CN105099366A - 一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台 - Google Patents

Abstract

本发明一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台，该平台以工控机的数据监控与综合计算处理为核心，配合传感器的数据采集及限压、限流、限温切断模块和故障报警模块的共同工作，可实现对平流层飞艇用太阳能电池阵的长时、可靠测试。该平台既能有效地提供平流层太阳能电池阵的便捷开发工具，又能够模拟太阳能电池阵运行中可能遇到的多种故障和超限问题；另一方面，通过该平台的辅助开发与研制，极大地提高了所研制的平流层飞艇的安全可靠性，充分体现了科研与工程中的经济性原则。此外，该平台可以作为多种能源系统开发的测试与研制平台，具有良好的通用性。

Description

一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台

技术领域

本发明一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台，属于航空航天器能源系统技术领域。

背景技术

平流层作为现有航空与航天领域的结合部，已受到众多航空航天大国的关注，成为目前技术开拓性研究的重点和热点。而作为平流层浮空器突出代表的平流层飞艇，由于其具有飞行高度高、使用时间长、可区域驻留、对环境污染小等优点，更是受到了美国的高度关注。NASA研究中心早在2003年就对高空长航时飞艇进行了深入的可行性研究，确定了高效太阳能电池阵、先进能源存储与管理系统、新型高空螺旋桨与电动推进系统以及轻质高强度囊体材料是实现高空长航时飞艇的几项主要关键技术，并一直为攻克上述技术做着不懈的努力。

针对平流层飞艇整个能源系统方案的研究是其能够获得成功的关键因素，考虑到平流层的低温低压运行环境以及飞行中无法直接对飞艇进行调整的局限性，整个能源系统的安全可靠性会对飞行任务的顺利实施产生决定性影响。

为此，为有效开发平流层飞艇，特别是其能源系统，本发明提出一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台，用于在地面条件下进行能源系统的开发调试，获得关键的技术参数并有效提高飞艇用能源系统的安全可靠性，有利于降低成本和提高平流层飞艇的开发效率。

发明内容

（1）目的：本发明的目的在于提供一种有效降低平流层飞艇能源系统开发成本和设计周期的试验测试平台，该平台能通过工控机对传感器的数据进行实时监控处理与自主调节，有效保证在地面无人值守的测试条件下，平流层飞艇用太阳能电池阵能安全可靠运行，并提供完整的运行信息记录，以满足平流层飞艇能源系统开发者的地面试验测试需求。

（2）技术方案：本发明一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台，该平台由太阳能电池阵、电压传感器、电流传感器、温度传感器、辐照传感器、电子负载、带数据记录和实时转换功能的工控机、无人值守条件下的限压、限流、限温切断模块以及故障状态下的自动报警模块所组成。

上述方案既能有效地提供平流层飞艇太阳能电池阵的便捷开发工具，又能够模拟太阳能电池阵运行中可能遇到的多种故障和超限问题；另一方面，通过该平台的辅助开发与研制，极大地提高了平流层飞艇的安全可靠性，充分体现了科研与工程中的经济性原则。此外，该平台可以作为多种能源系统开发的测试与研制平台，具有良好的通用性。

所述的太阳能电池阵为需研发的平流层飞艇上所采用的太阳能电池阵，具有轻质、转换效率高的优点；

所述电压传感器为霍尔电压传感器，该传感器测量范围广、响应速度快、测量精度高，满足了飞艇能源系统的电压测试特点；

所述电流传感器为霍尔电流传感器，该传感器测量范围广、响应速度快、测量精度高，满足了飞艇能源系统的电流测试特点；

所述温度传感器为热敏电阻式温度传感器，该传感器具有可测温度范围广，测量精度高的优点；

所述辐照传感器为光敏电阻式辐照传感器，该传感器具有可测辐照范围广，测量精度高的优点；

所述电子负载为可编程控制的电子负载模块，具有可调节范围广、调节精度高及反应灵敏的特点，可有效模拟平流层飞艇负载的变化特点；

所述工控机具备数据记录和处理的能力，并具有稳定性好的使用要求；

所述自动报警模块与限流、限压、限温模块的程序为自主开发的适合于平流层飞艇能源系统特点的程序模块，具有较强的自主运行能力。

本发明一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台，其基本的搭建流程如下：

1平台所需模块的采购、性能测试，包括太阳能电池阵、电压传感器、电流传感器、温度传感器、辐照传感器、工控机以及通信线缆，主要是保证给部件满足稳定性和可靠性方面的要求；

2根据工控机和电压传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与电压传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

3根据工控机和电流传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与电流传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

4根据工控机和温度传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与温度传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

5根据工控机和辐照传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与辐照传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

6根据工控机和电子负载的具体型号以及整体的平台方案，调试电子负载使其能受控于工控机实现功率调节，并且工控机能检测电子负载的真实功率消耗；

7根据平台散热部件在温度值方面的耐受限度，确定各部分的温度上下限，开发相应的温度保护模块程序并设置物理开关用于超限情况的切断任务；

8根据平台在电压值方面的耐受限度，确定各部分的电压上限，开发相应的电压保护模块程序并设置物理开关用于超限情况的切断任务；

9根据平台在电流值方面的耐受限度，确定各部分的电流上限，开发相应的电流保护模块程序并设置物理开关用于超限情况的切断任务；

10根据可能的各环节发生故障对应的情况以及故障状况下对应的传感器数据来开发平台的报警模块程序；

11用线缆将各模块连接并加载各模块所需的驱动，启动和运行平台；

12人为的使平台某模块发生温度超限、电压超限、电流超限的问题，测试平台的切断应对响应功能，使其达到设计要求；

13人为的使平台某模块传输异常数据，测试平台的故障报警功能，使其达到设计要求；

14经测试和调试后达到要求的太阳能电池阵地面性能实时监测平台将用于平流层飞艇太阳能电池阵的地面性能测试试验。

（3）优点及功效：本发明一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台，该平台既能有效地提供平流层飞艇太阳能电池阵的便捷开发工具，又能够模拟太阳能电池阵运行中可能遇到的多种故障和超限问题；另一方面，通过该平台的辅助开发与研制，极大地提高了所研制的平流层飞艇的安全可靠性，充分体现了科研与工程中的经济性原则。此外，该平台可以作为多种能源系统开发的测试与研制平台，具有良好的通用性。

附图说明：

图1为本发明的模块连接示意图；

图2为该平台的运行流程和数据流程；

图中标号说明如下：

1-温度传感器2-电压传感器3-电流传感器

4-辐照传感器5-工控机6-限压、限流、限温模块及自动报警模块

7-限压、限流、限温模块及自动报警模块8-太阳能电池阵

9-电子负载。

具体实施方式：

下面结合图1、2、对本发明一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台作进一步的说明：

本发明一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台的模块连接示意图如图1所示，温度传感器1将从太阳能电池阵8和电子负载9采集的温度信号传入工控机5中，工控机5通过对温度数据的运算和相应的限压、限流、限温及故障报警模块6、7的计算，给出对电池阵8和电子负载9的控制信号；电压传感器2、电流传感器3、辐照传感器4的工作机理与温度传感器1相类似；该平台通过数据的采集和工控机的监控计算和处理，给出正确的控制信号以保证在无人值守的条件下，能源系统能实现安全可靠运行，并在故障条件下实现测试平台的及时切断或报警提醒。

图2指出了这一发明的实现过程，介绍了信号流的方向，各传感器从太阳能电池阵和电子负载处采集信号，通过通信线缆将传感器信号传给工控机，经过工控机计算后，给出控制信号作用于太阳能电池阵及电子负载，或给出超限切断控制信号或故障报警信号。

整个平台的搭建流程如下：

1平台所需模块的采购、性能测试，包括太阳能电池阵、电压传感器、电流传感器、温度传感器、辐照传感器、工控机以及通信线缆，主要是保证给部件满足稳定性和可靠性方面的要求；

2根据工控机和电压传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与电压传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

3根据工控机和电流传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与电流传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

4根据工控机和温度传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与温度传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

5根据工控机和辐照传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与辐照传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

6根据工控机和电子负载的具体型号以及整体的平台方案，调试电子负载使其能受控于工控机实现功率调节，并且工控机能检测电子负载的真实功率消耗；

7根据平台散热部件在温度值方面的耐受限度，确定各部分的温度上下限，开发相应的温度保护模块程序并设置物理开关用于超限情况的切断任务；

8根据平台在电压值方面的耐受限度，确定各部分的电压上限，开发相应的电压保护模块程序并设置物理开关用于超限情况的切断任务；

9根据平台在电流值方面的耐受限度，确定各部分的电流上限，开发相应的电流保护模块程序并设置物理开关用于超限情况的切断任务；

10根据可能的各环节发生故障对应的情况以及故障状况下对应的传感器数据来开发平台的报警模块程序；

11用线缆将各模块连接并加载各模块所需的驱动，启动和运行平台；

12人为的使平台某模块发生温度超限、电压超限、电流超限的问题，测试平台的切断应对响应功能，使其达到设计要求；

13人为的使平台某模块传输异常数据，测试平台的故障报警功能，使其达到设计要求；

14经测试和调试后达到要求的太阳能电池阵地面性能实时监测平台将用于平流层飞艇太阳能电池阵的地面性能测试试验。

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)

1.一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台，其特征在于：

该平台由太阳能电池阵、电压传感器、电流传感器、温度传感器、辐照传感器、电子负载、带数据记录和实时转换功能的工控机、无人值守条件下的限压、限流、限温切断模块以及故障状态下的自动报警模块所组成；

所述的太阳能电池阵为平流层飞艇所用太阳能电池阵，具有轻质、转换效率高的优点；所述电压传感器为霍尔电压传感器；所述电流传感器为霍尔电流传感器；所述温度传感器为热敏电阻式温度传感器；所述辐照传感器为光敏电阻式辐照传感器；所述电子负载为可调节功率的负载模块；所述工控机具有数据记录和处理能力，并能通过计算给出控制信号；所述限压、限流、限温模块及故障自动报警模块为运行于工控机上的程序及其对应的物理执行机构。

2.权利要求1所述的一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台，其特征在于：

以工控机的自主监控和调节控制来实现太阳能电池阵在长时间无人值守状态下电能的稳定安全输出与准确测试，可有效模拟平流层飞艇太阳能电池阵在自主飞行状态下的工作状态，为平流层飞艇关键技术攻关提供高效的测试模拟平台。

3.权利要求1所述的一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台，其特征在于：

在工控机的自主监视与控制下可实现电压、电流、温度、辐照故障状态下的电路保护性切断以及在模块故障情况下的主动报警功能，有效提高能源系统的可靠性和安全性。

4.权利要求1所述的一种平流层飞艇太阳能电池阵地面性能实时监测平台，其特征在于：其基本的搭建流程如下：

（1）平台所需模块的采购、性能测试，包括太阳能电池阵、电压传感器、电流传感器、温度传感器、辐照传感器、工控机以及通信线缆，主要是保证各部件满足稳定性和可靠性方面的要求；

（2）根据工控机和电压传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与电压传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

（3）根据工控机和电流传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与电流传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

（4）根据工控机和温度传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与温度传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

（5）根据工控机和辐照传感器的具体型号以及整体的平台方案，确定工控机与辐照传感器之间数据交换的通信协议，经通信线缆连接并通过测试要求；

（6）根据工控机和电子负载的具体型号以及整体的平台方案，调试电子负载使其能受控于工控机实现功率调节，并且工控机能检测电子负载的真实功率消耗；

（7）根据平台散热部件在温度值方面的耐受限度，确定各部分的温度上下限，开发相应的温度保护模块程序并设置物理开关用于超限情况的切断任务；

(8)根据平台在电压值方面的耐受限度，确定各部分的电压上限，开发相应的电压保护模块程序并设置物理开关用于超限情况的切断任务；

(9)根据平台在电流值方面的耐受限度，确定各部分的电流上限，开发相应的电流保护模块程序并设置物理开关用于超限情况的切断任务；

(10)根据可能的各环节发生故障时对应的情况以及故障状况下对应的传感器数据来开发平台的报警模块程序；

(11)用线缆将各模块连接并加载各模块所需的驱动，启动和运行平台；

(12)人为的使平台某模块发生温度超限、电压超限、电流超限的问题，测试平台的切断应对响应功能，使其达到设计要求；

(13)人为的使平台某模块传输异常数据，测试平台的故障报警功能，使其达到设计要求；

(14)经测试和调试后达到要求的太阳能电池阵地面性能实时监测平台将用于平流层飞艇太阳能电池阵的地面性能测试试验。