CN105752317A - 一种太阳能飞行器及其控制器的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能飞行器及其控制器的控制方法。该太阳能飞行器包括机体、设置于机体表面的薄膜太阳能电池和设置于机体内部的控制器，机体包括对称设置的两个飞翼，每个飞翼至少包括第一端翼和第二端翼，且第一端翼与第二端翼通过第一转轴转动连接，控制器用于根据太阳光的照射角度控制第一转轴转动以增大设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。从而提高了该太阳能飞行器的续航时间以及飞行可靠度。

Description

一种太阳能飞行器及其控制器的控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器技术领域。具体地说，涉及一种太阳能飞行器及其控制器的控制方法。

背景技术

太阳能飞行器作为飞行器的一种，是指以太阳能作为能量来源的飞行器。20世纪中期以来，太阳能飞行器研究已经成为世界航空航天业重点发展的新兴领域。

现有技术中有一种太阳能飞行装置，包括机体、设置在机体内的近程雷达、装备仓、远程雷达、太阳能动力源，设置在机体两侧的前翼、设置在机体后部的尾翼及螺旋桨，以及机翼后部的后翼和襟翼，太阳能动力源包括两个动力路径和设置在机翼和机身上的采光板，两个动力路径分别为主动力源路径和储备电力路径；主动力源路径包括太阳能板电路汇总装置、电路控制装置和电机，储备电力路径包括太阳能板电路汇总装置、蓄电池、电路控制装置和电机，电路控制区由继电器开关组成；采光板占机翼及机体面积的99％～95％，翼展10～20m，起飞重量300～600kg，推重比为0.1～0.3；前翼与后翼相连形成菱形框架，前翼翼根与前机身相连，后翼翼根与垂尾上端相连，后翼翼尖在前翼翼展50％-70％处与前翼翼展连接。

由于太阳光的角度是实时变化的，当上述太阳能飞行装置当前飞行地的太阳处于初升或日落状态时，机身上的采光板有可能被遮挡，没有被遮挡的部分也因为采光板与阳光的夹角过小导致其单位面积获取的太阳辐射能很小，因此其获取太阳能的效率比较低，受天气、飞行时间等因素影响很大，从而导致其可靠度降低。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于当飞行器所在地的太阳光与地面的夹角较小时，其获取太阳能的效率很低，从而提出一种可以控制飞翼折起或展平来提高获取的太阳能的太阳能飞行器及其控制器的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种太阳能飞行器，包括机体、设置于机体表面的薄膜太阳能电池和设置于机体内部的控制器，机体至少包括对称设置的两个飞翼，每个飞翼至少包括第一端翼和第二端翼，第一端翼与第二端翼通过第一转轴转动连接，控制器用于根据太阳光的照射角度控制第一转轴转动以增大设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

优选地，两个飞翼通过第二转轴转动连接，控制器还用于根据太阳光的照射角度控制第二转轴转动以增大设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

优选地，机体还包括机身和两个第三转轴，两个飞翼分别设置于机身的两侧且分别通过一个第三转轴与机身转动连接，控制器还用于根据太阳光的照射角度控制第三转轴转动以增大设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

优选地，控制器还可用于根据太阳光的照射角度和飞行目的地调整飞行方向和飞行姿态以增大设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能，控制器是根据当前飞行日期、时间和位置来获取太阳光的照射角度的。

优选地，还包括设置于机身后端的尾翼，尾翼为两个，且呈倒V形设置，每个尾翼与机身可转动连接，控制器还可用于控制尾翼转动以增大设于尾翼表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

优选地，飞翼的后边沿上设有涵道风扇6；薄膜太阳能电池采用镶嵌的方式与机体结合；还包括用于供能的高能电池，高能电池通过可脱离结构与机体连接。

优选地，机身的上表面设有沿其长度方向延伸的V形凹槽。

优选地，机身头部、飞翼的翼尖和尾翼的翼尖为透明材料，其内部设有朝向机身前方或上方的光伏电池阵列。

一种用于太阳能飞行器的控制器的控制方法，包括如下步骤：

获取太阳光的照射角度；

计算机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能；

当光照面积和单位面积接收的太阳辐射能小于预设阈值时，向着增大光照面积和单位面积接收的太阳辐射能的方向多次调整两个第一转轴的转动，直至光照面积和单位面积接收的太阳辐射能最大。

优选地，还包括根据太阳光的照射角度和飞行目的地调整飞行方向、飞行姿态，直至光照面积和单位面积接收的太阳辐射能最大。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本实施例提供的太阳能飞行器及其控制器的控制方法，该飞行器的每个飞翼包括第一端翼和第二端翼，且连接第一端翼和第二端翼的第一转轴可由控制器控制转动，当太阳光与地面的角度较小时，控制器就控制第一转轴转动，使得部分设于机体表面的薄膜太阳能电池的受光面与太阳光的照射方向的夹角增大；当太阳光与地面的角度较大或接近垂直时，控制器就控制第一转轴转动，使得整个飞翼呈水平伸展状态。即可以根据太阳光的照射角度实时调整以增大薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能，从而在保证飞行器的飞行稳定性的同时可以最大程度的获取太阳能，以提高飞行器的续航时间。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种太阳能飞行器结构示意图；

图2是本发明实施例2的一种太阳能飞行器结构示意图；

图3是本发明实施例2的一种飞翼处于折起状态的太阳能飞行器的结构示意图。

图中附图标记表示为：1-机身、2-飞翼、21-第一端翼、22-第二端翼、3-尾翼、41-第一转轴、42-第二转轴、43-第三转轴、5-可变距螺旋桨、6-涵道风扇、7-高能电池。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的内容，下面结合附图和实施例对本发明所提供的技术方案作进一步的详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种太阳能飞行器，包括机体、设置于机体表面的薄膜太阳能电池和设置于机体内部的控制器，机体包括对称设置的两个飞翼2，每个飞翼2至少包括第一端翼21和第二端翼22，且第一端翼21与第二端翼22通过第一转轴41转动连接，控制器用于根据太阳光的照射角度控制第一转轴41转动以增大设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

在其他可变化实施方式中，飞翼2也可包括两个以上的端翼，如3个或4个，相邻两个端翼是通过转轴转动连接的，因此每个飞翼2分别增加一个端翼需要相应增加一个转轴。两个飞翼2的端翼数也可以不一致，可综合考虑对太阳能的获取以及飞行器自身飞行的稳定性等方面选取合适的端翼数。

本实施例提供的太阳能飞行器，每个飞翼2包括第一端翼21和第二端翼22，且连接第一端翼21和第二端翼22的第一转轴41可由控制器控制转动，当太阳光与地面的角度较小时，控制器就控制第一转轴41转动，使得部分设于飞翼表面的薄膜太阳能电池的受光面与太阳光的照射方向的夹角增大；当太阳光与地面的角度较大或接近垂直时，控制器就控制第一转轴41转动，使得整个飞翼2呈水平伸展状态。即可以根据太阳光的照射角度实时调整飞翼2上第一端翼21和第二端翼22的相对角度，以增大薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能，从而在保证飞行器的飞行稳定性的同时可以最大程度的获取太阳能，以提高飞行器的续航时间。

优选地，该飞行器的两个飞翼2通过第二转轴42转动连接，如图1中，两侧的飞翼2的第一端翼21通过第二转轴42可转动地连接在一起。控制器还用于根据太阳光的照射角度控制第二转轴42转动以增大设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。该飞行器的机身和飞翼2融为一体，当飞翼2沿着第一转轴41和第二转轴42折起一定的角度后可以提供一定的水平及纵向安定度，尤其是偏航的稳定度。还可以一定程度降低飞翼2的诱导阻力，增加升阻比。两侧飞翼2不对称折起时，即两侧的飞翼2上第一端翼21与第二端翼22的夹角角度不一致时可以改变两侧飞翼2的升力，从而便于实现机体翻滚的控制。

优选地，控制器还可用于根据太阳光的照射角度和飞行目的地调整飞行方向和飞行姿态以增大设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。具体地，控制器是根据当前飞行日期、时间和位置来获取太阳光的照射角度的。由于太阳的位置在固定的时间是不变的，因此获取了当前的日期和时间后，太阳的位置变可以获知，结合当前飞行器的位置，就可以获知太阳光此时的照射角度，从而结合飞行目的地来调整飞行器的飞行姿态，例如当太阳光的照射角度较低(日出或日落)时，可以向着光照方向，如果目的地不在此方向，可以将机身向光源方向倾斜，使其可以获得最大的光照面积和单位面积的太阳能辐射。

此外，飞翼2的后边沿上设有涵道风扇6，其可形成一定的机体负压，增加升力。薄膜太阳能电池采用镶嵌的方式与机体结合，而不需要将其做成组件再覆盖在飞行器的蒙皮或结构之上，镶嵌的方式结合的薄膜太阳能电池可提高飞行器的结构强度，减轻其重量从而降低翼载荷，并与蒙皮一样可以保护飞行器。薄膜太阳能电池的电极设置在其反面，并在机体内部进行电连接。还包括用于供能的高能电池7，高能电池7通过可脱离结构与机体连接。在飞行器从地面起飞的过程中需要较多的能量，此时可由高能电池7来提供，在完成这个过程之后，为了减小飞行器的重量、降低能耗可将该高能电池7抛离。

本实施例中，机体的正反两面均设有薄膜太阳能电池，薄膜太阳能电池可为高效的可弯曲的GaAs薄膜太阳能电池或CIGS薄膜太阳能电池或晶硅薄膜太阳能电池。机体内部还设有锂电池或其他高效储能电池，在阳光充足时可储存由薄膜太阳能电池转换的多余的电能，在阳光不足时用于给飞行器供能。

本实施例中优选飞翼2的翼展为2-10米，弦长为12-50厘米。虽然说在材料工艺等其他条件不变的情况下，可通过减小飞行器的尺寸来降低翼载荷，但是由于空气粘滞性及雷诺数的影响，飞行器的升阻比会随着飞行器尺寸的减小而下降。本实施例提供的飞行器通过飞翼2尺寸和结构的设计已使得其具有很高的升阻比，具体可达30以上。

另外，该飞行器还设有GPS导航系统、无线电高度计陀螺仪、射频发射接收装置等，用于自主导航和飞行控制。

上述飞行器优选飞行在同温层中部(3-4万米高度)至平流层底部(1-2万米高度)，因为该区域具有较好的飞行环境及受光环境。飞行器可利用电能爬升至最高可飞行角度，然后利用势能滑翔至平流层底部，最后利用电能保持平飞，并可间隔循环进行该飞行过程。该飞行模式具有较好的能量利用率和较小的重量负荷。飞行器的飞行速度可达50-200公里/小时。

以飞翼2面积0.5平方米，翼展3米，重量2公斤的飞行器为例，可获得最大约200瓦的光伏电能，飞机升阻比50，保持平飞所需要能量约为35瓦，飞行速度可达100公里时速以上，足以抵御高空紊流和气流的影响。

实施例2

如图2和图3所示，本实施例提供了另一种太阳能飞行器，包括机体、设置于机体表面的薄膜太阳能电池和设置于机体内部的控制器，机体包括对称设置的两个飞翼2，每个飞翼2至少包括第一端翼21和第二端翼22，且第一端翼21与第二端翼22通过第一转轴41转动连接，控制器用于根据太阳光的照射角度控制第一转轴41转动以增大设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。机体还包括机身1和两个第三转轴43，两个飞翼2分别设置于机身1的两侧且分别通过一个第三转轴43与机身1转动连接，控制器还用于根据太阳光的照射角度控制第三转轴43转动以增大设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

本实施例提供的太阳能飞行器，控制器实时获取太阳光的照射方向，当其与地面的夹角较小时，如图3所示，则控制第一转轴41和第三转轴43转动直到设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能最大；当太阳光与地面的夹角较大时，如图2所示，则控制第一转轴41和第三转轴43转动直到飞翼2呈水平延伸状态。即通过控制第一转轴41和第三转轴43的转动来使得该飞行器能最大程度地获取太阳能。

优选地，该飞行器还包括设置于机身1后端的尾翼3，尾翼3为两个，且呈倒V形设置。每个尾翼3与机身1可转动连接，控制器还可用于控制尾翼3转动以增大设于尾翼3表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。该两个可与机身1相对转动且呈倒V形设置的尾翼3可减少太阳光被遮挡的区域面积，同时相比于水平或垂直方向设置的尾翼3，其可减少飞行器的阻力，还可以有助于飞行器的偏航控制与翻滚控制。

优选地，机身1的上表面设有沿其长度方向延伸的V形凹槽。该V形凹槽的两个上边沿即为第三转轴43的所在处，其使得机身1与飞翼2的形状衔接有一个过渡，可以减小飞行器的飞行阻力并获得一定的机身升力。

优选地，机身1头部、飞翼2的翼尖和尾翼3的翼尖为透明材料，其内部设有朝向机身1前方或上方的光伏电池阵列。因为薄膜太阳能电池一般为方形或八边形，并不能完全覆盖机体的整个外表面，因此在薄膜太阳能电池覆盖不到的地方通过上述方法设置光伏电池阵列可使得该飞行器获取更多的太阳能。

另外，为了进一步增大薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能，可增大飞翼2厚度方向上的表面积以及机身1侧面的表面积，并尽可能全面覆盖的设置薄膜太阳能电池。

上述飞行器的机身1头部前端还设有小尺寸可变距螺旋桨5，以在飞行高度及速度发生较大变化时，保证飞行器的高效运行。

实施例3

本实施例提供了一种用于太阳能飞行器的控制器的控制方法，包括如下步骤：

首先，获取太阳光的照射角度；

然后，计算机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能；

最后，当光照面积和单位面积接收的太阳辐射能小于预设阈值时，向着增大光照面积和单位面积接收的太阳辐射能的方向多次调整两个第一转轴41的转动，直至光照面积和单位面积接收的太阳辐射能最大。

本实施例提供的用于太阳能飞行器的控制器的控制方法，可根据太阳光的照射角度实时控制第一转轴41的转动，以增大机体表面的薄膜太阳能电池的受光面积以及其与太阳光的夹角角度，从而更高效的获取太阳能，以增加飞行器的续航时间。

此外，针对实施例1中的飞行器，还可以调整第二转轴42的转动方向，从而调整两个第一端翼21之间的角度，与通过调整第一转轴41的转动从而调整第一端翼21和第二端翼22之间的角度相结合，使得设于机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积最大和单位面积接收的太阳辐射能最大。

针对实施例2中飞行器，则可以同时调整机身每侧的第三转轴43和第一转轴41，使得第一端翼21和第二端翼22的角度发生变化，保证光照面积和单位面积接收的太阳辐射能最大。

此外，还包括根据太阳光的照射角度和飞行目的地调整飞行方向、飞行姿态，直至光照面积和单位面积接收的太阳辐射能最大。

对于实施例2中的飞行器，还包括控制尾翼3转动，增大尾翼3表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种太阳能飞行器，包括机体、设置于所述机体表面的薄膜太阳能电池和设置于所述机体内部的控制器，所述机体至少包括对称设置的两个飞翼(2)，其特征在于，每个所述飞翼(2)至少包括第一端翼(21)和第二端翼(22)，所述第一端翼(21)与所述第二端翼(22)通过第一转轴(41)转动连接，所述控制器用于根据太阳光的照射角度控制所述第一转轴(41)转动以增大设于所述机体表面的所述薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

2.如权利要求1所述的太阳能飞行器，其特征在于，两个所述飞翼(2)通过第二转轴(42)转动连接，所述控制器还用于根据太阳光的照射角度控制所述第二转轴(42)转动以增大设于所述机体表面的所述薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

3.如权利要求1所述的太阳能飞行器，其特征在于，所述机体还包括机身(1)和两个第三转轴(43)，两个所述飞翼(2)分别设置于所述机身(1)的两侧且分别通过一个所述第三转轴(43)与所述机身(1)转动连接，所述控制器还用于根据太阳光的照射角度控制所述第三转轴(43)转动以增大设于所述机体表面的所述薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

4.如权利要求1-3中任一项所述的太阳能飞行器，其特征在于，所述控制器还可用于根据太阳光的照射角度和飞行目的地调整飞行方向和飞行姿态以增大设于所述机体表面的所述薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能，所述控制器是根据当前飞行日期、时间和位置来获取太阳光的照射角度的。

5.如权利要求3-4中任一项所述的太阳能飞行器，其特征在于，还包括设置于所述机身(1)后端的尾翼(3)，所述尾翼(3)为两个，且呈倒V形设置，每个所述尾翼(3)与所述机身(1)可转动连接，所述控制器还可用于控制所述尾翼(3)转动以增大设于所述尾翼(3)表面的所述薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能。

6.如权利要求1-5中任一项所述的太阳能飞行器，其特征在于，所述飞翼(2)的后边沿上设有涵道风扇(6)；所述薄膜太阳能电池采用镶嵌的方式与机体结合；还包括用于供能的高能电池(7)，所述高能电池(7)通过可脱离结构与所述机体连接。

7.如权利要求3-6中任一项所述的太阳能飞行器，其特征在于，所述机身(1)的上表面设有沿其长度方向延伸的V形凹槽。

8.如权利要求5-7中任一项所述的太阳能飞行器，其特征在于，所述机身(1)头部、所述飞翼(2)的翼尖和所述尾翼(3)的翼尖为透明材料，其内部设有朝向所述机身(1)前方或上方的光伏电池阵列。

9.一种用于太阳能飞行器的控制器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取太阳光的照射角度；

计算所述机体表面的薄膜太阳能电池的光照面积和单位面积接收的太阳辐射能；

当所述光照面积和所述单位面积接收的太阳辐射能小于预设阈值时，向着增大所述光照面积和所述单位面积接收的太阳辐射能的方向多次调整两个所述第一转轴(41)的转动，直至所述光照面积和所述单位面积接收的太阳辐射能最大。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括根据太阳光的照射角度和飞行目的地调整飞行方向、飞行姿态，直至所述光照面积和所述单位面积接收的太阳辐射能最大。