CN108674671A - 用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块 - Google Patents

用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块 Download PDF

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Abstract

一种用于无人飞行器的太阳能电池模块，其包含载具本体及太阳能电池单元。载具本体设置于无人飞行器上。太阳能电池单元具有多个太阳能电池片，且贴附配置于载具本体上。其中太阳能电池单元所提供的功率(P)与太阳能电池模块的重量(Wg)的比例至少大于或等于0.1(W/g)。

Description

用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块
技术领域
本发明是有关于一种太阳能电池模块，特别是有关于一种用于无人飞行器的太阳能电池模块。
背景技术
无人飞行器由于具有可用来进行空中拍摄、搬运物件等功能，因此近年来愈趋受到重视及广泛运用。
然而，目前一般的无人飞行器大多是单一地借由电池提供电力予以进行飞行，但由于电池的电力容量非常有限，进而往往局限了无人飞行器的操控飞行时间，无法长时间地进行空拍纪录摄影等功能，致使无人飞行器的运用及续航力受到大幅限制。
其次，虽然目前有一些无人飞行器采用太阳能电池作为飞行电力来源，但此为固定翼型式。在固定翼飞行器中，螺旋桨或引擎提供水平方向的前进动力，气流方向较接近水平，通过飞行器的水平运动，让机翼的上下方产生压力差异来提供浮力，所以机翼本身有相当面积，且以水平为主，因此这上面有相当大的面积可以安装太阳能片，而刚好阳光也是从上往下照射，此水平方向的太阳能片可以直接吸收太阳光。
其太阳能电池的配置是与飞行推进器必须成垂直配置，以避免让太阳能电池阻挡飞行推进器所产生的推进气流。举例而言，如图1所示的具有太阳能电池的无人飞行器，无人飞行器10包含无人飞行器本体12、无人飞行器机翼14、太阳能电池16及动力推进器18。其中，无人飞行器机翼14 设置固定于无人飞行器本体12的两侧。太阳能电池16则是设置于无人飞行器机翼14上方，而动力推进器18则设置无人飞行器机翼14下方，如此借由太阳能电池16的电池表面与动力推进器18所产生的推进气流方向的垂直错开配置，以避免太阳能电池16的设置阻挡影响飞行推进器所产生的推进气流。
鉴于上述传统无人飞行器的机翼架构，其无法垂直起降，对于能够垂直起降的旋翼飞行器，因为螺旋桨的桨面为水平旋转，气流为垂直方向流动来对抗重力，让飞行器升起，此旋翼飞行器不需机翼，因此不能像前述固定翼那样，能够直接装置太阳能片。因此亟需一种不同的架构，以及对应此架构的太阳能电池相关特性，以提供足够电量来对抗重力为主的垂直气流式动力，可以实际有效提升无人飞行器的续航力及运用操作。
发明内容
本发明欲解决的问题为提供一种用于无人飞行器的太阳能电池模块，特别是可即时有效提供电力于无人飞行器，使无人飞行器在飞行或执行空拍或搬运等特定功能项目时，能够有充足的飞行操控续航力。
为解决上述的问题，本发明提出一种用于无人飞行器的太阳能电池模块，其包含载具本体及太阳能电池单元。载具本体设置于无人飞行器上。太阳能电池单元具有多个太阳能电池片，且贴附配置于载具本体上。其中太阳能电池单元所提供的功率(P)与太阳能电池模块的重量(Wg)的比例至少大于或等于0.1(W/g)。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该些太阳能电池片的表面与该无人飞行器的螺旋桨所产生的推进气流方向，大致相互呈垂直配置。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该无人飞行器的重量 (Wt)与该太阳能电池模块的重量(Wg)的比例至少大于或等于1.5(Wt/Wg)。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该太阳能电池模块的功率(P)与该太阳能电池模块的表面积(A)的比例至少大于或等于50(W/m2)。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该太阳能电池模块的表面积(A)与该太阳能电池模块的重量(Wg)的比例至少大于或等于 7(cm2/g)。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该太阳能电池模块提供的功率P至少为1W。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该太阳能电池模块提供的功率不超过5kW。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该无人飞行器为多轴式无人飞行器，并且该无人飞行器的每一螺旋桨提供的力距至少大于或等于对应方向的重力所造成力距的0.5倍。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该些太阳能电池片是具挠曲性。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该些太阳能电池片是折叠式。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该太阳能电池模块的功率(P)与该无人飞行器的重量(Wt)的比例至少大于或等于0.02(W/g)。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该太阳能电池模块的覆盖面积与该无人飞行器的至少一个螺旋桨之间的重叠比例，不超过该螺旋桨旋转时的涵盖面积的20％。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中包含切换模块，用以当该太阳能模块的电量不足时，切换至备用蓄电池。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中当该太阳能模块的电量充足时，该太阳能模块所产生的电力传输储存至该备用蓄电池。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该太阳能电池模块的总面积不超过100(m2)。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该太阳能电池单元包含多个子太阳能电池单元，其中每一个该子太阳能电池单元以串联或并联方式相互连接。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中每一个该些子太阳能电池单元具有电源连接端，用以相互组装拆卸。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该些太阳能电池片与水平面之间具有角度以减少上升时的空气阻力。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该角度固定，其数值可以在0度到45度之间。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，其中该角度为可以调整的，当该无人飞行器起飞时该角度被调整为大于0度，最大可到90度或接近90 度，等到该无人飞行器上升至需要的高度时，该角度被调整至较小角度，最小可为0度或接近0度。
所述的用于无人飞行器的太阳能电池模块，更包含角度调整单元，用以借由追踪操作环境的太阳光的照射角度，或根据该无人飞行器的飞行状态，并据以对应调整该角度。
如此一来，本发明所揭示无人飞行器的太阳能电池模块，特别是太阳能电池的电池表面是与螺旋桨所产生的推进气流方向，两者间相互大致呈垂直配置，以提供作为无人飞行器的电力来源并且有效提升改善其于飞行或其操控应用的续航力。
附图说明
图1是绘示习知技术的具有太阳能电池的无人飞行器的示意图。
图2A是绘示本发明一较佳实施例的一种用于无人飞行器的太阳能电池模块的俯视图。
图2B是绘示本发明一较佳实施例的一种用于无人飞行器的太阳能电池模块的俯视图。
图2C是绘示本发明一较佳实施例的一种用于无人飞行器的太阳能电池模块的俯视图。
图2D是绘示本发明一较佳实施例的一种用于无人飞行器的太阳能电池模块的俯视图。
图3是绘示本发明一实施例的一种用于无人飞行器的太阳能电池模块的立体图。
图4绘示本发明一较佳实施例的一种用于无人飞行器的太阳能电池模块的功能方框图
【主要元件符号说明】
10：无人飞行器 12：无人飞行器本体
14：无人飞行器机翼 16：太阳能电池
18：动力推进器 100：太阳能电池模块
110：载具本体 120：太阳能电池单元
121：子太阳能电池单元 121A：第一子太阳能电池单元
121B：第二子太阳能电池单元 121C：第三子太阳能电池单元
121D：第四子太阳能电池单元 122：太阳能电池片
130：无人飞行器 132：螺旋桨
140：切换单元 150：备用蓄电池
160：角度调整单元 θ：角度
具体实施方式
请参照图2A，其是绘示本发明一较佳实施例的一种用于无人飞行器的太阳能电池模块的俯视图。如图所示，一种用于无人飞行器130的太阳能电池模块100，其包含载具本体110及太阳能电池单元120。载具本体110 设置于无人飞行器130上。太阳能电池单元120具有多个太阳能电池片122，且贴附配置于载具本体110上。其中太阳能电池单元120所提供的功率(P) 与太阳能电池模块的重量(Wg)的比例至少大于或等于0.1(W/g)。如此一来，在正常标准太阳光强度下，亦即太阳光强度约为每平方米产生一千瓦的环境下，太阳能电池模块100将可有效率地提供无人飞行器130进行飞行所需的电力。
再者，在本实施例中，太阳能电池单元120中的太阳能电池片122的电池表面与无人飞行器130的螺旋桨132所产生的推进气流方向，两者间大致呈垂直配置。其次，在本发明的一较佳实施例中，无人飞行器130的重量(Wt)与太阳能电池模块100的重量(Wg)的比例至少大于或等于 1.5(Wt/Wg)，如此在此重量比例条件下，可避免太阳能电池模块100造成整体重量过重，反而影响无人飞行器的飞行效果，抑或太阳能电池模块100 所转换产生的电力无法实际负荷以达到具有较佳的飞行续航力。
此外，在本发明的另一较佳实施例中，太阳能电池模块100的总功率(P) 与其太阳能电池单元120中的太阳能电池片122的总表面积(A)的比例(P/A) 至少大于或等于50(W/m2)。如此一来，在正常标准太阳光强度下，借由较高太阳能电池片122的面积产出功率转换率，以提供无人飞行器130进行长时间的飞行与执行空拍或运输等应用。
再者，太阳能电池单元120中的太阳能电池片122的总表面积(A)与太阳能电池模块100的重量(Wg)的比例(A/Wg)至少大于或等于7(cm2/g)，进而让装载太阳能电池模块100的无人飞行器130的整体重量愈趋轻量，使其除了可提供电力来源以进行飞行外，亦可因轻量化而提供更佳的操控性能。
然而，更具体地说，在本发明的一实施例中，太阳能电池模块100的总面积不超过100m2。另一方面，关于本发明的太阳能电池模块100所提供的总功率P，其可依据实际需求而有其上下限制，举例而言，在本发明的一实施例中，太阳能电池模块100所提供的总功率P可至少为1W；另一方面，在本发明的另一实施例中，太阳能电池模块100所提供的总功率P则不超过5kW。其次，更仔细地说，在标准太阳光强度下，亦即太阳光强度约为每平方米产生一千瓦的环境下，太阳能电池模块100所提供的总功率 (P)与无人飞行器130的总重量(Wt)的比例则须至少大于或等于0.02W/g，如此在上述面积、功率与重量及其对应比例范围中，将可提供无人飞行器 130的电力，且亦可避免无人飞行器130的整体重量过重而影响飞行续航力与操作流畅性。
在本发明的一实施例中，无人飞行器可为多轴式无人飞行器，每一个螺旋桨提供的力距(换言之，浮力乘上螺旋桨的桨臂长度)至少大于或等于其对应方向的重力所造成力距的0.5倍，以足够提供当无人飞行器倾斜时，使其调整恢复平衡状态的力矩量。
接着请继续参照图2A，太阳能电池单元120中的太阳能电池片122是可依据整体外观设计而具挠曲性，以增加配置的多样性。另外，太阳能电池片122亦可依据配置需求而为折叠式，而使其太阳能电池模块100则可对应具有折叠收纳功能，因此当携带过程中将可大幅简化无人飞行器130 的体积，以具体增加使用便利性。
此外，太阳能电池单元120可包含多个子太阳能电池单元121，并且每一个子太阳能电池单元121是以串联或并联方式相互连接。更具体地说，倘若采用并联连接方式，则所有子太阳能电池单元121并联后的总电流等于无人飞行器130的输入电流；相对而言，倘若采用串联连接方式，则所有子太阳能电池单元121串联后的总电压等于无人飞行器130的输入电压。
更具体地说，如图2A所示，太阳能电池单元120可包含第一子太阳能电池单元121A、第二子太阳能电池单元121B、第三子太阳能电池单元121C 及第四子太阳能电池单元121D。其中，第一子太阳能电池单元121A与第二子太阳能电池单元121B是连接环设无人飞行器130的周围并形成矩形，而第三子太阳能电池单元121C与第四子太阳能电池单元121D则对应连接交叉于第一子太阳能电池单元121A与第二子太阳能电池单元121B所形成的矩形中。
再者，第一子太阳能电池单元121A、第二子太阳能电池单元121B、第三子太阳能电池单元121C及第四子太阳能电池单元121D分别具有多个太阳能电池片122。举例而言，在本发明的一实施例中，第一子太阳能电池单元121A的长宽尺寸为12.5厘米与78厘米，而太阳能电池片122的长宽尺寸为2.5厘米与1.2厘米，因此第一子太阳能电池单元121A可配置65个太阳能电池片122。以此类推，将第一子太阳能电池单元121A、第二子太阳能电池单元121B、第三子太阳能电池单元121C及第四子太阳能电池单元 121D分别所具有太阳能电池片122所产生的电流或电压，通过彼此间串联或并联的连接方式，将可整合产生无人飞行器130所需的适切输入电压或输入电流。
此外，在本发明的一实施例中，每一个子太阳能电池单元121可具有电源连接端，用以使子太阳能电池单元121可相互组装拆卸，如此一来当欲变更太阳能电池单元120的配置或输出功率时，即可通过单独更换组装部分的子太阳能电池单元121以进行调整，无须拆卸更换整个太阳能电池单元120，以有效提升使用便利性。
请参照图2B，其绘示本发明一较佳实施例的一种用于无人飞行器的太阳能电池模块的俯视图。如图所示，本发明亦可根据实际配置需求，而予以调整太阳能电池单元120的配置，而仅设置具有第三子太阳能电池单元 121C及第四子太阳能电池单元121D。其中，第三子太阳能电池单元121C 及第四子太阳能电池单元121D配置于无人飞行器130的机身上方，并且相互组接交叉于螺旋桨132之间。
再者，虽然本发明上述实施例及其图示中，太阳能电池单元120中与无人飞行器130的螺旋桨132两者是设置于相同水平高度，惟本发明不以此为限。此外，太阳能电池单元120的配置亦可高于无人飞行器130的螺旋桨132，而使得太阳能电池单元120中的太阳能电池片122可部分重叠覆盖于无人飞行器130的螺旋桨132的旋转范围。举例而言，于一实施例中，太阳能电池单元120的太阳能电池片122与无人飞行器130的螺旋桨132 之间的重叠面积比例，其不超过螺旋桨的旋转涵盖面积的20％。此外，在图2A中，无人飞行器130的螺旋桨132对照于太阳能电池模块100是较靠近中央的位置，而在图2B中，无人飞行器130的螺旋桨132对照于太阳能电池模块100是较接近四个角落。然而，在另一实施例，无人飞行器130 的螺旋桨132位置是在太阳能电池模块100的中央与角落之间，而太阳能电池单元120设置于太阳能电池模块100的其余位置。
请接续参照图2C，其绘示根据本发明的另一实施例的具有太阳能电池的无人飞行器的示意图。由于为了让无人飞行器130的螺旋桨132在飞行转动时更流畅，以减少飞行过程中无人飞行器130周围气流的扰动不平衡，因此无人飞行器130的载具本体110亦可于以设计具有圆形外框、对称多边形或其他流线外框，且太阳能电池片122同时也对应依其外框予以裁切与配置。
请参照图2D，其绘示根据本发明的另一实施例的具有太阳能电池的无人飞行器的示意图。由于多轴式无人飞行器的每一个螺旋桨提供的力距(浮力乘上桨臂长度)须至少为对应方向的重力加上空气阻力造成力距的0.5 倍，以足够调整无人机倾斜时，恢复平衡状态的力道，除了如图2B所示的将螺旋桨132的配置靠近整个无人飞行器130的载具本体110的外围角落，亦可采折中的方式，将螺旋桨132分别配置靠近无人飞行器130的载具本体110的外围边框中央处。这样的好处是，角形边缘离中心较远，因此其对应力矩(承受力乘上载具本体中心至右边角落的距离)较大，所以可能造成失去平衡的力距颇大，但是因为位于两个螺旋桨之间，所以可以通过两个螺旋桨合起来的力道，以提供足以恢复平衡状态的力矩量。
图3绘示本发明一实施例一种用于无人飞行器的太阳能电池模块的立体示意图。在前述各实施例，太阳能电池片122为水平。在本实施例，太阳能电池片122和水平方向具有一个事先设计好的角度。如图3所示，太阳能电池单元的第一子太阳能电池单元121A和第二子太阳能电池单元 121B，其太阳能电池片122与水平方向具有角度θ，此设计使得太阳能电池单元120接收足够太阳光，但又不会像完全水平那样大的空气阻力。如果角度θ为固定，则角度θ的理想值在0度到45度之间。在另一实施例，角度θ可调整，并且在无人飞行器130起飞时调整角度θ较大，甚至到垂直 90度或接近垂直90度，等到无人飞行器130上升至需要的高度时，调整角度θ到较小，可小至0度或接近0度。本实施例是应用于图2A太阳能电池模块100，但相同的原理，可应用于其他实施例的太阳能电池模块100。
请参照图4，其绘示本发明一较佳实施例的一种用于无人飞行器的太阳能电池模块的功能方框图。如图所示，太阳能电池模块100可更包含切换单元140。当太阳能电池单元120的电量不足时，亦即例如当操控环境的太阳光不足，致使太阳能电池单元120无法有效转换产生充足的电力，提供无人飞行器130进行飞行，切换单元140将自动切换至备用蓄电池150，使备用蓄电池150提供其电力以继续驱动维持无人飞行器130的飞行状态。另一方面，当太阳能电池单元120的电量充足时，太阳能电池单元120所转换产生的电力其中一部分，则将传输至备用蓄电池150予以储存。
参阅图4，太阳能电池模块100可更包含角度调整单元160，其用以借由追踪操作环境的太阳光的照射角度，并据以对应调整太阳能电池片122 的角度，进而增加太阳能电池单元120的转换电力，以提升无人飞行器130 的飞行工作续航力。
角度调整单元160可根据无人飞行器130的飞行状态而予以调整太阳能电池片122的角度，以减少飞行过程中的空气阻力，举例而言，当无人飞行器130在起飞时，角度调整单元160则对应调整太阳能电池片122与水平方向产生倾斜角度，或甚至于两者垂直，以减少无人飞行器130上升时的空气阻力，而当无人飞行器130飞行至特定高度后，使用者可通过角度调整单元160，及遥控调整无人飞行器130上的可调整机构，使太阳能电池片122调整为水平配置，或接近平行水平方向，以接受较多的太阳光。如此，通过角度调整单元160微调太阳能电池片122的倾斜角与方向，亦可以控制其飞行方向的流畅度及大幅降低空气阻力，进而同时减少对电池动力的消耗与依赖。
以上，已对各种实施方式及变形例进行了说明，但是本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术思想的范围内所想到的其它实施形态也包含在本发明的范围内。例如，在本发明中冷却装置并非必需。本发明的一个实施形态是真空泵，另一个实施形态是所述电源装置。

Claims (21)

1.一种用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，包含：
载具本体，设置于该无人飞行器上；及
太阳能电池单元，具有多个太阳能电池片，贴附配置于该载具本体上；
其中该些太阳能电池片所提供的总功率(P)与该太阳能电池模块的重量(Wg)的比例至少大于或等于0.1(W/g)。
2.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该些太阳能电池片的表面与该无人飞行器的螺旋桨所产生的推进气流方向，大致相互呈垂直配置。
3.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该无人飞行器的重量(Wt)与该太阳能电池模块的重量(Wg)的比例至少大于或等于1.5(Wt/Wg)。
4.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该太阳能电池模块的功率(P)与该太阳能电池模块的表面积(A)的比例至少大于或等于50(W/m2)。
5.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该太阳能电池模块的表面积(A)与该太阳能电池模块的重量(Wg)的比例至少大于或等于7(cm2/g)。
6.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该太阳能电池模块提供的功率P至少为1W。
7.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该太阳能电池模块提供的功率不超过5kW。
8.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该无人飞行器为多轴式无人飞行器，并且该无人飞行器的每一螺旋桨提供的力距至少大于或等于对应方向的重力所造成力距的0.5倍。
9.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该些太阳能电池片是具挠曲性。
10.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该些太阳能电池片是折叠式。
11.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该太阳能电池模块的功率(P)与该无人飞行器的重量(Wt)的比例至少大于或等于0.02(W/g)。
12.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该太阳能电池模块的覆盖面积与该无人飞行器的至少一个螺旋桨之间的重叠比例，不超过该螺旋桨旋转时的涵盖面积的20％。
13.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中包含切换模块，用以当该太阳能模块的电量不足时，切换至备用蓄电池。
14.如权利要求13所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中当该太阳能模块的电量充足时，该太阳能模块所产生的电力传输储存至该备用蓄电池。
15.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该太阳能电池模块的总面积不超过100(m2)。
16.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该太阳能电池单元包含多个子太阳能电池单元，其中每一个该子太阳能电池单元以串联或并联方式相互连接。
17.如权利要求16所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中每一个该些子太阳能电池单元具有电源连接端，用以相互组装拆卸。
18.如权利要求1所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该些太阳能电池片与水平面之间具有角度以减少上升时的空气阻力。
19.如权利要求18所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该角度固定，其数值可以在0度到45度之间。
20.如权利要求18所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，其中该角度为可以调整的，当该无人飞行器起飞时该角度被调整为大于0度，最大可到90度或接近90度，等到该无人飞行器上升至需要的高度时，该角度被调整至较小角度，最小可为0度或接近0度。
21.如权利要求18所述的用于可垂直起降无人飞行器的太阳能电池模块，其特征在于，更包含角度调整单元，用以借由追踪操作环境的太阳光的照射角度，或根据该无人飞行器的飞行状态，并据以对应调整该角度。
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