CN106557617A - 一种晴空固定翼太阳能无人机能量生产功率估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种晴空固定翼太阳能无人机能量生产功率估计方法，涉及太阳能无人机设计及任务规划领域。所述方法用ASHRAE晴空模型解算出飞行时间和地点的太阳辐射强度，通过推导太阳位置与无人机姿态之间相互关系求解太阳光进入无人机翼面入射角，再将无人机翼面太阳能电池面板当做一斜面的处理，根据太阳能电池能量转化效率，从而求出太阳能无人机能量生产功率。与当前太阳能无人机能量生产功率计算方法相比，本发明更能准确的估计无人机不同状态下能量状况；本发明提供的估计方法适应范围非常广泛，在地球上几乎所有地点都能适用；本发明提供的估计方法简单、方便，只需要几个参数即可，易于工程应用。

Description

一种晴空固定翼太阳能无人机能量生产功率估计方法

技术领域

本发明涉及太阳能无人机设计及任务规划领域，具体地说，是指一种晴空固定翼太阳能无人机能量生产功率估计方法。

背景技术

近几十年来，为实现飞行器超长航时飞行，依靠太阳能发电的电动推进技术在飞行器中得到大量实施。且随着超长航时太阳能飞行器在某些军事应用领域及民用应用领域显现出的突出优势，太阳能飞行器的开发引起了各国科研工作者的极大兴趣，并取得了一系列重要研究成果。太阳能飞行器表面(主要为机翼)覆盖有太阳能发电光伏器件，其能量主要来源于太阳，白天飞行器光伏器件生产能量一部分供飞机飞行消耗，另一部分存储于蓄电池中，用于光伏器件能量生产不足时，给飞行器供能，如Helios太阳神高空长航时无人机已经验证了太阳能超长航时无人机的可行。然而，对于太阳能超长航时无人机要实现可靠、安全及低成本飞行，仍然存在一些问题需要深入研究，如更轻量的结构材料、更高的气动效率、鲁棒性更好的飞行控制系统以及更优化的能源系统。其中，由于能源系统直接影响飞行器性能指标及任务规划，而合理、精准的计算太阳能飞行器能量生产状况是太阳能飞行器实现能量有效管理的基础，更显重要。

近几年，关于太阳能飞机的能量管理研究，已取得不少成果。根据现有公开资料，现有相关研究对基于飞行器设计和航迹规划的能量管理，进行了总体分析与研究，并针对太阳能飞行器考虑能量优化的总体设计与路径规划，提供了一些非常具有指导性的建议和方法。然而，这些研究基于飞行器姿态不影响其能量生产这一基本假设开展的。太阳能飞行器实际飞行中，其姿态直接影响其翼面太阳能电池能量生产功率，尤其当飞机执行一些需要机动任务(如跟踪慢速目标)时，影响十分显著。

发明内容

本发明的目的是提出一种晴空固定翼无人机能量生产功率估计方法，利用该方法，能在晴空天气下估算太阳能无人机能量生产功率，更合理的反映太阳能飞行器能量生产与太阳辐射之间的关系。为达到这样的目的，本发明用ASHRAE晴空模型解算出飞行时间和地点的太阳辐射强度，通过推导太阳位置与无人机姿态之间相互关系求解太阳光进入无人机翼面入射角，再将无人机翼面太阳能电池面板当做一斜面的处理，根据太阳能电池能量转化效率，从而求出太阳能无人机能量生产功率。

本发明所述的晴空固定翼太阳能无人机能量生产功率估计方法，包括以下步骤：

步骤一：由ASHRAE晴空模型解算给定飞行时间、飞行地点的I_h、I_b和I_d；

I_h＝I_bsinα_e+I_d (2)

b＝1.219-0.043τ_b-0.151τ_d-0.204τ_bτ_d (5)

d＝0.202+0.852τ_b-0.007τ_d-0.357τ_bτ_d (6)

式中：

I₀：表示太阳常数，n_day太阳天数(从1月1日开始，1月1日为1)。

I：在n_day时刻，大气层上界的太阳辐射强度；

I_h：单位水平面上受到的太阳总辐射强度；

I_b：单位水平面上受到的太阳直接辐射强度；

I_d：单位水平面上受到的太阳直接散射强度；

m_r：空气质量比；

τ_b,τ_d:直射和散射光学深度,它通过查表和差值得到；

b,d:直射和散射空气质量指数；

α_e:太阳高度角，与天顶角互余。

步骤二：计算当前太阳高度角与方位角：

sin(α_e)＝sin(n_lat)sin(δ)+cos(n_lat)cos(δ)cosω(t) (8)

δ＝0.4093sin(2π(284+n_day)/365) (10)

ω(t)＝0.2618×(12-t_local) (11)

其中，α_s表示太阳方位角；α_e表示太阳高度角；n_lat表示飞行地点纬度；δ表示太阳赤纬角；ω(t)表示太阳时；t_local表示本地当前时间。

步骤三：计算当前时刻太阳光进入太阳能无人机翼面入射角：

其中，λ为太阳光进入太阳能无人机翼面的入射角，θ为太阳能无人机俯仰角，ψ为太阳能无人机偏航角，φ为太阳能无人机滚转角。

步骤四：计算太阳能无人机翼面太阳辐射强度及太阳能无人机能量生产功率：

P_in＝η_solSP_s (14)

P_s(λ)表示飞机姿态为(ψ,θ,φ)时翼面单位面积太阳辐射强度；ρ_r为地面反射率，可查表获得。S为机翼面积；η_sol为太阳能电池效率；P_in表示当前太阳能无人机能量生产功率。

本发明提出的一种晴空固定翼太阳能无人机能量生产功率估计方法的优点在于：

(1)与当前太阳能无人机能量生产功率计算方法相比，本发明更能准确的估计无人机不同状态下能量状况。

(2)本发明提供的估计方法适应范围非常广泛，在地球上几乎所有地点都能适用。

(3)本发明提供的估计方法简单、方便，只需要几个参数即可，易于工程应用。

附图说明

图1是本发明的一种晴空固定翼太阳能无人机能量生产功率估计方法流程图。

图2是实施例给出的生产功率估计方法流程图。

图3实施例中给出的北京7月21日各个时刻太阳辐射强度统计图。

图4是给定无人机以某个姿态时全天各个时刻能量生产功率统计图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种晴空固定翼太阳能无人机能量生产功率估计方法作进一步说明。

本发明提供一种晴空固定翼太阳能无人机能量生产功率估计方法，如图1所示流程，具体包括如下步骤：

步骤一：由ASHRAE晴空模型(太阳辐射晴空统计模型)解算给定飞行时间、飞行地点太阳辐射强度I；

I_h＝I_bsinα_e+I_d (2)

b＝1.219-0.043τ_b-0.151τ_d-0.204τ_bτ_d (5)

d＝0.202+0.852τ_b-0.007τ_d-0.357τ_bτ_d (6)

式中：

I₀表示太阳常数，n_day太阳天数(从1月1日开始，1月1日为1)。

I_h：单位水平面上受到的太阳总辐射强度；

I_b：单位水平面上受到的太阳直接辐射强度；

I_d：单位水平面上受到的太阳直接散射强度；

m_r：空气质量比；

τ_b,τ_d:直射和散射光学深度,它通过查表和差值得到；

b,d:直射和散射空气质量指数；

α_e:太阳高度角，与天顶角互余。

步骤二：计算当前时间和地点的太阳高度角与方位角：

sin(α_e)＝sin(n_lat)sin(δ)+cos(n_lat)cos(δ)cosω(t) (8)

δ＝0.4093sin(2π(284+n_day)/365) (10)

ω(t)＝0.2618×(12-t_local) (11)

其中，α_s表示太阳方位角；α_e表示太阳高度角；n_lat表示飞行地点纬度；δ表示太阳赤纬角；ω(t)表示太阳时；t_local表示本地当前时间。

步骤三：计算当前时刻太阳光进入太阳能无人机翼面入射角：

其中，λ为太阳光进入太阳能无人机翼面的入射角，θ为太阳能无人机俯仰角，ψ为太阳能无人机偏航角，φ为太阳能无人机滚转角。

步骤四：计算太阳能无人机翼面太阳辐射强度及太阳能无人机能量生产功率：

P_in＝η_solSP_s (14)

P_s(λ)表示飞机姿态为(ψ,θ,φ)时翼面单位面积太阳辐射强度；ρ_r为地面反射率，可查表获得。S为机翼面积；η_sol为太阳能电池效率；P_in表示当前太阳能无人机能量生产功率。

实施例：

假设某太阳能无人机机翼面积S为0.1566m²，飞行地点为北京(39.93°N,116.28°E)，太阳能电池转换效率η_sol为0.2，分别考察飞行时间为7月21日，无人机状态为俯仰角θ为0°，偏航角ψ为90°，滚转角φ为30°时，太阳能无人机当天各个时刻能量生产功率情况。此时τ_b和τ_d参数分别为0.747和1.448。如图2所示流程，首先结合北京经纬度，查找直射和散射光学深度表，通过式(1)-式(7)计算出北京此时地表太阳辐射强度如图3所示。根据公式(8)～公式(11)计算太阳角，进而根据公式(12)得到当前时刻太阳光进入太阳能无人机翼面入射角；再结合太阳能无人机与太阳角关系式可计算出太阳能无人机姿态角，根据公式(13)得到翼面辐射强度，根据公式(14)得到翼面生产功率。所述状态时各个时刻的能量生产功率如图4所示。从图中可以看出，太阳生产功率呈曲线变化，中午12点多，无人机生产功率达到最大，与太阳运行规律一致，反映了无人机生产功率特性。

Claims (1)

1.一种晴空固定翼太阳能无人机能量生产功率估计方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：由ASHRAE晴空模型解算给定飞行时间、飞行地点的I_h、I_b和I_d；

$I=I_0{(1+0.034cos\frac{2{\mathrm{\πn}}_{day}}{365.25})}^2---\left(1\right)$

I_h＝I_b sinα_e+I_d (2)

$I_b={\mathrm{Ie}}^{-{\mathrm{\τ}}_b{m_r}^b}---\left(3\right)$

$I_d={\mathrm{Ie}}^{-{\mathrm{\τ}}_d{m_r}^d}---\left(4\right)$

b＝1.219-0.043τ_b-0.151τ_d-0.204τ_bτ_d (5)

d＝0.202+0.852τ_b-0.007τ_d-0.357τ_bτ_d (6)

$m_r=\frac{1}{{\mathrm{sin\α}}_e}---\left(7\right)$

式中：

I₀表示太阳常数，n_day太阳天数；

I：在n_day时刻，大气层上界的太阳辐射强度；

I_h：单位水平面上受到的太阳总辐射强度；

I_b：单位水平面上受到的太阳直接辐射强度；

I_d：单位水平面上受到的太阳直接散射强度；

m_r：空气质量比；

τ_b,τ_d:直射和散射光学深度,它通过查表和差值得到；

b,d:直射和散射空气质量指数；

α_e:太阳高度角，与天顶角互余；

步骤二：计算当前太阳高度角与方位角：

sin(α_e)＝sin(n_lat)sin(δ)+cos(n_lat)cos(δ)cosω(t) (8)

$\sin \left({\mathrm{\α}}_s\right)=\frac{\cos \left(\mathrm{\δ}\right)\cos \mathrm{\ω}\left(t\right)}{{\mathrm{cos\α}}_s}---\left(9\right)$

δ＝0.4093sin(2π(284+n_day)/365) (10)

ω(t)＝0.2618×(12-t_local) (11)

其中，α_s表示太阳方位角；α_e表示太阳高度角；n_lat表示飞行地点纬度；δ表示太阳赤纬角；ω(t)表示太阳时；t_local表示本地当前时间；

步骤三：计算当前时刻太阳光进入太阳能无人机翼面入射角：

$\begin{array}{c}\cos \left(\mathrm{\λ}\right)=\cos \left({\mathrm{\α}}_e\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_s\right)\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)-\cos \left({\mathrm{\α}}_e\right)\sin \left({\mathrm{\α}}_s\right)\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\sin \left(\mathrm{\φ}\right)\\ +\cos \left({\mathrm{\α}}_e\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_s\right)\cos \left(\mathrm{\ψ}\right)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+\cos \left({\mathrm{\α}}_e\right)\sin \left({\mathrm{\α}}_s\right)\sin \left(\mathrm{\ψ}\right)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_e\right)\cos \left({\mathrm{\α}}_s\right)\cos \left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}---\left(12\right)$

其中，λ为太阳光进入太阳能无人机翼面的入射角，θ为太阳能无人机俯仰角，ψ为太阳能无人机偏航角，φ为太阳能无人机滚转角；

步骤四：计算太阳能无人机翼面太阳辐射强度及太阳能无人机能量生产功率：

$P_s\left(\mathrm{\λ}\right)=I_{b}cos\left(\mathrm{\λ}\right)+I_d{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)+I_h{\mathrm{\ρ}}_r{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\φ}}{2}\right)---\left(13\right)$

P_in＝η_solSP_s (14)

P_s(λ)表示飞机姿态为(ψ,θ,φ)时翼面单位面积太阳辐射强度；ρ_r为地面反射率，S为机翼面积；η_sol为太阳能电池效率；P_in表示当前太阳能无人机能量生产功率。