CN110572118B - 一种适用于高空气球的循环能源供电系统 - Google Patents

一种适用于高空气球的循环能源供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种适用于高空气球的循环能源供电系统，包括：太阳电池阵、储能电池组、能源管理器和配电器，储能电池组包括主储能电池组和应急储能电池组。太阳电池阵用于将太阳能转换为电能,储能电池组用于在无太阳光照期间给负载供电；能源管理器用于追踪太阳电池阵最大功率给储能电池组充电和负载供电；配电器用于将太阳电池阵和储能电池组的母线电压转换为不同的电压，并在主储能电池组出现故障时自动切换到应急储能电池组。本发明利用太阳电池和储能电池组成的循环能源供电系统实现高空气球能源系统的能量平衡，有效延长高空气球的驻空时间，提供稳定可靠的能源供给，该循环能源供电系统也适用于其它低动态高空长航时飞行平台。

Description

一种适用于高空气球的循环能源供电系统
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种适用于高空气球的循环能源供电系统。
背景技术
浮空器是指利用浮升介质如氢气或氦气升空的飞行器。浮空器大致上可以分为系留气球、高空气球和飞艇等几类。近年来，临近空间独特的资源优势已经成为各国关注的热点。高空气球一般工作于临近空间的中下部，离地面20km-50km的范围，属于无动力浮空器，利用高空气球搭载有效载荷对宇宙射线和电磁辐射研究以及通过高空气球进行通信、对地观测和遥感等方面有着巨大的应用价值。
相对于探空火箭，高空气球有较低的飞行速度，较好的稳定性和较高的对地观测精度；相对于卫星或航天飞机，高空气球具有更低的运转轨道，更自由的发放空间和窗口；另外，相对上述几类平台，高空气球一次飞行试验的成本低廉，有着更广阔的应用前景和发展潜力。
现有的国内高空气球供电大多采用储能电池组供电方式，但储能电池组电量用完就不能继续使用，无法实现高空气球的长航时飞行，而长航时飞行对高空气球开展应用具有更大的意义。
因此，亟需发明一种适用于长航时飞行的高空气球的可再生循环能源系统，解决高空气球长航时飞行的难题。
发明内容
针对上述问题，本发明实施例提供一种适用于高空气球的循环能源供电系统。
本发明实施例提供一种适用于高空气球的循环能源供电系统，包括：
太阳电池阵、储能电池组、能源管理器和配电器，所述储能电池组包括主储能电池组和应急储能电池组，其中，所述太阳电池阵与所述能源管理器的第一端连接，所述主储能电池组与所述能源管理器的第二端连接，所述能源管理器的第三端与所述配电器的第一端连接，所述配电器的第二端与负载连接，所述配电器的第三端与所述应急储能电池组连接；
所述太阳电池阵一共由五组太阳电池组成，分布在高空气球吊舱四周和上表面，用于将太阳能转换为电能；
所述主储能电池组用于在无太阳光照时间段给所述负载供电，所述应急储能电池组用于在所述主储能电池组出现故障时给重要负载供电；
所述能源管理器利用所述太阳电池阵为所述储能电池组充电，并为所述负载供电，并分别追踪每组太阳电池的最大功率；
所述配电器，一方面用于将所述太阳电池阵和所述储能电池组输出的母线电压转换为不同负载需要的电压；另一方面用于在所述主储能电池组出现故障时自动切换到所述应急储能电池组。
优选地，所述太阳电池阵中任意四组太阳电池安装在所述高空气球吊舱四周，第五组安装在所述高空气球吊舱上表面，所述任意四组太阳电池采用单轴跟踪式四面结构铺设的安装方式；
其中，所述单轴跟踪式四面结构具体包括：基座、太阳电池板和若干支撑杆，所述基座为四方体，所述基座上表面的每一边分别与每一太阳电池板连接，所述基座上表面的每一边与每一太阳电池板具有一定夹角，每一太阳电池板与所述基座通过支撑杆连接。
优选地，所述能源管理器包括DC-DC1电路和DC-DC2电路，其中：
所述能源管理器判断所述太阳电池阵、所述储能电池组、所述配电器和所述负载的状态，自动匹配发电和所述负载之间的关系，使得所述太阳电池阵产生的能量满足能量平衡并保持母线电压稳定；
所述DC-DC1电路用于追踪将太阳电池阵的最大功率，并对所述主储能电池组充电和给母线提供电压；
所述DC-DC2电路用于将母线电压变换成恒定的电压输出。
优选地，还包括：所述高空气球吊舱周围四组太阳电池的支撑杆均为可伸缩式结构，根据不同的飞行任务调节所述高空气球吊舱四周四组太阳电池与所述高空气球吊舱平面之间的夹角。
优选地，所述配电器包括若干稳压模块，每一稳压模块输出不同电压大小的目标电压或不同电流大小的目标电流，以符合所述负载的需求；
所述配电器还包括继电器，用于在所述主储能电池组出现故障时自动切换到所述应急储能电池组。
本发明实施例利用太阳电池和储能电池组组成的可再生光伏循环能源供电系统，实现能源系统飞行期间的能量平衡，解决了高空气球无法长时间飞行的问题，该循环能源系统能够有效延长高空气球的驻空时间，并为平台和载荷提供稳定可靠的能源供给，也适用于其它所有低动态高空长航时飞行平台。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种适用于高空气球的循环能源供电系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中太阳电池阵的安装结构示意图；
图3为本发明实施例中能源管理器内部示意图以及太阳电池阵、储能电池组和配电器的连接关系示意图；
图4为本发明实施例中配电器的内部结构图；
图5为本发明实施例中能源管理器中DC-DC1电路连接示意图；
图6为本发明实施例中能源管理器中DC-DC2电路连接示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种适用于高空气球的循环能源供电系统的结构示意图，该系统包括：太阳电池阵101、能源管理器102、配电器103和储能电池组，所述储能电池组包括主储能电池组105和应急储能电池组106，其中，所述太阳电池阵与所述能源管理器的第一端连接，所述主储能电池组与所述能源管理器的第二端连接，所述能源管理器的第三端与所述配电器的第一端连接，所述配电器的第二端与负载104连接，所述配电器的第三端与所述应急储能电池组连接；
所述太阳电池阵一共由五组太阳电池组成，分布在高空气球吊舱四周和上表面，用于将太阳能转换为电能；
所述主储能电池组用于在无太阳光照时间段给所述负载供电，所述应急储能电池组用于在所述主储能电池组出现故障时给重要负载供电；
所述能源管理器利用所述太阳电池阵为所述储能电池组充电，并为所述负载供电，并分别追踪每组太阳电池的最大功率；
所述配电器，一方面，用于将所述太阳电池阵和所述储能电池组输出的母线电压转换为不同负载需要的电压；另一方面用于在所述主储能电池组出现故障时自动切换到所述应急储能电池组。
具体地，太阳电池阵与所述能源管理器的第一端连接，所述储能电池组与所述能源管理器的第二端连接，所述能源管理器的第三端与所述配电器的第一端连接，所述配电器的第二端与所述负载连接，所述配电器的第三端与所述应急储能电池组连接。
如果能源管理器判断出白天负载能够正常工作，说明太阳电池阵能够产生足够的能量，此时，太阳电池阵通过能源管理器为储能电池组充电，且太阳电池阵通过能源管理器放电，配电器将太阳电池阵所放电能转换为不同负载所需要的电压大小，为所述负载供电。如果能源管理器判断出负载处于峰值功耗状态，单纯的太阳电池阵无法满足负载的需求，太阳电池阵和储能电池组联合为负载供电。
因此，太阳电池阵和储能电池组同时通过能源管理器进行放电，由于二者所释放电能的大小可能不符合负载的额定电压或额定电流，因此需要利用配电器将两者所释放的电能转换为不同负载所需要的电压大小，以为该负载供电。
能源管理器若判断太阳电池阵未处于工作状态，也就是处于夜间的情况下，储能电池组通过能源管理器进行放电，配电器将储能电池组所放电能转换为目标电量，为负载供电。
本发明实施例提供的一种适用于高空气球的循环能源供电系统，可以利用太阳电池阵和储能电池组为负载供电，解决了现有技术中气球在飞行过程中电量不足的问题，实现飞行期间的能量平衡，解决了高空气球无法长时间驻空飞行的问题，该循环能源系统能够有效延长高空气球的驻空时间，并为平台和载荷提供稳定可靠的能源供给，也适用使用于所有高空长航时科学气球平台。
如果能源管理器判断出太阳电池阵和主储能电池组都发生故障，无法为负载提供电能，则此时由应急储能电池组为负载进行供电。
具体地，本发明实施例的太阳电池阵选用半柔性的高效薄型晶体硅太阳电池，该种太阳电池的具有较高光电转换效率，并且具有一定的柔性，便于设计过程中的电池铺设，同时具有较低的面密度，可以有效减小能源循环系统的质量。
本发明实施例中的主储能电池组和应急储能电池组选用锂离子蓄电池，它是目前常见蓄电池中能量密度和性价比较高的储能单元。
试验表明，该循环能源供电系统能够在-60℃/0.5kPa-100kPa低温低气压高空环境中长期稳定工作，具有良好的可靠性。
在上述实施例的基础上，优选地，所述太阳电池阵中任意四组太阳电池安装在高空气球吊舱四周，剩下一组安装在所述高空气球吊舱上表面，所述任意四组太阳电池采用单轴跟踪式四面结构铺设的安装方式；
其中，所述单轴跟踪式四面结构具体包括：基座、若干太阳电池板和若干支撑杆，所述基座为四方体，所述基座上表面的每一边分别与每一太阳电池板连接，所述基座上表面的每一边与每一太阳电池板具有一定夹角，每一太阳电池板与所述基座通过支撑杆连接。
图2为本发明实施例中太阳电池阵的安装结构示意图，如图2所示，图中虚线部分为太阳电池板，图中粗黑线表示支撑杆，太阳电池阵安装方式采用单轴跟踪式四面结构铺设的安装方式。该方法在现有固定倾斜角铺设方法的基础上，将支撑杆变为可伸缩式的结构，大大缩小了占用体积。并且支撑杆可以根据不同的飞行任务调节高空气球吊舱四周四组太阳电池与所述高空气球吊舱平面之间的夹角。
支撑杆只有在空中跟踪状态时展开，故太阳电池阵的面积也有所缩减。此能源循环系统只需要简单的两象限传感器即可，每块太阳电池板使用单轴的电机跟踪，采用超高分子聚乙烯的囊体材料作为中间层，将其铺设在碳纤维管上并缝制四边来固定，然后用粘扣将太阳电池固定，防止剧烈震动引起太阳电池阵的损坏。
在本发明实施例中，将太阳电池阵与碳纤维支架结合，有效减少吊舱重量。
具体方法为：采用超高分子聚乙烯的囊体材料作为中间层，将其铺设在碳纤维管上并缝制四边来固定，然后用粘扣将太阳电池固定，防止剧烈震动引起太阳电池的损坏。考虑到支撑杆的受力强度和安装方式的便捷性，支撑臂框架与电池板垂直且支撑点在吊舱的下角。
图3为本发明实施例中能源管理器内部示意图以及太阳电池阵、储能电池组和配电器的连接关系示意图，如图3所示，所述能源管理器包括DC-DC1电路和DC-DC2电路，其中：
所述能源管理器判断所述太阳电池阵、所述储能电池组、所述配电器和所述负载的状态，自动匹配发电和所述负载之间的关系，使得所述太阳电池阵产生的能量满足能量平衡并保持母线电压稳定；
所述DC-DC1电路用于追踪将太阳电池阵的最大功率，并对所述主储能电池组充电和给母线提供电压；
所述DC-DC2电路用于将母线电压变换成恒定的电压输出。
白天时，太阳电池阵通过能源管理器最大功率状态为储能电池组充电和通过配电器给负载供电，配电器将太阳电池阵所放电能转换为不同负载所需要的电压大小，为所述负载供电。
如果载荷处在峰值功耗状态，单纯的太阳电池阵无法满足负载的需求，需要太阳电池阵和储能电池组联合为负载供电，具体太阳电池通过DC-DC1电路和DC-DC2电路，并通过配电器给负载供电，储能电池组通过DC-DC2电路通过配电器给负载供电。
如果载荷处在未工作状态，太阳电池通过能源管理器最大功率为储能电池组充电，当储能电池组逐步充满电时，能源管理器将太阳电池处在非最大功率状态直至开路。
夜晚时，太阳电池阵处于未工作状态，储能电池组通过能源管理器进行放电，配电器将太阳电池阵所放电能转换为不同负载所需要的电压大小，为所述负载供电。
图4为本发明实施例中配电器的内部结构图，如图4所示，所述配电器包括若干稳压模块，每一稳压模块输出不同电压大小的目标电压或不同电流大小的目标电流，以符合所述负载的需求；
所述配电器还包括继电器，用于在所述主储能电池组出现故障时自动切换到所述应急储能电池组。
具体地，配电器内部包括多个稳压模块，每个稳压模块将太阳电池阵和/或储能电池组释放的电能转换为电压不同的目标电量或电流不同的目标电量。举例地，有些负载的额定电压为24V，另外一些负载的额定电压为12V，为了满足不同负载的要求，有的稳压模块将释放的电能转换为24V的电压，另一些稳压模块将释放的电能转换为12V的电压。具体型号为VICOR的V24C24T100BL和V24C12T100BL等，功率为100W。
图5为本发明实施例中能源管理器中DC-DC1电路连接示意图，如图5所示，其电路的各端子连接关系如下：
太阳电池直流输入信号共有5组，分别是PV1_1+和PV1_1-、PV2_1+和PV2_1-、PV3_1+和PV3_1-、PV4_1+和PV4_1-、PV5_1+和PV5_1-。5组太阳电池输入的电路拓扑结构相似，信号并联连接到储能电池端BAT+和BAT-。以第一路太阳电池输入为例，PV1_1+连接R1_1电阻和D1_1二极管，PV1_1-与GND之间连接采样电阻R1_3，R1_1与R1_2电阻串联连接在PV1_1+与PV1_1-之间且两者连接处为输入电压采样信号UfIn1+，起到比例缩放采样电压的作用，二极管D1_1起到防止电流倒灌的作用，D1_1的正极为PV1_1+，D1_1的负极与地之间连接电容C1_1，D1_1的负极另一端连接功率管Q1_1，Q1_1的栅极连接到驱动芯片，Q1_1源极与地之间连接续流二极管D1_2，电容C1_2与电阻R1_4串联后与续流二极管D1_2并联，Q1_2源极也连接到电感L1_1，L1_1另一端连接二极管D1_3的正极,D1_3的负极连接到电池电压BAT+,BAT+与地之间通过C1_3隔开，BAT+与BAT-直接串联电阻R1_7和R1_8且两者连接处为输出电压采样信号UfOut，BAT-与地之间为电流采样电阻R1_6，其两端作为输出电流采样电路的输入端IfOut+和IfOut-。
图6为本发明实施例中能源管理器中DC-DC2电路连接示意图，如图6所示，其电路的各端子连接关系如下：
储能电池的BAT+和BAT-端经过DC-DC2可以实现母线全调节，其拓扑结构为四管升降压DC-DC变换电路，功率管Q6_1的源极连接到Q6_2的漏极，而Q6_2的源极连接到BAT-，Q6_1的源极与Q6_4的漏极之间通过电感L6_1连接，Q6_4的漏极与Q6_3的漏极连接，Q6_3的源极连接到BAT-，Q6_4的源极与BAT-之间通过C6_1连接，电阻R6_1与R6_2串联后与C6_1并联，起到电压采样作用，其中C6_1的两端分别为DC-DC2的输出端Uout+和Uout-。
能源管理器的功能是：a，对太阳电池实现最大功率点跟踪；b，太阳电池通过能源管理器对储能电池组进行充电c，储能电池组通过能源管理器放电；d,给配电器提供稳定的母线电压。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种适用于高空气球的循环能源供电系统，其特征在于，包括：太阳电池阵、储能电池组、能源管理器和配电器，所述储能电池组包括主储能电池组和应急储能电池组，其中，所述太阳电池阵与所述能源管理器的第一端连接，所述主储能电池组与所述能源管理器的第二端连接，所述能源管理器的第三端与所述配电器的第一端连接，所述配电器的第二端与负载连接，所述配电器的第三端与所述应急储能电池组连接；
所述太阳电池阵一共由五组太阳电池组成，分布在高空气球吊舱四周和上表面，用于将太阳能转换为电能；
所述主储能电池组用于在无太阳光照时间段给所述负载供电，所述应急储能电池组用于在所述主储能电池组出现故障时给重要负载供电；
所述能源管理器利用所述太阳电池阵为所述储能电池组充电，并为所述负载供电，并分别追踪每组太阳电池的最大功率；所述能源管理器判断所述太阳电池阵、所述储能电池组、所述配电器和所述负载的状态，自动匹配发电和所述负载之间的关系，使得所述太阳电池阵产生的能量满足能量平衡并保持母线电压稳定；
所述能源管理器包括DC-DC1电路和DC-DC2电路，所述DC-DC1电路用于追踪太阳电池阵的最大功率，并对所述主储能电池组充电和给母线提供电压；所述DC-DC2电路用于将母线电压变换成恒定的电压输出；
所述配电器，一方面用于将所述太阳电池阵和所述储能电池组输出的母线电压转换为不同负载需要的电压；另一方面用于在所述主储能电池组出现故障时自动切换到所述应急储能电池组；
所述配电器包括若干稳压模块，每一稳压模块输出不同电压大小的目标电压或不同电流大小的目标电流，以符合所述负载的需求；
所述配电器还包括继电器，用于在所述主储能电池组出现故障时自动切换到所述应急储能电池组。
2.根据权利要求1所述一种适用于高空气球的循环能源供电系统，其特征在于，所述太阳电池阵中任意四组太阳电池安装在所述高空气球吊舱四周，第五组安装在所述高空气球吊舱上表面，所述任意四组太阳电池采用单轴跟踪式四面结构铺设的安装方式；
其中，所述单轴跟踪式四面结构具体包括：基座、太阳电池板和若干支撑杆，所述基座为四方体，所述基座上表面的每一边分别与每一太阳电池板连接，所述基座上表面的每一边与每一太阳电池板具有一定夹角，每一太阳电池板与所述基座通过支撑杆连接。
3.根据权利要求2所述一种适用于高空气球的循环能源供电系统，其特征在于，所述高空气球吊舱周围四组太阳电池的支撑杆均为可伸缩式结构，根据不同的飞行任务调节所述高空气球吊舱四周四组太阳电池与所述高空气球吊舱平面之间的夹角。
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