CN109159892A - 一种清洁能源为动力的翼型飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及飞行器技术领域，具体的讲是一种清洁能源为动力的翼型飞行器，包括机翼骨架、机翼太阳能电池分布区、旋翼、机舱、清洁能源系统、飞行与动力控制系统，机翼骨架上方设有具有弧形结构的机翼太阳能电池分布区，机翼骨架下方设有弧形结构的机舱，机翼骨架的顶角上固定有旋翼；机翼的内部采用气体密封式的隔离舱，隔离舱内可抽真空，或者填充轻型气体；机翼表面设有薄型高效率太阳能电池，其光电转换效率在20~40%范围内；飞行与动力控制系统由旋翼、光伏电池、光热电池、储能电池、水电解池、燃料电池及控制模块所组成，本发明使用太阳能发电技术为动力和控制能源，清洁无排放和污染，具有良好的系统稳定性能和功能应用灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器技术领域，具体的讲是一种清洁能源为动力的翼型飞行器。
背景技术
新型飞行器是一种集新材料、新能源、动力学、半导体、计算机、自动控制技术等的综合性集成技术的产品。传统的飞行器如大型载人飞机，主要采用燃油为动力飞行，经过一百多年的发展各类技术已较成熟，并在大规模使用，主要缺点是消耗大量石化燃油，排放后造成空气污染。随着各国对减排的要求，采用石化能源的交通工具包括飞机等的排放将越来越受到限制，故发展清洁能源为动力的飞行器是现在和未来的发展重点。目前采用电化学可充电电池如锂电池为动力的飞行器主要用于小型的无人机系统，如多旋翼机，一般载荷不超过5kg，续航时间不超过1小时；采用太阳能电池为动力的轻型无人或载人飞行器也已研发成功，如固定翼太阳能飞机载荷一般不超过300kg，太阳能电池安置在机翼表面，翼展一般在20m以上，占空间较大，且夜晚无法发电，只靠蓄电池动力不足，难以连续飞行。如何采用清洁能源为动力制造大载荷、长航时的新型飞行器是目前航空领域急需解决的技术和工程问题。
为解决上述问题，本发明采用了以清洁能源为动力的翼型飞行器结构系统，可满足大载荷、长航时的性能要求，清洁能源主要以太阳能为主发电，同时兼容电化学储能电池和燃料电池作为电力能源系统，对飞行器进行供电并转化为动力进行飞行和执行任务，是一种新型的无污染的绿色飞行器系统。
发明内容
本发明突破了现有技术的难题，设计了一种以清洁能源为动力的可满足大载荷、长航时的性能要求的翼型飞行器。
为了达到上述目的，本发明设计了一种清洁能源为动力的翼型飞行器，包括机翼骨架、机翼太阳能电池分布区、旋翼、机舱、清洁能源系统、飞行与动力控制系统，其特征在于：机翼骨架上方的中央位置设有机翼太阳能电池分布区，具有弧形结构，机翼骨架下方的中央位置设有机舱，也呈弧形结构，机翼骨架其余部分为平面结构，机翼骨架的顶角上固定有旋翼；机翼的内部采用气体密封式的隔离舱，隔离舱内可抽真空，或者填充轻型气体；机翼表面设有薄型高效率太阳能电池，其光电转换效率在20~40%范围内。
所述飞行与动力控制系统由旋翼、光伏电池、光热电池、储能电池、水电解池、燃料电池及控制模块所组成。
所述太阳能光伏电池和所述光热电池布置在机翼太阳能电池分布区中，机翼表面为高导热薄膜材料，并将其作为衬底，在高导热薄膜材料上方布置有太阳能光伏电池，在高导热薄膜材料下方布置有光热电池，在光热电池的下方则贴设有多孔性绝热薄膜材料。
所述轻型气体优选地为氦气或者氢气。
所述机翼骨架主要由轻质高强度材料构成，优选地采用铝合金、镁合金或者碳纤维复合材料中的一种或几种。
所述清洁能源系统的控制逻辑如下：在白天飞行时，太阳能电池发的电力能源可直接供飞行器使用，多发的一部分电能可直接存储至电化学储能电池中，另一部分可将热电池下方冷凝的水通过水电解池进行电解生成氧气和氢气并存储在机翼中的隔离仓里；在夜晚无光照时，基本的电力可由电化学储能电池供电，同时燃料电池可将机翼隔离仓中存储的氢气和氧气通过燃料电池进行反应产生电力供飞行器使用，多于部分可存储在电化学储能电池中；燃料电池在发电后所产生的水份则存储在储水箱中供白天水电解池电解使用，不足部分则由白天的热电池下方的冷凝水补充；
所述电化学储能电池优选地采用高比容量和高比能量的锂或钠电池，比容量≥300mAh/g，比功率密度≥300Wh/kg。
所述旋翼为电动螺旋桨式旋翼，其形状为对称的几何结构，优选的为四角形、六角形、八角形、圆形，所述旋翼的数量在2~16套范围内。
所述太阳能光伏电池优选地采用薄型高效率的单晶Si电池，光电转化率≥23%，厚度≤150μm；或者采用CIGS薄膜电池、CdTe薄膜电池，光电转化率≥18%，厚度≤50μm。
所述光热电池采用半导体热电转换材料的塞贝克效应热电池，热电转换率≥5%。
所述多孔性绝热薄膜材料为氧化硅气凝胶或氧化铝气凝胶。
所述的光热电池的热电材料选用在温度＜200℃条件下具有较高发电效率的材料，优选地为SbTe/BiTe体系参杂如Pb，Ti，Na的化合物热电材料，光热电池的热电转换效率在5-12%范围内；
所述热电池在上表面为热端，温度在60~200℃，下表面为冷端，温度＜40℃，因冷热端的温差，冷端表面会将空气中的水汽凝聚为水滴。
本发明与现有技术相比，本发明可作为大载荷的无人驾驶飞行器或载人飞行器系统应用，使用太阳能发电技术为动力和控制能源，清洁无排放和污染，具有良好的系统稳定性能和功能应用灵活性；本发明可作为大载荷的无人驾驶飞行器或载人飞行器系统应用，可应用于各种遥感测量、摄影航拍、中继通信、空中监控、交通监控、大气环境监测、森林防火、海岸巡防监视、客运货运等领域，是一种安全、可靠、低成本的新型飞行器技术。
附图说明
图1为本发明中机翼骨架采用四角形时的结构俯视图。
图2为本发明中机翼骨架采用四角形时旋翼平行于机翼水平面的正视图。
图3为本发明中机翼骨架采用四角形时旋翼垂直于机翼水平面的正视图。
图4为本发明中飞行和动力控制系统的结构示意框图。
图5为本发明中太阳能光伏电池和光热电池的结构示意图。
图6为本发明中清洁能源系统的控制逻辑示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步描述。
参见图1~3，本发明设计了一种清洁能源为动力的翼型飞行器，包括机翼骨架、机翼太阳能电池分布区、旋翼、机舱、清洁能源系统、飞行和动力控制系统，机翼骨架1上方的中央位置设有机翼太阳能电池分布区2，呈具有弧度的流线型结构，机翼骨架1下方的中央位置设有机舱3，外形也呈弧度结构，机翼骨架1其余部分为平面结构，在飞行时易产生浮力和减少阻力；机舱3内安装有飞行和动力控制系统5；机翼骨架1的顶角上固定有旋翼4；机翼的内部采用气体密封式的隔离舱6，隔离舱内可抽真空，或者填充轻型气体；机翼向着阳光的表面设有薄型高效率太阳能电池，主要通过太阳能光伏电池8将光能转换为电能，根据材料体系的不同，其光电转换效率在20~40%范围内，如单晶硅电池在23-27%，GaAs电池在28-35%，CIGS或CdTe电池在16-22%范围，因光伏电池是将可见光和近红外光能转化为电能的，此类光能占整体太阳能光能的比例一般不超过40%，而大部分太阳能以中远红外光的形式辐射了，故采用光热电池可将部分太阳能辐射的热能转换为电能，可提高太阳能电池28-45%的综合发电效率。
本发明的飞行与动力控制系统，如图1和图4所示，所述飞行和动力控制系统5由旋翼4、光伏电池8、光热电池9、储能电池11、水电解池12、燃料电池13及控制模块14所组成。
本发明的主要电力能源来源于太阳能的光电转换，机翼表面安装有高效率的太阳能电池发电作为飞行器的主要电力来源，并将一部分进行存储，如图5所示，太阳能光伏电池8和所述光热电池9布置在机翼太阳能电池分布区2中，机翼表面为高导热薄膜材料7，并将其作为衬底，在高导热薄膜材料7上方布置有太阳能光伏电池8，在高导热薄膜材料7下方布置有光热电池9，在光热电池9的下方则贴设有多孔性绝热薄膜材料10。
本发明中轻型气体优选的为氦气或者氢气。
本发明中机翼骨架1主要由轻质高强度材料构成，优选的采用铝合金、镁合金或者碳纤维复合材料中的一种或几种，如采用碳纤维复合材料的骨架，总体可减轻自身重量，增加飞行器浮力。
如图6所示，本发明中清洁能源系统的控制逻辑如下：在白天飞行时，太阳能电池发的电力能源可直接供飞行器使用，多发的一部分电能可直接存储至电化学储能电池中，另一部分可将热电池下方冷凝的水通过水电解池进行电解生成氧气和氢气并存储在机翼中的隔离仓里；在夜晚无光照时，基本的电力可由电化学储能电池供电，同时燃料电池可将机翼隔离仓中存储的氢气和氧气通过燃料电池进行反应产生电力供飞行器使用，多余部分可存储在电化学储能电池中；燃料电池在发电后所产生的水份则存储在储水箱中供白天水电解池电解使用，不足部分则由白天的热电池下方的冷凝水补充；
所述电化学储能电池优选地采用高比容量和高比能量的锂或钠电池，比容量≥300mAh/g，比功率密度≥300Wh/kg。
本发明中旋翼4为电动螺旋桨式旋翼4，其形状为对称的几何结构，优选的为四角形、六角形、八角形、圆形，所述旋翼4的数量在2~16套范围内，旋翼方向可从水平与垂直的90度夹角内根据飞行姿态进行调整，以获得最佳的升力和飞行速度及方向控制。
本发明中太阳能光伏电池8优选地采用薄型高效率的单晶Si电池，光电转化率≥23%，厚度≤150μm；或者采用CIGS薄膜电池、CdTe薄膜电池，光电转化率≥18%，厚度≤50μm；光热电池9采用半导体热电转换材料的塞贝克效应热电池，热电转换率≥5%，可将太阳能光伏发电之外的热能直接转换为电能，提高太阳能发电的综合效率。
如单晶Si电池与BiSbTe电池复合在一起的综合光伏和光热发电效率不低于28%。白天可将太阳能电池转化的电力直接作为飞行的动力电源，同时对于多余的电力能源通过电化学储能电池直接进行存储，或将部分电能通过水电解池直接电解水产生氢气和氧气进行存储。
本发明中光热电池9发电时主要依靠热电材料的热冷端的温差产生电动势而发电，其热电材料选用在温度＜200℃条件下具有较高发电效率的材料，优选地为SbTe/BiTe体系参杂如Pb，Ti，Na等化合物热电材料，光热电池9的热电转换效率在5-12%范围内；
所述热电池在上表面为热端，温度在60~200℃，下表面为冷端，温度＜40℃，因冷热端的温差，冷端表面会将空气中的水汽凝聚为水滴。本发明中多孔性绝热薄膜材料10为氧化硅气凝胶或氧化铝气凝胶，可提高空气中的水汽冷凝为液态水的效率。可将一定量的冷凝水进行收集至储水箱备用。将太阳能电池发电的多余部分可用于将冷凝水进行电解生成氧气和氢气，并存储在机翼中的气囊里备用。若热电池冷凝的水量不够，可将光热电池逆向使用，即在电池的正负电极通电后，可使得电池两端的温差变大，即伯贴尔效应，也就是电热制冷效应，可有效地在冷端凝聚水汽。
在具体实施中，飞行器以轻型机翼结构为主，内部有隔离仓，机翼具有较大的面积，可在表面安置高效率的太阳能光伏电池和光热电池作为电力能源，白天可直接作为飞行的动力电源，同时对于多余的电力能源进行存储。电力能源的一部分可直接存储至电化学电池包括锂电池、钠电池等；另一部分可将光热电池下方在空气中冷凝的水通过电解电池进行电解生成氧气和氢气并存储在机翼中的隔离仓里。夜晚无光照时，飞行器基本的电力能源可由电化学电池供电，同时燃料电池将机翼隔离仓中存储的氢气和氧气进行反应产生电力供飞行器使用，燃料电池在发电的同时产生的水汽则循环存储在储水箱中，在白天时通过水电解池转化为氢气和氧气存储于机翼隔离仓中供夜晚使用。
本发明采用了以清洁能源为动力的翼型飞行器结构系统，可满足大载荷、长航时的性能要求，清洁能源主要以太阳能为主发电，同时兼容电化学储能电池和燃料电池作为电力能源系统，对飞行器进行供电并转化为动力进行飞行和执行任务，是一种新型的无污染的绿色飞行器系统。
Claims (10)
1.一种清洁能源为动力的翼型飞行器，包括机翼骨架、机翼太阳能电池分布区、旋翼、机舱、清洁能源系统、飞行与动力控制系统，其特征在于：机翼骨架（1）上方的中央位置设有机翼太阳能电池分布区（2），具有弧形结构，机翼骨架（1）下方的中央位置设有机舱（3），也呈体积较小的弧形结构，机翼骨架（1）其余部分为平面结构，机翼骨架（1）的顶角上固定有旋翼（4）；机翼的内部采用气体密封的隔离舱（6），隔离舱内可抽真空，或者填充轻型气体；机翼表面设有薄型高效率太阳能电池，其光电转换效率在20~40%范围内；
所述飞行与动力控制系统（5）由旋翼（4）、光伏电池（8）、光热电池（9）、储能电池（11）、水电解池（12）、燃料电池（13）及控制模块（14）所组成。
2.根据权利要求1所述的一种清洁能源为动力的翼型飞行器，其特征在于：所述太阳能光伏电池（8）和所述光热电池（9）布置在机翼太阳能电池分布区（2）中，机翼表面为高导热薄膜材料（7），并将其作为衬底，在高导热薄膜材料（7）上方布置有太阳能光伏电池（8），在高导热薄膜材料（7）下方布置有光热电池（9），在光热电池（9）的下方则贴设有多孔性绝热薄膜材料（10）。
3.根据权利要求1所述的一种清洁能源为动力的翼型飞行器，其特征在于：所述轻型气体优选的为氦气或者氢气。
4.根据权利要求1所述的一种清洁能源为动力的翼型飞行器，其特征在于：所述机翼骨架（1）主要由轻质高强度材料构成，优选的采用铝合金、镁合金或者碳纤维复合材料中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种清洁能源为动力的翼型飞行器，其特征在于：所述清洁能源系统的控制逻辑如下：在白天飞行时，太阳能电池发的电力能源可直接供飞行器使用，多发的一部分电能可直接存储至电化学储能电池中，另一部分可将光热电池下方冷凝的水通过水电解池进行电解生成氧气和氢气并存储在机翼中的隔离舱里；在夜晚无光照时，基本的电力可由电化学储能电池供电，同时燃料电池可将机翼隔离舱中存储的氢气和氧气通过燃料电池进行反应产生电力供飞行器使用，多余部分可存储在电化学储能电池中；燃料电池在发电后所产生的水份则存储在储水箱中供白天水电解池电解使用，不足部分则由白天的光热电池下方的冷凝水补充；
所述电化学储能电池优选地采用高比容量和高比能量的锂或钠电池，比容量≥300mAh/g，比功率密度≥300Wh/kg。
6.根据权利要求1所述的一种清洁能源为动力的翼型飞行器，其特征在于：所述旋翼（4）为电动螺旋桨式旋翼（4），其形状为对称的几何结构，优选的为四角形、六角形、八角形、圆形，所述旋翼（4）的数量在2~16套范围内。
7.根据权利要求2所述的一种清洁能源为动力的翼型飞行器，其特征在于：所述太阳能光伏电池（8）优选的采用薄型高效率的单晶Si电池，光电转化率≥23%，厚度≤150μm；或者采用CIGS薄膜电池、CdTe薄膜电池，光电转化率≥18%，厚度≤50μm。
8.根据权利要求2所述的一种清洁能源为动力的翼型飞行器，其特征在于：所述光热电池（9）采用半导体热电转换材料的塞贝克效应热电池，热电转换率≥5%。
9.根据权利要求2所述的一种清洁能源为动力的翼型飞行器，其特征在于：所述多孔性绝热薄膜材料（10）为氧化硅气凝胶或氧化铝气凝胶。
10.根据权利要求8所述的一种清洁能源为动力的翼型飞行器，其特征在于：所述的光热电池（9）的热电材料选用在温度＜200℃条件下具有较高发电效率的材料，优选的为SbTe/BiTe体系参杂如Pb，Ti，Na的化合物热电材料，光热电池（7）的热电转换效率在5-12%范围内；
所述光热电池在上表面为热端，温度在60~200℃，下表面为冷端，温度＜40℃，因冷热端的温差，冷端表面会将空气中的水汽凝聚为水滴。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113232869A (zh) * | 2021-05-13 | 2021-08-10 | 中电科芜湖通用航空产业技术研究院有限公司 | 一种集成式氢能源飞行器动力系统和电动飞行器 |
| CN115535213A (zh) * | 2022-11-28 | 2022-12-30 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种大尺度薄膜飞行器 |
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2018
- 2018-10-22 CN CN201811229044.6A patent/CN109159892A/zh active Pending
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