CN113148099A - 一种氢能源辅助的太阳能飞艇及飞艇运行方法 - Google Patents

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邵明杰
田维坚
鞠淳之
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Abstract

本发明公开了一种氢能源辅助的太阳能飞艇及飞艇运行方法，当阳光充足时，所述太阳能电池板吸收太阳能发电，通过所述MPPT控制器和单向高压DC/DC变换器驱动所述直流无刷电机，为飞艇提供动力，当阳光不足时，所述太阳能电池板的供能不足时，启动所述氢燃料电池，通过所述单向高压DC/DC变换器驱动所述直流无刷电机，从而为飞艇提供动力，所述太阳能电池板供能存在上限，当检测供能不足时，启动所述氢燃料电池，通过所述太阳能电池板和所述氢燃料电池协同供能，从而带动所述飞艇螺旋桨转动，推动飞艇前进，当所述太阳能电池板的供能高于飞艇需求的能量时，通过所述桨距调节器调整叶片的桨距角从而改变叶片的阻力，用以平衡太阳能，避免造成能源过剩。

Description

一种氢能源辅助的太阳能飞艇及飞艇运行方法
技术领域
本发明涉及浮空器技术领域，尤其涉及一种氢能源辅助的太阳能飞艇及飞艇运行方法。
背景技术
飞艇作为一种利用空气浮力实现滞空性能的浮空器，与其他需要动力维持的飞行器相比，具有能耗低，载重大的特点，被广泛应用在军事、天气观测等领域，近年来，由于可持续发展的需要和人们环保意识的增强，以太阳能为动力驱动飞艇成为了目前飞艇研究领域关注的焦点，但太阳能飞艇的研究仍存在一些问题，例如光电转换效率低、受天气因素影响大等，因此，单纯使用太阳能作为动力，不能够满足飞艇应对各种复杂环境，严重限制了飞艇的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢能源辅助的太阳能飞艇及飞艇运行方法，旨在解决现有技术中的单纯使用太阳能作为动力，不能够满足飞艇应对各种复杂环境，严重限制了飞艇的应用范围的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的一种氢能源辅助的太阳能飞艇，包括艇体、吊舱、气囊、支架、太阳能电池板、MPPT控制器、单向高压DC/DC变换器、主控器、氢燃料电池、直流无刷电机和飞艇螺旋桨，所述吊舱与所述艇体可拆卸连接，并位于所述艇体的下方，所述艇体的内部设置有所述气囊，所述支架与所述艇体滑动连接，并位于所述艇体的上方，所述支架上设置有所述太阳能电池板，所述吊舱的内部设置有所述MPPT控制器、所述单向高压DC/DC变换器、所述主控器和所述直流无刷电机，所述吊舱的内部还设置有氢气钢瓶，所述氢燃料电池与所述氢气钢瓶管道连接，所述太阳能电池板与所述MPPT控制器的输入端电性连接，所述MPPT控制器的输出端和所述氢燃料电池均与所述单向高压DC/DC变换器的输入端电性连接，所述单向高压DC/DC变换器的输出端与所述直流无刷电机的输入端电性连接，所述MPPT控制器和所述氢燃料电池均与所述主控器电性连接，所述吊舱的外部还设置有所述飞艇螺旋桨，所述飞艇螺旋桨的输出端与所述飞艇螺旋桨的输入端相连接。
其中，所述氢能源辅助的太阳能飞艇还包括控制装置，所述艇体的顶部设置有滑轨，所述支架与所述滑轨滑动连接，所述控制装置包括太阳能传感器、第一电机、丝杆和丝杆套，所述第一电机与所述艇体可拆卸连接，所述第一电机的输出端设置有所述丝杆，所述丝杆上设置有所述丝杆套，所述丝杆套与所述支架可拆卸连接，并位于所述滑轨的内部，所述太阳能电池板的顶部设置有所述太阳能传感器，所述第一电机和所述太阳能传感器均与所述主控器电性连接。
其中，所述飞艇螺旋桨上设置有转速传感器，所述吊舱上设置有风速传感器，所述转速传感器和所述风速传感器均与所述主控器电性连接。
其中，所述氢气钢瓶的外部罩设有防爆罩。
其中，所述第一电机的外部罩设有防护罩。
其中，所述飞艇螺旋桨上设置有桨距调节器。
本发明还提供一种采用如上述所述的氢能源辅助的太阳能飞艇的飞艇运行方法，步骤如下：
当飞艇地速超过设定地速时，说明此时空速大于地速，逆风飞行，阳光充足所引起的所述太阳能电池板供能可以抵消空气阻力的作用；或空速等于地速，顺风飞行，所述太阳能电池板正常工作；
当飞艇的实时地速在设定地速的变化区间时，说明此状态飞艇供能正常，在此前提下，飞艇空速和地速相差较小时，说明此状态下空气阻力较小，或者阳光不足，顺风飞行；
当所述风速传感器检测到的风速大于预设风速时，阳光不足或空气阻力较大，单一的所述太阳能电池板不足以提供飞艇所需要的能量，利用所述太阳能电池板供能的同时，启动氢燃料电池协同供能，共同驱动所述吊舱内的所述直流无刷电机，推动飞艇前进；
当所述转速传感器检测到所述飞艇螺旋桨的转速小于等于预设转速并且所述风速传感器检测到的风速也小于等于预设风速时，利用所述太阳能电池板供能的同时，启动氢燃料电池协同供能；
当所述转速传感器检测到所述飞艇螺旋桨的转速大于等于预设转速并且所述风速传感器检测到的风速也大于等于预设风速时，利用所述太阳能电池板供能的同时，启动氢燃料电池协同供能。
本发明的有益效果体现在：当阳光充足时，位于所述艇体顶部的所述太阳能电池板吸收太阳能发电，通过所述MPPT控制器和单向高压DC/DC变换器驱动所述直流无刷电机，从而为飞艇提供动力，当阳光不足时，所述太阳能电池板的供能不足以满足飞艇的能耗时，启动所述氢燃料电池，通过所述单向高压DC/DC变换器驱动所述直流无刷电机，从而为飞艇提供动力，在其他情况时，考虑到所述太阳能电池板供能存在上限，所以检测供能不足时，启动所述氢燃料电池，以所述太阳能电池板为主要能源，通过所述太阳能电池板和所述氢燃料电池协同供能，从而带动所述飞艇螺旋桨转动，推动飞艇前进。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明的氢能源辅助的太阳能飞艇的运行方法的模块示意图。
图2是本发明的氢能源辅助的太阳能飞艇的结构示意图。
图3是本发明的氢能源辅助的太阳能飞艇的内部结构示意图。
图4是本发明的氢能源辅助的图3的A-处的局部结构放大图。
图5是本发明的氢能源辅助的太阳能飞艇的飞艇运行方法的步骤流程图。
1-艇体、2-吊舱、3-气囊、4-支架、5-太阳能电池板、6-MPPT控制器、7-单向高压DC/DC变换器、8-主控器、9-直流无刷电机、10-飞艇螺旋桨、11-氢气钢瓶、12-氢燃料电池、13-滑轨、14-太阳能传感器、15-第一电机、16-丝杆、17-转速传感器、18-风速传感器、19-防爆罩、20-防护罩、21-桨距调节器、22-可调式安装架、23-底板、24-套管、25-电动推杆、26-转动座、27-舵机、28-转盘、29-旋转架、30-滑动板、31-滑轮、32-竖柱、33-安装板、34-加强筋。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似供能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图4，本发明提供了一种氢能源辅助的太阳能飞艇，包括艇体1、吊舱2、气囊3、支架4、太阳能电池板5、MPPT控制器6、单向高压DC/DC变换器7、主控器8、氢燃料电池12、直流无刷电机9和飞艇螺旋桨10，所述吊舱2与所述艇体1可拆卸连接，并位于所述艇体1的下方，所述艇体1的内部设置有所述气囊3，所述支架4与所述艇体1滑动连接，并位于所述艇体1的上方，所述支架4上设置有所述太阳能电池板5，所述吊舱2的内部设置有所述MPPT控制器6、所述单向高压DC/DC变换器7、所述主控器8和所述直流无刷电机9，所述吊舱2的内部还设置有氢气钢瓶11，所述氢燃料电池12与所述氢气钢瓶11管道连接，所述太阳能电池板5与所述MPPT控制器6的输入端电性连接，所述MPPT控制器6的输出端和所述氢燃料电池12均与所述单向高压DC/DC变换器7的输入端电性连接，所述单向高压DC/DC变换器7的输出端与所述直流无刷电机9的输入端电性连接，所述MPPT控制器6和所述氢燃料电池12均与所述主控器8电性连接，所述吊舱2的外部还设置有所述飞艇螺旋桨10，所述飞艇螺旋桨10的输出端与所述飞艇螺旋桨10的输入端相连接。
在本实施方式中，所述太阳能电池板5与所述MPPT控制器6的输入端电性连接，所述MPPT控制器6的输出端和所述氢燃料电池12均与所述单向高压DC/DC变换器7的输入端电性连接，所述单向高压DC/DC变换器7的输出端与所述直流无刷电机9的输入端电性连接，所述MPPT控制器和所述氢燃料电池12均与所述主控器8电性连接，所述吊舱2的外部还设置有所述飞艇螺旋桨10，所述飞艇螺旋桨10的输出端与所述飞艇螺旋桨10的输入端相连接，当阳光充足时，位于所述艇体1顶部的所述太阳能电池板5吸收太阳能发电，通过所述MPPT控制器6和单向高压DC/DC变换器7驱动所述直流无刷电机9，从而为飞艇提供动力，当阳光不足时，所述太阳能电池板5的供能不足以满足飞艇的能耗时，启动所述氢燃料电池12，通过所述单向高压DC/DC变换器7驱动所述直流无刷电机9，从而为飞艇提供动力，在其他情况时，考虑到所述太阳能电池板5供能存在上限，所以检测供能不足时，启动所述氢燃料电池12，以所述太阳能电池板5为主要能源，通过所述太阳能电池板5和所述氢燃料电池12协同供能，从而带动所述飞艇螺旋桨10转动，推动飞艇前进。
进一步地，所述氢能源辅助的太阳能飞艇还包括控制装置，所述艇体1的顶部设置有滑轨13，所述支架4与所述滑轨13滑动连接，所述控制装置包括太阳能传感器14、第一电机15、丝杆16和丝杆套，所述第一电机15与所述艇体1可拆卸连接，所述第一电机15的输出端设置有所述丝杆16，所述丝杆16上设置有所述丝杆套，所述丝杆套与所述支架4可拆卸连接，并位于所述滑轨13的内部，所述太阳能电池板5的顶部设置有所述太阳能传感器14，所述第一电机15和所述太阳能传感器14均与所述主控器8电性连接。
在本实施方式中，通过所述太阳能传感器14实时监测太阳能的最大值，通过所述主控器8启动所述第一电机15，通过所述丝杆16转动，带动所述丝杆套上的所述支架4在所述滑轨13上移动，使得所述支架4上的所述太阳能电池板5处于阳光最充足处，能够最大化的接受太阳能。
进一步地，所述飞艇螺旋桨10上设置有转速传感器17，所述吊舱2上设置有风速传感器18，所述转速传感器17和所述风速传感器18均与所述主控器8电性连接。
在本实施方式中，通过所述转速传感器17实时监测所述飞艇螺旋桨10的转速，通过所述风速传感器18实时监测风速，从而与预设转速和预设风速进行对比，进而调整飞艇的动力源。
进一步地，所述氢气钢瓶11的外部罩设有防爆罩19。
在本实施方式中，当所述氢气钢瓶11因意外情况导致氢气泄露时，通过所述防爆罩19减少氢气泄露产生的危害。
进一步地，所述第一电机15的外部罩设有防护罩20。
在本实施方式中，通过所述防护罩20保护所述第一电机15不收外界环境的侵蚀，从而提高所述第一电机15的使用寿命。
进一步地，所述飞艇螺旋桨10上设置有所述桨距调节器21。
在本实施方式中，当飞艇在飞行过程中所述太阳能电池板5的供能高于飞艇需求的能量时，通过所述桨距调节器21调整叶片的桨距角从而改变叶片的阻力，从而调整飞艇在水平方向上的推动力，用以平衡太阳能，避免造成能源过剩。
进一步地，所述控制装置还包括可调式安装架22，所述可调式安装架22与所述支架4可拆卸连接，所述可调式安装架22上设置有所述太阳能传感器14，所述可调式安装架22包括底板23、套管24、电动推杆25、转动座26、舵机27、转盘28和旋转架29，所述底板23与所述支架4可拆连接，所述套管24与所述底板23固定连接，并位于所述底板23远离所述支架4的一端，所述套管24的内部设置有所述电动推杆25，所述转动座26与所述电动推杆25的推动杆可拆卸连接，所述转动座26的内部设置有所述舵机27，所述舵机27的输出端设置有所述转盘28，所述转盘28与所述转动座26活动连接，所述旋转架29与所述转盘28可拆卸连接，并位于所述转盘28远离所述转动座26的一端，所述旋转架29呈倾斜结构设置，所述旋转架29上设置有所述太阳能传感器14。
在本实施方式中，通过所述电动推杆25带动所述转动座26升降，通过所述舵机27带动所述转盘28转动，所述旋转架29呈倾斜结构设置，通过所述主控器8控制所述电动推杆25和所述舵机27运行，从而使得所述旋转架29上的所述太阳能传感器14实时监测太阳能的最大值，从而通过所述第一电机15控制所述支架4在所述滑轨13上移动，使得所述太阳能电池板5始终正对阳光最大程度利用太阳能。
进一步地，所述支架4包括滑动板30、滑轮31、竖柱32、安装板33和多根加强筋34，所述滑动板30的一端设置有所述滑轮31，所述滑轮31位于所述滑轨13的内部，所述滑动板30的另一端与所述竖柱32固定连接，所述安装板33与所述竖柱32可拆卸连接，并位于所述竖柱32远离所述滑动板30的一端，所述安装板33上安装有所述太阳能电池板5，所述滑动板30与所述安装板33之间设置有多根所述加强筋34。
在本实施方式中，通过所述在所述滑动板30上设置所述滑轮31使得滑动所述支架4调整所述太阳能电池板5的位置时更加顺畅，每根所述加强筋34的两端分别焊接在所述安装板33和所述滑动板30上，从而提高所述支架4的稳定性。
请参阅图5，本发明还提供一种采用如上述所述的氢能源辅助的太阳能飞艇的飞艇运行方法，步骤如下：
S1：当飞艇地速超过设定地速时，说明此时空速大于地速，逆风飞行，阳光充足所引起的所述太阳能电池板5供能可以抵消空气阻力的作用；或空速等于地速，顺风飞行，所述太阳能电池板5正常工作；
S2：当飞艇的实时地速在设定地速的变化区间时，说明此状态飞艇供能正常，在此前提下，飞艇空速和地速相差较小时，说明此状态下空气阻力较小，或者阳光不足，顺风飞行；
S3：当所述风速传感器18检测到的风速大于预设风速时，阳光不足或空气阻力较大，单一的所述太阳能电池板5不足以提供飞艇所需要的能量，在太阳能电池板5正常供能的同时，利用所述氢燃料电池12协同供能，共同驱动所述吊舱2内的所述直流无刷电机9，驱动所述飞艇螺旋桨10转动，推动飞艇前进；
S4：当所述转速传感器17检测到所述飞艇螺旋桨10的转速小于等于预设转速并且所述风速传感器18检测到的风速也小于等于预设风速时，利用所述太阳能电池板5供能的同时，启动氢燃料电池12协同供能；
S5：当所述转速传感器17检测到所述飞艇螺旋桨10的转速大于等于预设转速并且所述风速传感器18检测到的风速也大于等于预设风速时，利用所述太阳能电池板5供能的同时，启动氢燃料电池5协同供能。
其中，当飞艇地速超过设定地速时，说明此时空速大于地速，逆风飞行，阳光充足所引起的所述太阳能电池板5供能可以抵消空气阻力的作用；或空速等于地速，顺风飞行，所述太阳能电池板5正常工作，当飞艇的实时地速在设定地速的变化区间时，说明此状态飞艇供能正常，在此前提下，飞艇空速和地速相差较小时，说明此状态下空气阻力较小，或者阳光不足，顺风飞行，当所述风速传感器18检测到的风速大于预设风速时，阳光不足或空气阻力较大，单一的所述太阳能电池板5不足以提供飞艇所需要的能量，利用所述氢燃料电池12供电，驱动所述吊舱2内的所述直流无刷电机9，由所述氢燃料电池12驱动所述飞艇螺旋桨10转动，推动飞艇前进，当所述转速传感器17检测到所述飞艇螺旋桨10的转速小于等于预设转速并且所述风速传感器18检测到的风速也小于等于预设风速时，利用所述太阳能电池板5供能的同时，启动氢燃料电池12协同供能，当所述转速传感器17检测到所述飞艇螺旋桨10的转速大于等于预设转速并且所述风速传感器18检测到的风速也大于等于预设风速时，利用所述太阳能电池板5供能的同时，启动氢燃料电池5协同供能。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种氢能源辅助的太阳能飞艇，其特征在于，
包括艇体、吊舱、气囊、支架、太阳能电池板、MPPT控制器、单向高压DC/DC变换器、主控器、氢燃料电池、直流无刷电机和飞艇螺旋桨，所述吊舱与所述艇体可拆卸连接，并位于所述艇体的下方，所述艇体的内部设置有所述气囊，所述支架与所述艇体滑动连接，并位于所述艇体的上方，所述支架上设置有所述太阳能电池板，所述吊舱的内部设置有所述MPPT控制器、所述单向高压DC/DC变换器、所述主控器和所述直流无刷电机，所述吊舱的内部还设置有氢气钢瓶，所述氢燃料电池与所述氢气钢瓶管道连接，所述太阳能电池板与所述MPPT控制器的输入端电性连接，所述MPPT控制器的输出端和所述氢燃料电池均与所述单向高压DC/DC变换器的输入端电性连接，所述单向高压DC/DC变换器的输出端与所述直流无刷电机的输入端电性连接，所述MPPT控制器和所述氢燃料电池均与所述主控器电性连接，所述吊舱的外部还设置有所述飞艇螺旋桨，所述飞艇螺旋桨的输出端与所述飞艇螺旋桨的输入端相连接。
2.如权利要求1所述的氢能源辅助的太阳能飞艇，其特征在于，
所述氢能源辅助的太阳能飞艇还包括控制装置，所述艇体的顶部设置有滑轨，所述支架与所述滑轨滑动连接，所述控制装置包括太阳能传感器、第一电机、丝杆和丝杆套，所述第一电机与所述艇体可拆卸连接，所述第一电机的输出端设置有所述丝杆，所述丝杆上设置有所述丝杆套，所述丝杆套与所述支架可拆卸连接，并位于所述滑轨的内部，所述太阳能电池板的顶部设置有所述太阳能传感器，所述第一电机和所述太阳能传感器均与所述主控器电性连接。
3.如权利要求1所述的氢能源辅助的太阳能飞艇，其特征在于，
所述飞艇螺旋桨上设置有转速传感器，所述吊舱上设置有风速传感器，所述转速传感器和所述风速传感器均与所述主控器电性连接。
4.如权利要求1所述的氢能源辅助的太阳能飞艇，其特征在于，
所述氢气钢瓶的外部罩设有防爆罩。
5.如权利要求2所述的氢能源辅助的太阳能飞艇，其特征在于，
所述第一电机的外部罩设有防护罩。
6.如权利要求3所述的氢能源辅助的太阳能飞艇，其特征在于，
所述飞艇螺旋桨上设置有桨距调节器。
7.一种采用如权利要求6所述的氢能源辅助的太阳能飞艇的飞艇运行方法，其特征在于，步骤如下：
当飞艇地速超过设定地速时，说明此时空速大于地速，逆风飞行，阳光充足所引起的所述太阳能电池板供能可以抵消空气阻力的作用；或空速等于地速，顺风飞行，所述太阳能电池板正常工作；
当飞艇的实时地速在设定地速的变化区间时，说明此状态飞艇供能正常，在此前提下，飞艇空速和地速相差较小时，说明此状态下空气阻力较小，或者阳光不足，顺风飞行；
当所述风速传感器检测到的风速大于预设风速时，阳光不足或空气阻力较大，单一的所述太阳能电池板不足以提供飞艇所需要的能量，利用所述太阳能电池板供能的同时，启动氢燃料电池协同供能，共同驱动所述吊舱内的所述直流无刷电机，推动飞艇前进；
当所述转速传感器检测到所述飞艇螺旋桨的转速小于等于预设转速并且所述风速传感器检测到的风速也小于等于预设风速时，利用所述太阳能电池板供能的同时，启动氢燃料电池协同供能；
当所述转速传感器检测到所述飞艇螺旋桨的转速大于等于预设转速并且所述风速传感器检测到的风速也大于等于预设风速时，利用所述太阳能电池板供能的同时，启动氢燃料电池协同供能。
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