CN113277059A - 一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇及运行方法 - Google Patents

一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇及运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇及运行方法，当飞艇在水平方向上开始运动时，利用所述进气压缩机压缩气体，将气体在所述燃气涡轮机中与燃料充分燃烧产生的高压气体带动涡轮转动，使得所述永磁发电机利用涡轮转动将机械能转换为电能，利用所述单向高压DC/DC变换器和所述电机驱动控制器向所述直流无刷电机供能，从而带动飞艇运行，当飞艇相对地面的飞行速度趋于平缓或保持滞空时，启动所述氢燃料电池组工作，利用所述单向高压DC/DC变换器和所述电机驱动控制器向所述直流无刷电机供能，从而带动飞艇运行，通过在高能耗时采用所述燃气机轮组供能，低能耗时采用氢能源机组供能，使得能源分配更加合理。

Description

一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇及运行方法
技术领域
本发明涉及浮空器技术领域，尤其涉及一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇及运行方法。
背景技术
飞艇是一种直接利用空气浮力实现滞空性能的浮空器，其结构通常包括充满氦气的舰体，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，燃气轮机是一种利用连续流动的气体为原料驱动叶轮高速旋转的旋转叶轮式内燃机，具有体积小、重量轻和启动快的特点，在船舶、浮空器等领域都展示出相较于传统的活塞式内燃机更优秀的性能，但其不足之处在于在低功率工作时，输出效率很低，而飞艇仅在开始飞行时需要稳定较高的输出功率，当处于滞空状态或者平稳飞行时，对能耗的需要可以降到相对较低的程度，因此，纯以燃料燃机为动力装置驱动飞艇，不仅需要携带大量的燃料，压缩了负载空间，能源分配不够合理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇及运行方法，旨在解决现有技术中的纯以燃料燃机为动力装置驱动飞艇，不仅需要携带大量的燃料，压缩了负载空间，能源分配不够合理的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇，包括艇体、吊舱、气囊、燃气轮机组、氢能源机组、单向高压DC/DC变换器、电机驱动控制器、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，所述气囊内填充有氦气，所述吊舱的内部设置有所述燃气轮机组、所述氢能源机组、所述单向高压DC/DC变换器、所述电机驱动控制器和所述直流无刷电机，所述燃气轮机组包括进气压缩机、燃气涡轮机和永磁发电机，所述燃气涡轮机的输入端与所述进气压缩机的输出端连接，所述燃气涡轮机的输出端与所述永磁发电机的输入端连接，所述氢能源机组包括高压储气罐和氢燃料电池组，所述高压储气罐与所述吊舱可拆卸连接，所述氢燃料电池组与所述高压储气罐管道连接，所述氢燃料电池组和所述永磁发电机的输出端均与所述单向高压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电机驱动控制器的输入端电性连接，所述电机驱动控制器的输出端与所述直流无刷电机的输入端电性连接，所述飞艇螺旋桨与所述吊舱活动连接，所述直流无刷电机的输出端与所述飞艇螺旋桨可拆卸连接，所述吊舱上还设置有速度传感器，所述速度传感器与所述电机驱动控制器电性连接。
其中，所述燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇还包括太阳能蓄电装置和散热装置，所述太阳能蓄电装置包括柔性太阳能电池板、MPPT控制器和太阳能蓄电池，所述艇体的顶部设置有所述柔性太阳能电池板，所述吊舱的内部设置有所述MPPT控制器、所述太阳能蓄电池和所述散热装置，所述MPPT控制器的输入端与所述柔性太阳能电池板的输出端电性连接，所述MPPT控制器的输出端与所述太阳能蓄电池电性连接，所述太阳能蓄电池的输出端与所述散热装置电性连接，所述散热装置与所述燃气轮机组相对应。
其中，所述燃气轮机组的外部罩设有保护罩，所述散热装置与所述保护罩可拆卸连接，并位于所述保护罩的内部。
其中，所述散热装置包括伺服电机、转轴和散热叶片，所述伺服电机与所述保护罩可拆卸连接，并位于所述保护罩的内部，所述伺服电机的输出端设置有所述转轴，所述散热叶片与所述转轴可拆卸连接，并位于所述转轴远离所述伺服电机的一端，且与所述燃气轮机组相对应，所述伺服电机与所述太阳能蓄电池电性连接。
其中，所述保护罩的内部还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述太阳能蓄电池电性连接。
本发明还提供一种采用如上述所述的燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇的运行方法，步骤如下：
向所述艇体内的所述气囊里充入氦气，使得飞艇在浮力作用下升空；
当飞艇在水平方向上开始运动时，利用所述进气压缩机压缩气体，将气体在所述燃气涡轮机中与燃料充分燃烧产生的高压气体带动涡轮转动，使得所述永磁发电机利用涡轮转动将机械能转换为电能；
利用所述单向高压DC/DC变换器和所述电机驱动控制器向所述直流无刷电机供能，使得所述飞艇螺旋桨带动飞艇运行；
当飞艇相对地面的飞行速度趋于平缓或保持滞空时，启动所述氢燃料电池组工作，利用所述单向高压DC/DC变换器和所述电机驱动控制器向所述直流无刷电机供能，使得所述飞艇螺旋桨带动飞艇运行；
当飞艇的飞行环境较为复杂时，利用所述速度传感器实时监测飞艇相对地面的飞行速度，从而判断所述氢燃料电池组的输出功率，当所述氢燃料电池的输出功率达到额定功率的90％时，启动所述燃气轮机组协助供能，当所述氢燃料电池组的输出功率低于额定功率的50％时，关闭所述燃气轮机组，从而达到能源的合理分配。
本发明的有益效果体现在：当飞艇在水平方向上开始运动时，利用所述进气压缩机压缩气体，将气体在所述燃气涡轮机中与燃料充分燃烧产生的高压气体带动涡轮转动，使得所述永磁发电机利用涡轮转动将机械能转换为电能，利用所述单向高压DC/DC变换器和所述电机驱动控制器向所述直流无刷电机供能，使得所述飞艇螺旋桨带动飞艇运行，当飞艇相对地面的飞行速度趋于平缓或保持滞空时，启动所述氢燃料电池组工作，利用所述单向高压DC/DC变换器和所述电机驱动控制器向所述直流无刷电机供能，使得所述飞艇螺旋桨带动飞艇运行，通过合理在高能耗时采用所述燃气机轮组供能，低能耗时采用氢能源机组供能，使得能源分配更加合理。
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是本发明一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇的运行方法的模块示意图。
图2是本发明一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇的结构示意图。
图3是本发明一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇的内部结构示意图。
图4是本发明的图3的A处的局部结构放大图。
图5是本发明一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇的运行方法的步骤流程图。
1-艇体、2-吊舱、3-气囊、4-单向高压DC/DC变换器、5-电机驱动控制器、6-直流无刷电机、7-飞艇螺旋桨、8-进气压缩机、9-燃气涡轮机、10-永磁发电机、11-高压储气罐、12-氢燃料电池组、13-速度传感器、14-柔性太阳能电池板、15-MPPT控制器、16-太阳能蓄电池、17-保护罩、18-伺服电机、19-转轴、20-散热叶片、21-温度传感器、22-防爆罩、23-散热孔、24-排气管、25-过滤箱、26-过滤板、27-活性炭纤维层、28-出气管。
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，本发明提供了一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇，包括艇体1、吊舱2、气囊3、燃气轮机组、氢能源机组、单向高压DC/DC变换器4、电机驱动控制器5、直流无刷电机6和飞艇螺旋桨7，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，所述气囊3内填充有氦气，所述吊舱2的内部设置有所述燃气轮机组、所述氢能源机组、所述单向高压DC/DC变换器4、所述电机驱动控制器5和所述直流无刷电机6，所述燃气轮机组包括进气压缩机8、燃气涡轮机9和永磁发电机10，所述燃气涡轮机9的输入端与所述进气压缩机8的输出端连接，所述燃气涡轮机9的输出端与所述永磁发电机10的输入端连接，所述氢能源机组包括高压储气罐11和氢燃料电池组12，所述高压储气罐11与所述吊舱2可拆卸连接，所述氢燃料电池组12与所述高压储气罐11管道连接，所述氢燃料电池组12和所述永磁发电机10的输出端均与所述单向高压DC/DC变换器4的输入端电性连接，所述单向高压DC/DC变换器4的输出端与所述电机驱动控制器5的输入端电性连接，所述电机驱动控制器5的输出端与所述直流无刷电机6的输入端电性连接，所述飞艇螺旋桨7与所述吊舱2活动连接，所述直流无刷电机6的输出端与所述飞艇螺旋桨7可拆卸连接，所述吊舱2上还设置有速度传感器13，所述速度传感器13与所述电机驱动控制器5电性连接。
在本实施方式中，所述氢燃料电池组12和所述永磁发电机10的输出端均与所述单向高压DC/DC变换器4的输入端电性连接，所述单向高压DC/DC变换器4的输出端与所述电机驱动控制器5的输入端电性连接，所述电机驱动控制器5的输出端与所述直流无刷电机6的输入端电性连接，所述速度传感器13与所述电机驱动控制器5电性连接，向所述艇体1内的所述气囊3里充入氦气，使得飞艇在浮力作用下升空，当飞艇在水平方向上开始运动时，利用所述进气压缩机8压缩气体，将气体在所述燃气涡轮机9中与燃料充分燃烧产生的高压气体带动涡轮转动，使得所述永磁发电机10利用涡轮转动将机械能转换为电能，利用所述单向高压DC/DC变换器4和所述电机驱动控制器5向所述直流无刷电机6供能，使得所述飞艇螺旋桨7带动飞艇运行，当飞艇相对地面的飞行速度趋于平缓或保持滞空时，启动所述氢燃料电池组12工作，利用所述单向高压DC/DC变换器4和所述电机驱动控制器5向所述直流无刷电机6供能，使得所述飞艇螺旋桨7带动飞艇运行，通过合理在高能耗时采用所述燃气机轮组供能，低能耗时采用氢能源机组供能，使得能源分配更加合理。
进一步地，所述燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇还包括太阳能蓄电装置和散热装置，所述太阳能蓄电装置包括柔性太阳能电池板14、MPPT控制器15和太阳能蓄电池16，所述艇体1的顶部设置有所述柔性太阳能电池板14，所述吊舱2的内部设置有所述MPPT控制器15、所述太阳能蓄电池16和所述散热装置，所述MPPT控制器15的输入端与所述柔性太阳能电池板14的输出端电性连接，所述MPPT控制器15的输出端与所述太阳能蓄电池16电性连接，所述太阳能蓄电池16的输出端与所述散热装置电性连接，所述散热装置与所述燃气轮机组相对应。
在本实施方式中，利用所述柔性太阳能电池板14将太阳能转化成电能，通过所述MPPT控制器15将电能储存至所述太阳能蓄电池16内，通过所述太阳能蓄电池16对所述散热装置供能，从而对运行中的所述燃气机轮组进行降温。
进一步地，所述燃气轮机组的外部罩设有保护罩17，所述散热装置与所述保护罩17可拆卸连接，并位于所述保护罩17的内部。
在本实施方式中，通过所述保护罩17保护所述燃气机轮组不受外界环境影响，从而提高所述燃气机轮组的使用寿命。
进一步地，所述散热装置包括伺服电机18、转轴19和散热叶片20，所述伺服电机18与所述保护罩17可拆卸连接，并位于所述保护罩17的内部，所述伺服电机18的输出端设置有所述转轴19，所述散热叶片20与所述转轴19可拆卸连接，并位于所述转轴19远离所述伺服电机18的一端，且与所述燃气轮机组相对应，所述伺服电机18与所述太阳能蓄电池16电性连接。
在本实施方式中，通过所述太阳能蓄电池16对所述伺服电机18供能，带动所述转轴19转动，从而利用所述散热叶片20转动增强所述保护罩17内的空气流动，从而对所述燃气机轮组降温。
进一步地，所述保护罩17的内部还设置有温度传感器21，所述温度传感器21与所述太阳能蓄电池16电性连接。
在本实施方式中，通过所述温度传感器21实时监测所述保护罩17内部的温度，从而调整所述伺服电机18的输出功率。
进一步地，所述高压储气罐11的外部罩设有防爆罩22，所述保护罩17的顶部设置有多个散热孔23。
在本实施方式中，当所述高压储气罐11因意外情况导致氢气泄露时，通过所述防爆罩22减少氢气泄露产生的危害，在所述保护罩17的顶部设置多个所述散热孔23，从而增加外界气体与所述保护罩17内的气体对流的流速，从而提高散热效果。
进一步地，所述燃气涡轮机9的排气口处设置有尾气处理装置，所述尾气处理装置包括排气管24、过滤箱25、过滤板26、多层活性炭纤维层27和出气管28，所述排气管24与所述燃气涡轮机9的排气口法兰连接，所述过滤箱25与所述排气管24可拆卸连接，并位于所述排气管24远离所述燃气涡轮机9的一端，所述排气管24贯穿所述保护罩17，所述过滤箱25的内部由下至上依次设置有所述过滤板26和多层所述活性炭纤维层27，所述出气管28与所述过滤箱25可拆卸连接，并位于所述过滤箱25远离所述排气管24的一端。
在本实施方式中，所述燃气涡轮机9产生的尾气通过所述排气管24输送至所述过滤箱25内，依次通过所述过滤板26进行初次过滤掉较大的杂质，通过多层所述活性炭纤维层27过滤掉尾气中的有害气体，将过滤后的尾气通过所述出气管28排出，从而避免直接将尾气排出，对环境造成污染。
请参阅图5，本发明还提供一种采用如上述所述一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇的运行方法，步骤如下：
S1：向所述艇体1内的所述气囊3里充入氦气，使得飞艇在浮力作用下升空；
S2：当飞艇在水平方向上开始运动时，利用所述进气压缩机8压缩气体，将气体在所述燃气涡轮机9中与燃料充分燃烧产生的高压气体带动涡轮转动，使得所述永磁发电机10利用涡轮转动将机械能转换为电能；
S3：利用所述单向高压DC/DC变换器4和所述电机驱动控制器5向所述直流无刷电机6供能，使得所述飞艇螺旋桨7带动飞艇运行；
S4：当飞艇相对地面的飞行速度趋于平缓或保持滞空时，启动所述氢燃料电池组12工作，利用所述单向高压DC/DC变换器4和所述电机驱动控制器5向所述直流无刷电机6供能，使得所述飞艇螺旋桨7带动飞艇运行；
S5：当飞艇的飞行环境较为复杂时，利用所述速度传感器13实时监测飞艇相对地面的飞行速度，从而判断所述氢燃料电池组12的输出功率，当所述氢燃料电池的输出功率达到额定功率的90％时，启动所述燃气轮机组协助供能，当所述氢燃料电池组12的输出功率低于额定功率的50％时，关闭所述燃气轮机组，从而达到能源的合理分配。
其中，首先向所述艇体1内的所述气囊3里充入氦气，使得飞艇在浮力作用下升空，当飞艇在水平方向上开始运动时，利用所述进气压缩机8压缩气体，将气体在所述燃气涡轮机9中与燃料充分燃烧产生的高压气体带动涡轮转动，使得所述永磁发电机10利用涡轮转动将机械能转换为电能，然后利用所述单向高压DC/DC变换器4和所述电机驱动控制器5向所述直流无刷电机6供能，使得所述飞艇螺旋桨7带动飞艇运行，当飞艇在飞行过程中，当飞艇相对地面的飞行速度趋于平缓或保持滞空时，启动所述氢燃料电池组12工作，利用所述单向高压DC/DC变换器4和所述电机驱动控制器5向所述直流无刷电机6供能，使得所述飞艇螺旋桨7带动飞艇运行，当飞艇在飞行过程中遇到飞行环境较为复杂时，利用所述速度传感器13实时监测飞艇相对地面的飞行速度，从而判断所述氢燃料电池组12的输出功率，当所述氢燃料电池的输出功率达到额定功率的90％时，启动所述燃气轮机组协助供能，当所述氢燃料电池组12的输出功率低于额定功率的50％时，关闭所述燃气轮机组，从而达到能源的合理分配。
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 (6)

1.一种燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇，其特征在于，
包括艇体、吊舱、气囊、燃气轮机组、氢能源机组、单向高压DC/DC变换器、电机驱动控制器、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，所述气囊内填充有氦气，所述吊舱的内部设置有所述燃气轮机组、所述氢能源机组、所述单向高压DC/DC变换器、所述电机驱动控制器和所述直流无刷电机，所述燃气轮机组包括进气压缩机、燃气涡轮机和永磁发电机，所述燃气涡轮机的输入端与所述进气压缩机的输出端连接，所述燃气涡轮机的输出端与所述永磁发电机的输入端连接，所述氢能源机组包括高压储气罐和氢燃料电池组，所述高压储气罐与所述吊舱可拆卸连接，所述氢燃料电池组与所述高压储气罐管道连接，所述氢燃料电池组和所述永磁发电机的输出端均与所述单向高压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电机驱动控制器的输入端电性连接，所述电机驱动控制器的输出端与所述直流无刷电机的输入端电性连接，所述飞艇螺旋桨与所述吊舱活动连接，所述直流无刷电机的输出端与所述飞艇螺旋桨可拆卸连接，所述吊舱上还设置有速度传感器，所述速度传感器与所述电机驱动控制器电性连接。
2.如权利要求1所述的燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇，其特征在于，
所述燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇还包括太阳能蓄电装置和散热装置，所述太阳能蓄电装置包括柔性太阳能电池板、MPPT控制器和太阳能蓄电池，所述艇体的顶部设置有所述柔性太阳能电池板，所述吊舱的内部设置有所述MPPT控制器、所述太阳能蓄电池和所述散热装置，所述MPPT控制器的输入端与所述柔性太阳能电池板的输出端电性连接，所述MPPT控制器的输出端与所述太阳能蓄电池电性连接，所述太阳能蓄电池的输出端与所述散热装置电性连接，所述散热装置与所述燃气轮机组相对应。
3.如权利要求2所述的燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇，其特征在于，
所述燃气轮机组的外部罩设有保护罩，所述散热装置与所述保护罩可拆卸连接，并位于所述保护罩的内部。
4.如权利要求3所述的燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇，其特征在于，
所述散热装置包括伺服电机、转轴和散热叶片，所述伺服电机与所述保护罩可拆卸连接，并位于所述保护罩的内部，所述伺服电机的输出端设置有所述转轴，所述散热叶片与所述转轴可拆卸连接，并位于所述转轴远离所述伺服电机的一端，且与所述燃气轮机组相对应，所述伺服电机与所述太阳能蓄电池电性连接。
5.如权利要求4所述的燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇，其特征在于，
所述保护罩的内部还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述太阳能蓄电池电性连接。
6.一种采用如权利要求1所述的燃气轮机和氢燃料电池组成的混合动力飞艇的运行方法，其特征在于，步骤如下：
向所述艇体内的所述气囊里充入氦气，使得飞艇在浮力作用下升空；
当飞艇在水平方向上开始运动时，利用所述进气压缩机压缩气体，将气体在所述燃气涡轮机中与燃料充分燃烧产生的高压气体带动涡轮转动，使得所述永磁发电机利用涡轮转动将机械能转换为电能；
利用所述单向高压DC/DC变换器和所述电机驱动控制器向所述直流无刷电机供能，使得所述飞艇螺旋桨带动飞艇运行；
当飞艇相对地面的飞行速度趋于平缓或保持滞空时，启动所述氢燃料电池组工作，利用所述单向高压DC/DC变换器和所述电机驱动控制器向所述直流无刷电机供能，使得所述飞艇螺旋桨带动飞艇运行；
当飞艇的飞行环境较为复杂时，利用所述速度传感器实时监测飞艇相对地面的飞行速度，从而判断所述氢燃料电池组的输出功率，当所述氢燃料电池的输出功率达到额定功率的90％时，启动所述燃气轮机组协助供能，当所述氢燃料电池组的输出功率低于额定功率的50％时，关闭所述燃气轮机组，从而达到能源的合理分配。
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