CN114248931B - 一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能无人机技术领域，公开了一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法。主要操作步骤包括：太阳能电池单体选型、机翼翼型曲线划分、电池阵划分、电池组件设计、遮挡分析。该方法可以实现无人机上太阳能电池采集功率最大化。此外，根据发电阵来设计太阳能电池组件的尺寸大小、组件间隔等，可以提高组件的敷设效率，在工程上也易于实现。
Description
技术领域
本发明属于太阳能无人机技术领域，尤其涉及一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法。
背景技术
太阳能无人机以太阳能为能源，理论上可以永久飞行，且对环境无污染，使用灵活、成本低，有着广阔的应用前景。在民用上可用于大气研究、天气预报、环境及灾害监测、农作物遥测、交通管制、电信和电视服务、自然保护区监控等；军事上可用于边境巡逻、侦察、通信中继等。
考虑到太阳能无人机应用特点，太阳能电池组件不仅具有较高转换效率，还要具备轻质、柔性、可适应机翼翼型曲面应用等特点。现阶段按太阳能电池组件应用方式不同，太阳能无人机主要分为蒙皮一体化和硬壳式无人机，两种类型的无人机各有优缺点。太阳能电池组件在机上敷设完成后，需要通过组件之间的串并联形成多个太阳能电池阵。太阳能电池阵的发电功率、电压范围需匹配对应的MPPT(最大功率点跟踪)控制器。太阳能电池阵的设计至关重要，关系到太阳能电池能否实现最大功率输出以及全机能源采集效率。无人机上太阳能电池阵设计要考虑翼型曲面、飞行姿态等影响。
经查证，目前关于太阳能无人机晶硅太阳能电池阵的设计方法较少，大多数专利集中在了太阳能电池组件封装方式、材料选型等方面。因此，本发明提供一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法。
发明内容
本发明解决的技术问题在于实现无人机上太阳能电池采集功率最大化，避免无人机飞行过程中的热斑现象，在工程上也易于实现。
本发明一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法，步骤包括：
太阳能电池单体选型步骤，根据机翼尺寸、发电功率以及成本等要求进行太阳能电池单体选型，确定晶硅太阳能电池单体尺寸；
机翼翼型曲线划分步骤，将机翼翼型上曲线根据所选的单体尺寸进行分段折线化处理；
电池阵划分步骤，根据分段折线化结果，考虑翼展尺寸、每个发电阵功率大小、MPPT控制器输入输出电压要求，沿机翼翼展方向布置所选单体的数量；每段折线沿翼展方向布置的太阳能电池单体之间采用串联发电形式，折线与折线之间的发电阵相互独立；
太阳能电池组件设计步骤，根据发电阵的划分，进行太阳能电池组件设计；
遮挡分析步骤，针对每个太阳能电池组件在机翼上的位置，对易受遮挡的组件沿翼展方向设置旁路二极管。
进一步地，机翼翼型曲线划分步骤中，翼型前缘留出20mm～50mm区域，翼型后缘留出10mm～30mm区域。
进一步地，太阳能电池组件设计步骤中，太阳能电池组件采用矩形设计；单个组件沿翼展方向尺寸为250mm～550mm，沿弦长方向尺寸为300mm～750mm；组件与组件之间沿翼展方向间隔3mm～5mm，沿弦长方向间隔3mm～5mm。
本发明可以实现无人机上太阳能电池采集功率最大化，保证了同一个发电阵中太阳能电池单体在任意飞行时刻光照角度、光照强度相同，避免了同一串联发电阵中电池单体发电功率不匹配现象。此外，根据发电阵来设计太阳能电池组件的尺寸大小、组件间隔等，可以提高组件的敷设效率，在工程上也易于实现。进一步，根据实际受遮挡情况设置相应组件的旁路二极管，可有效避免无人机飞行过程中的热斑现象，又能降低成本、减轻组件重量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法中翼型折线化示意图；
图2为本发明实施例提供的一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法中发电阵示意图；
图3位本发明实施例提供的一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法中太阳能电池组件示意图。
图1中斜体标号1为机翼翼型，斜体标号2为翼型上曲线；图2中斜体标号3为太阳能电池单体；图3中斜体标号4为4*4规格太阳能电池组件，斜体标号5为3*4规格太阳能电池组件，斜体标号6为4*5规格太阳能电池组件，斜体标号7为太阳能电池组件中的旁路二极管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明步骤包括：太阳能电池单体选型、机翼翼型曲线划分、电池阵划分、电池组件设计、遮挡分析。
太阳能电池单体选型步骤，首先根据机翼尺寸、发电功率以及成本等要求进行太阳能电池单体选型，具体包括晶硅太阳能电池单体，典型尺寸(长*宽)有125mm*125mm、156mm*156mm。
机翼翼型曲线划分步骤，提取机翼翼型，将机翼翼型上曲线根据所选的单体尺寸进行分段折线化处理。翼型前缘留出20mm～50mm区域，翼型后缘留出10mm～30mm区域。
电池阵划分步骤，根据分段折线化结果，考虑翼展尺寸、每个发电阵功率大小、MPPT控制器输入输出电压要求，沿机翼翼展方向布置所选单体的数量。每段折线沿翼展方向布置的太阳能电池单体之间采用串联发电形式，折线与折线之间的发电阵相互独立。
电池组件设计步骤，根据发电阵的划分，进行太阳能电池组件设计。太阳能电池组件采用矩形设计，单个组件沿翼展方向尺寸为250mm～550mm；沿弦长方向尺寸为300mm～750mm。组件与组件之间沿翼展方向间隔3mm～5mm，沿弦长方向间隔3mm～5mm。
遮挡分析步骤，根据每个太阳能电池组件在机翼上的位置，分析无人机飞行过程中可能存在对某些组件遮挡的可能，对易受遮挡的组件沿翼展方向设置旁路二极管。
如图1-3所示，示例图为9个太阳能发电阵的左侧机翼。机翼弦长为1120mm，机翼上曲线用125mm*125mm的晶硅太阳能电池单体划分了9段折线；左侧机翼共划分了9个太阳能电池阵；9个太阳能电池阵在组件设计时共形成三种规格共28块太阳能电池组件。
步骤1：选用的单体尺寸为125mm*125mm，根据机翼翼型上曲线将其沿弦长方向分段折线化成9段，每段折线长度126mm。第1段距离翼型前缘35mm，第9段距离翼型后缘10mm；
步骤2：根据半翼展长度，每段折线沿翼展方向布置太阳能电池单体并串联成发电阵，共形成9个发电阵，在图2中相同数字的太阳能电池单体组成一个发电阵。本实施例中每个发电阵包含的电池单体数量一致，均为55片；
步骤3：根据发电阵的划分，进行太阳能电池组件设计。本实施例中组件共设计3中规格共28块组件。分别为：3*4组件尺寸为390mm*515mm、4*4组件尺寸为515mm*515mm、5*4组件尺寸为640mm*515mm。组件之间沿弦长方向间隔为3mm，沿翼展方向间隔为5mm；
步骤4：分析遮挡情况，对靠近翼跟处的太阳能电池组件设置旁路二极管，共6块组件。
通过上述技术方案，可以实现无人机上太阳能电池采集功率最大化，保证了同一个发电阵中太阳能电池单体在任意飞行时刻光照角度、光照强度相同，避免了同一串联发电阵中电池单体发电功率不匹配现象。此外，根据发电阵来设计太阳能电池组件的尺寸大小、组件间隔等，可以提高组件的敷设效率，在工程上也易于实现。进一步，根据实际受遮挡情况设置相应组件的旁路二极管，可有效避免无人机飞行过程中的热斑现象，又能降低成本、减轻组件重量。
上述具体实施方式仅限于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。本领域技术人员应当清楚，在本发明的技术方案的基础上做任何简单的变形或替换而得到的新的技术方案，均落入本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法，其特征在于，步骤包括：
太阳能电池单体选型步骤，根据机翼尺寸、发电功率以及成本等要求进行太阳能电池单体选型，确定晶硅太阳能电池单体尺寸；
机翼翼型曲线划分步骤，将机翼翼型上曲线根据所选的太阳能电池单体尺寸进行分段折线化处理；
电池阵划分步骤，根据分段折线化结果，考虑翼展尺寸、每个电池阵功率大小、MPPT控制器输入输出电压要求，沿机翼翼展方向布置所选单体的数量；每段折线沿翼展方向布置的太阳能电池单体之间采用串联发电形式，折线与折线之间的电池阵相互独立；
太阳能电池组件设计步骤，根据电池阵的划分，进行太阳能电池组件设计；
太阳能电池组件设计步骤中，太阳能电池组件采用矩形设计；单个组件沿翼展方向尺寸为250mm～550mm，沿弦长方向尺寸为300mm～750mm；组件与组件之间沿翼展方向间隔3mm～5mm，沿弦长方向间隔3mm～5mm；
遮挡分析步骤，针对每个太阳能电池组件在机翼上的位置，对易受遮挡的太阳能电池组件沿翼展方向设置旁路二极管。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能无人机晶硅太阳能电池阵设计方法，其特征在于，机翼翼型曲线划分步骤中，翼型前缘留出20mm～50mm区域，翼型后缘留出10mm～30mm区域。
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