CN106712707A - 一种高空飞行器太阳能电池板的散热和温差发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种高空飞行器太阳能电池板的强制对流散热和温差发电装置，强制对流散热能提高系统的换热效率，使太阳能电池板满足工作所需温度。太阳照射条件下，太阳能电池板的上表面温度可达到100℃以上，3万米高空低密度的空气大大减小了散热效率，因此在如此严酷的工作条件下，电池板的散热设计就变得非常重要。而机翼的下表面温度与环境温度(即螺旋桨前来流温度)则只有‑40℃左右，考虑到机翼上下表面的温差非常大，可以利用此资源设计一种温差发电装置，连同太阳能电池板装置一起为飞行器提供足够的能源，此举可增加能源使用的效率，从而可以有效延长飞行器的飞行时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种高空飞行器太阳能电池板的强制对流散热和温差发电装置，其目的是根据高空飞行器太阳能电池板的温度控制要求、满足电池板工作温度条件，设计出一种适用于工作高度为3万米左右、单次连续飞行航时大于48小时的高空飞行器太阳能电池板的散热装置。同时，考虑到高空条件下机翼的上表面(太阳能电池板下部)与机翼的下表面温差最大时可达100℃以上，因此在机翼内设计一种利用温差进行发电的装置，提高能源利用效率，也可以带走一部分的热量，加强散热效果。具体涉及模型几何尺寸的确定、对流散热通道及冷空气流量的确定、温差发电装置的设计与排布等问题。
背景技术
随着科技发展和信息化作战概念的提出，在20～50km的高空(即临近空间)的战略价值越来越高，而在这个高度飞行的飞行器由于独特的气温、气压等环境因素，使得热控方法不同于通常的航空飞行器和航天器，但又兼具航空器和航天器的特点。太阳照射条件下，太阳能电池板的上表面温度可达到100℃以上，超过了可以正常工作的条件，因此在如此严酷的工作条件下，散热设计就变得非常重要。而机翼的下表面温度与环境温度(即螺旋桨前来流温度)则只有-40℃左右，考虑到机翼上下表面的温差非常大，可以利用此资源设计一种温差发电装置，连同太阳能电池板装置一起为飞行器提供足够的能源，此举可增加能源的使用率，从而可以有效延长飞行器的飞行时间。
30km工作高度上的空气比较稀薄，不利于太阳能电池板表面与大气环境的对流散热，但由于空气温度低至-40℃，与电池板表面温差较大，因此可以通过加强强制对流散热来实现太阳能电池板的散热要求。相比较于辐射换热，平流层底部空间的热环境下，强制对流换热的作用明显大于辐射换热，并且在相同的热载荷工况下，对流散热系统的总重量要远小于辐射散热系统的总重量。另外，辐射散热系统的散热能力随着空间外热流的周期性变化的波动比较大，而对流散热系统则有比较稳定的散热性能。
温差发电技术利用热能直接进行发电，结构简单，无运动部件，无噪声，无污染，结构简单，质量轻便。目前随着材料科学和工艺的发展，大量高性能材料在工程上取得实际应用成为可能，包括用于温差发电的半导体材料、导热硅脂材料、硅稳压管以及铝合金散热材料等。
综上所述，目前针对高空飞行器的散热设计还没有将对流散热和温差发电相结合的系统出现，需要解决包括模型几何尺寸的确定、对流散热通道及冷空气流量的确定、温差发电装置的设计与排布等问题。
发明内容
本发明技术解决问题：解决目前还没有的高空飞行器强制对流换热问题和温差发电相结合的问题，通过两个系统分开设计，最后进行整合来达到所要求的工作条件。
本发明基于常见的风机强制对流散热器和半导体温差发电装置，进行预定的散热设计与发电功能。太阳能电池板放置于飞行器机翼的上表面，接受太阳光照射，在产生电能的同时发热，温度可达100℃以上，将强制对流的风扇布置于机翼的前缘的中间位置，通过冷却通道将冷空气输送到太阳能电池板旁边。这样的布置方式可以把对翼型的影响降到最小，也便于引气和布线。温差发电系统布置于机翼的内部，不影响机翼的气动外形，半导体的两端分别连接到机翼的上表面和下表面的内侧，将之分别作为热边和冷边，通过与之相连的温差发电系统内的温差发电片、稳压装置、储能元件进行温差发电过程。
本发明采用的技术方案由如下两大部分构成：
1.强制对流换热系统。该系统由输送冷空气的风机、冷却通道和出风口等组成，风机安装于机翼前缘中间的位置，可将周围环境的冷空气输送入冷却通道进行对太阳能电池板的冷却过程。冷却通道的布置根据太阳能电池板的排布决定，冷却通道布置于太阳能电池板下方，由机翼内部的类似夹层结构构成，对电池板的每个部分均可以有冷却效果。出风口布置于机翼的后缘处的两侧，使得舱内外的空气能够良好流通。
2.温差发电系统。该系统由集热板、半导体发电部件、导热硅脂、隔热保温层、支撑结构、散热部件、温度传感器、稳压装置和储能部件等组成。在机翼内部对应每一块太阳能电池板的位置布置一个发电单元，通过集热板从高温表面(机翼上表面内侧)获得热量，经半导体发热部件将热能转化为电能，之后通过散热部件将废热从冷边(机翼下表面内侧)散出。将多个发电单元通过继电器连接，经控制中心控制继电器开关接通方向，从而控制整个装置的工作，输出电压经稳压装置处理后进入储能单元。可以实现自动化控制，且系统轻便。
附图说明
图1是太阳能电池板在机翼表面的排布方式示意图
图2是电池板之间的冷却通道安排示意图
图3是强制对流风机的安装与进气口位置图
图4是冷却气体的排气口示意图
图5是温差发电系统工作原理示意图
图6是温差发电单元的机械结构示意图
图7是温差发电单元的布置示意图
图8是整个发明的系统总图
具体实施方式
1.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及方案实例，对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
首先，对机翼进行设定，高空长航时太阳能飞机的飞行速度约为100m/s，翼型选用为下平翼型的矩形机翼。机翼为空心，表面包裹有蒙皮，所有的相关设备均安装在机翼内部，实际情况下的参数可用以下相同的方法进行类比计算。太阳能电池板沿机翼的长度方向布置于机翼上表面蒙皮的上方，如图1所示的为机翼与电池板构成的一个机翼单元，整个飞行器的机翼由多个机翼单元横向拼接而成。
冷却通道位于机翼内部的太阳能电池板下方位置，由类似夹层结构构成，能使冷空气较为均匀地分布到电池板下部的每个位置，其示意图如图2。
风机的安装位置是机翼前缘的中间位置，为了尽可能地减小对机翼的气动外形的影响，在风机的舱室与机翼相交的位置采用平滑曲面过渡，如图3所示。接下来通过预设参数来进行对风机流量的选型。由风机输送的冷空气，流经机箱并吸收箱内的电子元件散发的耗热量后，其温度上升。根据所得的空气流量，假定散热前后温度差，通过计算得到电池板表面温度，以此判断设备热设计是否满足要求，若不符合要求则重新假定温度差重复上述计算，直到满足设备热设计要求为止。
冷却气体的排气口位于机翼后缘处，为了使冷却气体在每个冷却通道中路径相同(即不会因为有更短路径而未前往某处冷却)，将冷却气体的出口开在靠近翼尖附近的冷却通道出口处，如图4所示。
2.温差发电系统由发电单元、稳压单元和储能单元组成，发电单元由集热板、导热硅脂、温差发电片、隔热保温层、支撑结构、散热部件、温度传感器、及控制板组成，硅稳压管稳压电路构成稳压单元，普通超级电容构成储能单元。发电单元工作过程为：集热板从高温壁面获取热量，通过温差发电片发热，废热通过散热部件从冷边排散，多个发热单元通过控制板控制的继电器连接，输出电压经过稳压处理后进入储能单元。其工作原理如图5所示。
温差发电系统的发电单元分别均布于机翼内部上方对应于太阳能电池板的中心位置。各发电单元的结构简图如图6所示。布置方式如图7所示。
最后，此发明所涉及到的系统总图如图8所示。
以上所述仅为本发明的理想状况下的设计计算方法实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高空飞行器太阳能电池板的散热和温差发电装置，其特征包括以下两大部分内容：
第一部分，强制对流换热系统。该系统由输送冷空气的风机、冷却通道和出风口等组成，风机安装于机翼前缘中间的位置。冷却通道的布置位于太阳能电池板的下方的机翼内部，机翼内部的夹层状结构构成了冷却通道。出风口布置于机翼的后缘处。
第二部分，温差发电系统。该系统由集热板、半导体发电部件、导热硅脂、隔热保温层、支撑结构、散热部件、温度传感器、稳压装置和储能部件等组成。在机翼内部对应每一块太阳能电池板的位置布置一个发电单元，通过集热板从高温表面(机翼上表面的内侧)获得热量，经半导体发热部件将热能转化为电能，之后通过散热部件将废热从冷边(机翼下表面的内侧)散出。将多个发电单元通过继电器连接，经控制中心控制继电器开关接通方向，从而控制整个装置的工作，输出电压经稳压装置处理后进入由超级电容构成的储能部件。
2.根据权利要求1所述的一种高空飞行器太阳能电池板的散热和温差发电装置，其特征在于：强制对流风机的安装需要考虑到飞行器机翼的气动外形，安装位置在机翼前缘的中间位置；又需要考虑到冷却气体流向，将出风口安排在机翼后缘两侧靠外处；冷却通道布置于太阳能电池板下方，由机翼内部的类似夹层结构构成。
3.根据权利要求1所述的一种高空飞行器太阳能电池板的散热和温差发电装置，其特征在于：温差发电系统有多个子单元，对应于每一个太阳能电池板中心处有一个发电单元，通过继电器双刀、三刀开关连接多个发电装置子单元并通过控制中心决定实时开关方向，可以实现自动化控制，且系统轻便。
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