CN104993774A - 一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，主要包括：太阳能电池阵、风力发电系统、直流变换器、能源管理系统以及后端负载。其中，太阳能电池阵将光能转化为电能经过直流变换器，进入能源管理系统；同时，利用平流层环境中稳定的风场，风力发电系统将风能转化为电能经过直流变换器，进入能源管理系统。以上两路电能经过能源管理系统之后给后端负载供电。本发明通过将风力发电系统的引进，构成了平流层飞艇的光能-风能一体化发电系统，可提高平流层飞艇单位时间内的能源供应量，从而降低太阳能电池阵在飞艇平台上的比重，提高平流层飞艇执行飞行任务的能力。
Description
技术领域
本发明提供一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，属于航空航天能源系统技术领域。
背景技术
随着空天技术领域的进一步拓展，针对航空、航天结合部使用的平流层飞行器已成为各国研究的重点，在这类飞行器中尤以平流层飞艇最受关注。在配置太阳能电池阵和储能电池堆构成的循环能源系统后，平流层飞艇具有飞行高度高、使用时间长、可区域驻留、对环境污染小等优点，可用于通信中继、预警、侦查监视、高空技术验证等众多领域。考虑到平流层环境中长期存在速度和方向稳定的风场，即在平流层的上中部除了特别的场合以外，夏季会比较盛行东风，亦即东风带，称为平流层东风；而冬季则会产生从低纬度流向高纬度的气流，称为平流层西风。并且，平流层环境不存在对流层的云、雨、雪等强对流天气。由此可见，平流层环境中长期存在稳定的风能资源。而目前大多数平流层飞艇设计方案都是采用太阳能电池阵以及储能电池作为能源系统，没有考虑到平流层环境中风场资源的利用。
为此，本发明提供一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，即通过对平流层中稳定风场的利用，在飞艇中引入风力发电平台，实现光能-风能一体化发电，从而增加平流层飞艇的能源供给途径。
发明内容
（1）目的：本发明提供一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，即在平流层飞艇中引入风力发电系统，实现光能-风能一体化发电，从而增加平流层飞艇的能源供给途径。
（2）技术方案：本发明一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，主要包括：太阳能电池阵、风力发电系统、直流变换器、能源管理系统以及后端负载（推进系统、储能电池和载荷）。其中，太阳能电池阵将光能转化为电能经过直流变换器，进入能源管理系统；同时，风力发电系统将风能转化为电能经过直流变换器，进入能源管理系统。以上两路电能经过能源管理系统之后给后端负载供电，主要包括推进系统、储能电池以及飞艇自身的载荷。
风力发电系统的引进构成了光能-风能一体化发电系统，可提高平流层飞艇单位时间内的能源供应量，从而降低太阳能电池阵在飞艇平台上的比重，提高平流层飞艇执行飞行任务的能力。
所述的太阳能电池阵，主要由柔性薄膜太阳能电池模块组成，这类模块具有比功率高、结构柔软、对安装基体要求低等优点。由于这类模块具有一定的柔性，使得太阳能电池阵能够与艇体紧密贴合。
所述的风力发电系统为离网型的，主要包括风轮、发电机、调向机构、调速机构。其中，风轮由2-3个叶片组成，它是把风能转化为机械能的部件。为减轻系统质量，可采用质轻且满足强度要求的材料制造叶片；小型风力发电机一般采用的是永磁式交流发电机，由风轮驱动发电机产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电；调向机构的作用是调整风轮叶片旋转平面与空气流动方向的相对位置，使两者垂直以获得最大能量；随着风速的增加，要对风轮的转速有所限制，故使用调速机构进行限速；当储能电池充满或飞艇能量富余时，需要刹车机构来使风力机停机。
所述的直流变换器，能够把交流整流成直流输出或者不同等级的直流之间的进行变换。光能-风能一体化系统产生的电经过变换器后能够满足负载的用电要求。
所述的能源管理系统，可根据太阳能电池阵列和风力发电系统输出功率的变化和系统负荷的变化, 对飞艇的能源进行分配和管理。当太阳能电池阵列和风力发电系统的总输出电能充裕时，将对储能电池进行充电；太阳能电池阵列和风力发电系统的总输出不够负载消耗时，释放储能电池中的电能, 以维持整个系统的平稳运行。
本发明一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，其基本研制流程如下：
1.根据艇体尺寸以及系统的能源需求设计风能发电系统，包括风轮叶片材料的选择与外形设计，风力发电机的选择，调向机构、调速机构和刹车机构的设计。除此之外，考虑整个风力发电系统在艇体上的安装问题；
2. 与此同时，在考虑风力发电的基础上重新评估太阳能电池阵的尺寸大小。在满足飞艇能源需求的基础上，铺设合适面积的太阳能电池，以减小太阳能电池阵占整个飞艇重量的比重；
3.在已有的能源管理系统中接入风能发电控制模块，并在风能发电系统与能源管理系统中加入直流变换器；
4.将风力发电系统、太阳能电池阵以及直流变换器与能源管理系统连接，作为前端。同时将后端负载接入，完成平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统的组装；
5.完成以上步骤之后，对整个光能-风能一体化发电系统的性能进行测试，并根据测试结果进行参数修正和方案优化。
（3）优点及功效：本发明一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，主要包括：太阳能电池阵、风力发电系统、直流变换器、能源管理系统以及后端负载。其中，太阳能电池阵将光能转化为电能经过直流变换器，进入能源管理系统；同时，风力发电系统将风能转化为电能经过直流变换器，进入能源管理系统。以上两路电能经过能源管理系统之后给后端负载供电。本发明通过将风力发电系统的引进，构成了平流层飞艇的光能-风能一体化发电系统，可提高平流层飞艇单位时间内的能源供应量，从而降低太阳能电池阵在飞艇平台上的比重，提高平流层飞艇执行飞行任务的能力。
附图说明：
图1为一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统结构示意图；
图2为一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统的实现过程图；
图中标号说明如下：
1. 太阳能电池阵， 2. 风力发电系统，
3. 直流变换器， 4. 能源管理系统，
5. 后端负载。
具体实施方式：
下面结合图 1、2 对本发明一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统作进一步的说明：
本发明一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，如图1 所示，主要包括：太阳能电池阵1、风力发电系统2、直流变换器3、能源管理系统4以及后端负载5。
太阳能电池阵1将光能转化为电能经过直流变换器3，进入能源管理系统4；同时，风力发电系统2将风能转化为电能经过直流变换器3，进入能源管理系统4。以上两路电能经过能源管理系统之后给后端负载5供电，主要包括推进系统、储能电池以及飞艇自身的载荷。
太阳能电池阵1主要由柔性薄膜太阳能电池模块组成；风力发电系统2为离网型的，主要包括风轮、发电机、调向机构、调速机构；直流变换器3能够把交流整流成直流输出或者不同等级的直流之间的进行变换；能源管理系统4可根据太阳能电池阵列和风力发电系统输出功率的变化和系统负荷的变化, 对飞艇的能源进行分配和管理。
本发明一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，其基本的研制流程如下：
1. 根据艇体尺寸以及系统的能源需求设计风能发电系统，包括风轮叶片材料的选择与外形设计，风力发电机的选择，调向机构、调速机构和刹车机构的设计。除此之外，考虑整个风力发电系统在艇体上的安装问题；
2. 与此同时，在考虑风力发电的基础上重新评估太阳能电池阵的尺寸大小。在满足飞艇能源需求的基础上，铺设合适面积的太阳能电池，以减小太阳能电池阵占整个飞艇重量的比重；
3. 在已有的能源管理系统中接入风能发电控制模块，并在风能发电系统与能源管理系统中加入直流变换器；
4. 将风力发电系统、太阳能电池阵以及直流变化器与能源管理系统连接，作为前端。同时将后端负载接入，完成平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统的组装；
5. 完成以上步骤之后，对整个光能-风能一体化发电系统的性能进行测试，并根据测试结果进行参数修正和方案优化。
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 (4)
1.一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，其特征在于：
该系统主要包括：太阳能电池阵、风力发电系统、直流变换器、能源管理系统以及后端负载（推进系统、储能电池和载荷）；其中，太阳能电池阵将光能转化为电能经过直流变换器，进入能源管理系统；同时，风力发电系统将风能转化为电能经过直流变换器，进入能源管理系统；以上两路电能经过能源管理系统之后给后端负载供电，主要包括推进系统、储能电池以及飞艇自身的载荷。
2.针对权利要求1所述的一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，其特征在于：
太阳能电池阵主要由柔性薄膜太阳能电池模块组成；风力发电系统为离网型的，主要包括风轮、发电机、调向机构、调速机构；直流变换器能够把交流整流成直流输出或者不同等级的直流之间的进行变换；能源管理系统可根据太阳能电池阵列和风力发电系统输出功率的变化和系统负荷的变化, 对飞艇的能源进行分配和管理。
3.针对权利要求1所述的一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，其特征在于：
风力发电系统的引进构成了光能-风能一体化发电系统，可提高平流层飞艇单位时间内的能源供应量，从而降低太阳能电池阵在飞艇平台上的比重，提高平流层飞艇执行飞行任务的能力。
4.针对权利要求1所述的一种平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统，其特征在于：
其基本的研制流程如下：
（1）根据艇体尺寸以及系统的能源需求设计风能发电系统，包括风轮叶片材料的选择与外形设计，风力发电机的选择，调向机构、调速机构和刹车机构的设计；
除此之外，考虑整个风力发电系统在艇体上的安装问题；
（2）与此同时，在考虑风力发电的基础上重新评估太阳能电池阵的尺寸大小；
在满足飞艇能源需求的基础上，铺设合适面积的太阳能电池，以减小太阳能电池阵占整个飞艇重量的比重；
（3）在已有的能源管理系统中接入风能发电控制模块，并在风能发电系统与能源管理系统中加入直流变换器；
（4）将风力发电系统、太阳能电池阵以及直流变换器与能源管理系统连接，作为前端；
同时将后端负载接入，完成平流层飞艇用光能-风能一体化发电系统的组装；
（5）完成以上步骤之后，对整个光能-风能一体化发电系统的性能进行测试，并根据测试结果进行参数修正和方案优化。
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