CN104229120A

CN104229120A - 一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构

Info

Publication number: CN104229120A
Application number: CN201410485989.XA
Authority: CN
Inventors: 孙康文; 孙谋; 祝明; 王立峰; 张馨运; 陈晓明
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: CN104229120B

Abstract

本发明提供了一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构，利用温差电池，可以二次利用光伏电池无法转换的太阳能，进而有效提高了机翼单位面积上的太阳能利用率、实现太阳能飞机长时间留空飞行的基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的研制方案，同时，本发明可有效降低机翼上表面太阳能电池的工作温度。此外，光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的运用可以极大地增强了太阳能飞行器机翼的内部结构，从而加强了太阳能飞机机翼的强度。最后，机翼下表面采用气流导引槽结构，因此可有效改善机翼下边面的层流特性。本发明可以解决传统太阳能飞行器留空时间短这一致命缺陷，从而使太阳能飞机的应用优势得到充分发挥。

Description

一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构

一、技术领域：

本发明提供一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的研制方案，属于航空航天器能源系统技术领域。

二、背景技术：

太阳能飞机是以太阳辐射作为推进能源的飞行器。由于对环境无污染、使用灵活、成本低，有着广阔的军用和民用应用前景。太阳能飞机的动力装置由太阳能光伏电池、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小以及光伏电池转换效率低，为了获得足够的能量，太阳能飞机上应用较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳能光伏电池，因此太阳能飞机的机翼面积较大。

目前太阳能飞机大多数是由机翼表面的光伏电池提供能源的，而太阳能光伏电池本身的质量同时会间接增加飞行器的阻力。因此，衡量太阳能飞机光伏电池的指标是功重比。为了提高功重比，目前针对太阳能飞机机翼的结构设计方面，一般采用碳纤维夹层结构或泡沫型夹层结构作为其支撑结构。但机翼表面的光伏电池在工作过程中背面温度高达70℃，这严重影响了光伏电池的转换效率，进而影响太阳能飞机的滞空时间。近年来，温差电池技术迅速发展，可以将其与太阳能光伏电池技术相结合，为解决太阳能飞机机翼上表面高温问题提供一种新思路，进而大幅度提高机翼表面有限面积上的太阳能利用效率，增加太阳能飞机的滞空时间。

为此，通过将日渐成熟温差电池技术与现在的太阳能光伏电池技术综合应用到太阳能飞机的机翼上，本发明提供了一种能够二次利用太阳能、实现太阳能飞机长时间留空飞行的基于光热一体化复合能源机翼结构研制方案。

三、发明内容：

(1)目的：本发明提供了一种能够二次利用太阳能、实现太阳能飞机长时间留空飞行的基于光热一体化复合能源机翼结构研制方案，该方案将温差电池技术运用到太阳能飞机的机翼设计中，利用常规太阳能飞机机翼光伏发电所产生的上下翼面温度差，实时将光电转换模块无法利用的太阳能进行二次利用，可以解决传统太阳能飞行器留空时间短这一致命缺陷，从而将太阳能飞机的应用优势得到充分发挥。

(2)技术方案：本发明是一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的设计方案，该方案的主要技术措施如下：以高效的刚性太阳能光伏电池、温差电池为基础，通过柔性薄膜太阳能电池薄膜封装技术的合理借鉴与改进，在常规太阳能飞机机翼结构的机翼结构的上表面利用膜系材料进行刚性电池的封装，在机翼翼盒内安装温差电池，形成基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构模块；以软质密封胶将基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的边沿进行密封和光顺修形处理；同时机翼前后端翼盒以及温差电池间隙处填充泡沫或NOMEX纸蜂窝进行隔热，提供机翼结构上下表面的温度差；最后，将上述整体基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构利用密封袋密封，抽真空后加热成型。

上述方案通过太阳能光伏电池技术和温差电池技术的综合利用，不仅可以二次利用光伏电池无法转换的太阳能，进而有效提高了机翼单位面积上的太阳能利用率；同时，可有效降低机翼上表面太阳能光伏电池的工作温度。此外，光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的运用可以极大地增强太阳能飞机机翼的内部结构，从而提高太阳能飞机机翼的强度。最后，机翼下表面采用气流导引槽结构，可有效改善机翼下边面的层流特性。

所述的基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构主要包括表面膜、透明胶膜、太阳能光伏电池、绝缘膜、导热胶膜、温差电池、散热片以及机翼下翼面面板等。

该表面膜位于机翼表面的太阳能光伏电池的上表面，在满足足够透光率(＞90％)的条件下起保护太阳能电池片的作用；

其中，该表面膜需可以是PET、ETFE，或是与之功能类似的透明薄膜材料；

该透明胶膜填充于表面膜与太阳能光伏电池的间隙之间。

其中，该透明胶膜需是透光率需达到90％以上的热熔性胶膜，或与之具有相同功能的胶膜材料；

该太阳能光伏电池平铺在透明胶膜之下，电池片可采用高效的砷化镓太阳电池、高效的单晶硅电池或高效的多晶硅电池。

该绝缘膜平铺在太阳能光伏电池之下，可以是聚酰亚胺薄膜，也可以是PET薄膜，起电绝缘作用。

该导热胶膜平铺在绝缘膜之下和温差电池冷热两端。

其中该导热胶膜可以是导热硅脂，或是具有类似良好导热功能的胶黏剂类材料；

该温差电池的数量视光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的厚度而定，在机翼厚度相对大的地方可以进行多层叠铺。

其中温差电池应具有质量轻、转换效率高等优点，可以是TGM-31-2,8-3,5系列温差电池。

该散热片的横截面形状为锯齿型，位于温差电池冷端平铺的导热胶膜之下，增加散热接触面积，利于提高温差电池的转换效率。

该机翼下翼面面板位于散热片之下，可以采用薄铝板，也可以才有复合材料薄板，在满足机翼下表面具有良好的层流特性之外，同时还起到结构支撑的作用。

其中，机翼下翼面与散热片可采用锁紧机构连接；

所述锁紧结构可以为螺栓连接机构，也可以是销钉锁紧机构；

本发明一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构，其基本设计流程如下：

1.原材料采购、检验，保证所选材料满足太阳能飞机机翼制造的使用要求和工艺成型要求；

2.结合预设机翼的几何参数(包括展长、厚度、弯度等)，进行机翼成型模具的加工，同时，选定太阳能光伏电池和温差电池的规格和数量；

3.将制作完成的机翼成型模具固定，与此同时将密封袋沿机翼成型模具内表面轮廓平铺；

4.按既定设计方案将机翼下翼面面板和散热片平铺于密封袋之上，其中机翼下翼面与散热片采用锁紧机构紧固连接；

5.与此同时，结合预设机翼弦向各处相对厚度，选定各处温差电池的层铺数，温差电池可以沿翼展方向串接，最后与光伏电池线路汇总输出；

6.在步骤5的同时，将翼肋和翼梁按既定设计方案在机翼成型模具中进行组合构成机翼单元结构；

7.将导热胶膜、温差电池按既定设计方案在翼盒中顺序叠层，其中，温差电池在机翼厚度相对大的地方可以进行多层叠铺；

8.针对步骤7完成后的结构模块的间隙以及机翼前后端的翼盒内添加一些填充物如泡沫或NOMEX纸蜂窝进行机翼上下表面的隔热，为温差电池提供良好的上下表面温度差；

9.完成步骤8后，按既定设计方案进行绝缘膜、太阳能光伏电池、透明胶膜、表面膜的平铺；

10.叠放顶层密封袋及相应的抽真空装置，之后进行密封状态下的抽真空加热；

11.对最终的机翼结构进行光顺修形处理，保证其具有良好的气动特性；

12.最后，对整个基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的太阳能飞机机翼进行状态检测，保证产品达到设计要求指定的状态。

(3)优点及功效：本发明是一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构，利用温差性热电转换模块，可以二次利用光伏电池无法转换的太阳能，进而有效提高了机翼单位面积上的太阳能利用率；同时，可有效降低机翼上表面太阳能电池的工作温度。此外，光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的运用可以极大地增强了太阳能飞行器机翼的内部结构，从而加强了太阳能飞机机翼的强度。最后，机翼下表面采用气流导引槽结构，因此可有效改善机翼下边面的层流特性。

四、附图说明：

图1为本发明一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构示意图；

图2为光伏—温差混合电源结构示意图。

图中标号说明如下：

1.机翼表面光伏电池， 2.机翼前端翼盒， 3.机翼翼梁,

4.温差电池， 5.机翼后端翼盒， 6.表面膜, 7.透明胶膜，

8.太阳能光伏电池， 9.绝缘片， 10.导热胶膜， 11.温差电池，

12.散热片， 13.机翼下翼面面板

五、具体实施方式：

下面结合图1、2对本发明中的一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构作进一步的说明：

本发明提供了一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构，可充分利用太阳能，进而实现太阳能飞机长时间留空飞行。如图1所示，该方案是在常规太阳能飞机机翼(机翼前端翼盒2、机翼后端翼盒5)的翼盒(即翼肋和翼梁3的交叉位置)安装温差电池4，实时利用常规太阳能飞机机翼光伏发电所产生的上下翼面温度差，对太阳能进行二次利用；机翼结构中的机翼前后端翼盒2、5中的间隙可以填充轻质泡沫或蜂窝进行隔热，以保证上下机翼表面的温度差，进而增加温差电池4的工作效率。

该光伏—温差混合电源结构示意图如图2所示，在这种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构中由上至下依次有表面膜6、透明胶膜7、太阳能光伏电池8、绝缘片9、导热胶膜10、温差电池11、导热胶膜10、散热片12、机翼下表面面板13等。光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构按照上述层铺顺序组合，其组合结构中的散热片12和机翼下表面面板13用锁紧机构连接固定，如销钉锁紧结构。对整个机翼组合结构外轮廓进行光顺修形处理，保证其具有良好的气动特性，再进行密封袋的抽真空、加热。最终基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构成型。如上述图1所示。

应当指出，本实例仅列示性说明本发明的应用方法，而非用于限制本发明。任何熟悉此种使用技术的人员，均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构，其特征在于：

在常规太阳能飞机机翼结构的机翼翼盒内安装温差电池，实时利用常规太阳能飞机机翼光伏发电所产生的上下翼面温度差，对太阳能进行二次利用。所述的基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼机构主要包括表面膜、透明胶膜、太阳能光伏电池、绝缘膜、导热胶膜、温差电池、散热片以及机翼下翼面面板等。当太阳光照射在铺满光伏电池的机翼上表面时，由于在工作条件下光伏电池背面温度高，因此可将机翼上表面作为温差电池的高温热源端，而将机翼下表面作为低温散热段，这样光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构中的温差电池就可以实时将光电转换模块无法利用的太阳能进行二次利用。

2.一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构，其特征在于：

将这种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构运用到太阳能飞机，不仅可以二次利用太阳能，进而有效提高了机翼单位面积上的太阳能利用率；同时，可有效降低机翼上表面太阳能电池的工作温度，这有利于增大光伏电池的转换效率和大幅度提高太阳能的利用率，从而为太阳能飞机的滞空时间提供更多的能量保证，进而可以扩大太阳能飞机的应用范围。

3.一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构，其特征在于：

光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的运用可以极大地增强太阳能飞机机翼的内部结构，从而提高太阳能飞机机翼的强度。同时，机翼下表面采用气流导引槽结构，可有效改善机翼下翼面的层流特性。

4.一种基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构，其特征在于：其基本的研制流程如下：

本发明基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构，其基本设计流程如下：

(1).原材料采购、检验，保证所选材料满足太阳能飞机机翼制造的使用要求和工艺成型要求；

(2).结合预设机翼的几何参数(包括展长、厚度、弯度等)，进行机翼成型模具的加工，同时，选定太阳能光伏电池和温差电池的规格和数量；

(3).将制作完成的机翼成型模具固定，与此同时将密封袋沿机翼成型模具内表面轮廓平铺；

(4).按既定设计方案将机翼下翼面面板和散热片平铺于密封袋之上，其中机翼下翼面与散热片采用锁紧机构紧固连接；

(5).与此同时，结合预设机翼弦向各处相对厚度，选定各处温差电池的层铺数，温差电池可以沿翼展方向串接，最后与光伏电池线路汇总输出；

(6).在步骤5的同时，将翼肋和翼梁按既定设计方案在机翼成型模具中进行组合构成机翼单元结构；

(7).将导热胶膜、温差电池按既定设计方案在翼盒中顺序叠层，其中，温差电池在机翼厚度相对大的地方可以进行多层叠铺；

(8).针对步骤7完成后的结构模块的间隙以及机翼前后端的翼盒内添加一些填充物如泡沫或NOMEX纸蜂窝进行机翼上下表面的隔热，为温差电池提供良好的上下表面温度差；

(9).完成步骤8后，按既定设计方案进行绝缘膜、太阳能光伏电池、透明胶膜、表面膜的平铺；

(10).叠放顶层密封袋及相应的抽真空装置，之后进行密封状态下的抽真空加热；

(11).对最终的机翼结构进行光顺修形处理，保证其具有良好的气动特性；

(12).最后，对整个基于光热一体化复合能源的太阳能飞机机翼结构的太阳能飞机机翼进行状态检测，保证产品达到设计要求指定的状态。