效载荷(506B)产生的热量，它的一面与有效载荷(506B)表面接触，另一面与冷媒接触，冷媒为空气或循环水；第二温差发电片(204)主要利用太阳能电池阵列(201)产生的热量，它的一面与换热器(206)冷端接触，另一面与热管(102)表面表面接触。该温差发电片是根据Seebeck效应，当温差发电片两端存在温差时，温差发电片便会有电动势产生。 
-热量收集模块(103) 
热量收集模块(103)包括热管(205)和换热器(206)。主要是将有效载荷(506B)包括交流负载(106)及直流负载(107)产生的多余热量收集起来，并传递给热电转换模块(102)。 
-太阳能/温差能互补主控制器(104) 
太阳能/温差能互补主控制器(104)主要实现对光电转换模块(101)与热电转换模块(102)的电压和电流进行采样，并进行实时监控，以及蓄电池模块(105)充放电的控制与保护功能。 
-蓄电池模块(105) 
蓄电池模块(105)以蓄电池阵列为主。本发明采用氢氧燃料电池系统。该系统可提供动力，在白天为储能系统，提供储存能源，以便夜晚为推进系统供电。 
-交流负载(106)与直流负载(107) 
交流负载(106)主要为推进器等交流用电设备，直流负载(107)包括航电系统等用电设备。 
-交流转换器(108)、第一直流转换器(108)与第二直流转换器(109)交流转换器(108)可以将第一直流转换器(108)与第二直流转换器(109)转换的直流电转换为交流电供推进器等交流负载(105)使用。第一直流转换器(108)接收太阳能/温差能互补主控制器(104)的控制信号，将光电转换模块(101)的电信号转换为可用直流电。第二直流转换器2(109)接收太阳能/温差能互补主控制器(104)的控制信号将热电转换模块(102)的电信号转换为可用直流电。 
图3是本发明的主控器控制程序流程图。 
如图3所示，主控器控制程序由开始(601)、系统初始化(602)、输 入模拟量(603)、检测太阳能发电电流(604)、太阳能电池满足工作条件判断(605)、检测温差发电电流(606)、温差电池满足工作条件判断(607)、蓄电池电量检测(608)、蓄电池满足工作条件判断(609)、充电(610)、交直流转换(611)、运行负载并充电(612)、结束(613)几个步骤组成。其控制规则如下过程为： 
主控程序由开始(601)后，首先进行系统初始化(602)，然后进入输入模拟量(603)步骤，该步骤主要从光电转换模块(101)、热电转换模块(102)以及蓄电池模块(105)获得电流、电压值。然后进入检测太阳能发电电流(604)，如果满足工作条件即电流值满足要求，则通过最大功率跟踪模块(202)调整电流、电压值满足最大功率要求，并控制直流转换器1(108)使太阳能发电电流(604)，给系统提供电能。然后即可进入交直流转换(611)获得负载相应的电流，再进入运行负载并充电(612)直至结束(613)的步骤。 
如果太阳能发电电流不满足要求，则检测温差发电电流(606)，如果电流值满足工作条件则控制直流转换器2(109)，通过温差发电电流(606)给系统提供电能，此外本发明还对温差电池两端的温度进行监控和记录。然后即可进入交直流转换(611)获得负载相应的电流，再进入运行负载并充电(612)直至结束(613)的步骤。 
如果两种发电方式的电流都不符合供电要求，则通过蓄电池提供，并且通过蓄电池电量检测(608)，判断是否满足蓄电池工作条件(609)，如不满足则进入给蓄电池充电(601)的步骤。 

Claims (2)

1.一种太阳能与温差能互补的热能控制系统，其特征在于包括： 
热量收集模块(103)； 
太阳能/温差能互补主控制器(104)； 
交流负载(106)； 
直流负载(107)； 
第一直流转换器(108)； 
第二直流转换器(109)； 
交流转换器(110)， 
其中 
热量收集模块(103)包括热管(205)和换热器(206)，主要是将有效载荷(506B)包括交流负载(106)及直流负载(107)产生的多余热量收集起来，并传递给热电转换模块(102)； 
太阳能/温差能互补主控制器(104)用于对光电转换模块(101)与热电转换模块(102)的电压和电流进行采样，并进行实时监控，以及蓄电池模块(105)充放电的控制与保护； 
交流负载(106)包括推进器，直流负载(107)包括航电系统。 
2.一种太阳能与温差能互补的热能控制方法，其特征在于包括： 
输入模拟量(603)步骤，从光电转换模块(101)、热电转换模块(102)以及蓄电池模块(105)获得电流、电压值； 
检测太阳能发电电流（604），如果满足工作条件即电流值满足要求，则通过最大功率跟踪模块(202)调整电流、电压值满足最大功率要求，并控制一个第一直流转换器(108)使太阳能发电电流（604），给系统提供电能； 
交直流转换(611)，获得负载相应的电流； 
运行负载并充电(612)， 
其中 
如果太阳能发电电流不满足要求，则检测温差发电电流(606)， 
如果电流值满足工作条件，则控制一个第二直流转换器(109)，通过温差发电电流（606）给系统提供电能， 
进一步包括： 
对温差电池两端的温度进行监控和记录， 
进入交直流转换(611)获得负载相应的电流， 
进入运行负载并充电(612)， 
且 
当热电与光电两种发电方式的电流都不符合供电要求时，则通过蓄电池供电， 
通过蓄电池电量检测(608)，判断是否满足蓄电池工作条件(609)，如不满足则给蓄电池充电(601)。 
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