ES2219298T3 - Orientacion de la red de celulas solares de una aeronave. - Google Patents

Abstract

Un dirigible (1) que comprende medios de envoltura de gas para proporcionar mientras esté en uso un casco (2) con un eje longitudinal (20) que generalmente se extiende longitudinalmente y medios de conjunto de células solares (3) dispuestos mientras están en uso para montarse sobre el exterior del casco (2) para extenderse sólo alrededor de una parte de la circunferencia del casco (2), caracterizado porque se proporcionan medios de traslado de peso (6-10) para girar, mientras esté en uso, los medios de conjunto de células solares (3) alrededor del eje longitudinal (20) del casco para controlar, por ejemplo, incrementar o maximizar, la cantidad de radiación solar incidente captada por los medios de conjunto de células solares (3).

Description

Orientación de la red de células solares de una aeronave.

Sector técnico de la invención

Esta invención se refiere a un dirigible provisto de medios de conjunto de células solares y a un método de orientación en vuelo de los medios de conjunto solar montados en un dirigible, según se define en el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 9, y que se conoce por el documento US-A-4364532.

Antecedentes de la invención

Como un dirigible usa sólo una pequeña cantidad de energía para propulsión, es inherentemente adecuado para ser impulsado mediante energía solar obtenida de conjuntos de células solares montadas sobre el dirigible. Para muchas aplicaciones de dirigibles, incluyendo cometidos no tripulados de duración muy larga, puede postularse que la energía solar es el único medio de energía práctico aceptable, bajo los convenios ecológicos actuales, para impulsar tales dirigibles.

Es una propiedad de una célula solar tener eficiencia máxima cuando la radiación solar incidente es normal, es decir, a 90º, respecto de la célula. Para capturar suficiente energía para propósitos de impulsión, es necesario montar un gran número de células solares sobre el dirigible, por ejemplo montadas como varios conjuntos sujetos al cuerpo exterior del dirigible. Como, por razones aerodinámicas, un dirigible normalmente tiene forma de cuerpo de revolución, las diferentes células solares estarán orientadas en diferentes direcciones en un momento cualquiera y por lo tanto sólo algunas de las células solares recibirán la cantidad máxima de radiación solar incidente en un momento cualquiera. Por lo tanto, con grandes conjuntos de células solares sobre la superficie de un dirigible, muchas células solares recibirán menos de la energía máxima. De hecho, en ciertas condiciones, cualquier célula solar sobre "el lado oscuro" del dirigible que esté orientada en dirección opuesta al sol no recibirá virtualmente ninguna radiación solar, excepto una pequeña cantidad de radiación solar reflejada.

Además, como cualquier dirigible flotando en el aire debe suponerse capaz de volar a un rumbo aleatorio, no puede garantizarse que se producirá radiación solar durante un intervalo predecible de ángulo de azimut.

Esto lleva a una situación en la que, hasta el momento, los diseñadores de dirigibles han encontrado necesario, para poder proporcionar suficiente potencia para hacer funcionar un dirigible, cubrir mayoritariamente la superficie del casco del dirigible con células solares para garantizar que pueda generarse suficiente potencia cualquiera que sea el rumbo al que se dirige el dirigible y dondequiera que esté situado el sol respecto del dirigible. En la práctica, cuando un dirigible se sitúa para recibir radiación solar, típicamente menos de la mitad del número total de células solares de un conjunto de células dispuestas convencionalmente montado sobre la superficie externa del dirigible captan energía en un momento cualquiera. Esto es claramente un sistema muy ineficiente tanto en términos de coste como, lo que es más importante, en el peso de grandes conjuntos de células solares. A grandes altitudes de funcionamiento el peso es absolutamente crítico y cualquier ahorro de peso puede ser crucial en conseguir un dirigible "flotante".

Ha habido muchas propuestas de dirigibles impulsados solarmente, y una gran cantidad de trabajo publicado. La mayoría de los autores admiten las limitaciones de latitud y condiciones meteorológicas que atenúan el uso práctico de dirigibles solares. Que se sepa, ningún dirigible de propulsión solar ha tenido éxito.

Debido al documento US-A-5.518.205 se conoce una aeronave conocida impulsada solarmente. Esta aeronave conocida tiene un par de cascos inflados que están conectados por alas delantera y trasera y de los cuales está sostenida una barquilla mediante cables de suspensión. El ala delantera lleva un conjunto de células solares sobre su superficie superior. Ajustando la posición de la barquilla puede hacerse que la aeronave se incline para optimizar la exposición del conjunto de células solares a la radiación solar incidente. Por supuesto, la aerodinámica de tal aeronave se altera considerablemente por la inclinación transversal de tal aeronave de doble casco.

Descripción de la invención

Es un objeto de la presente invención reducir el número de células solares necesarias sobre un dirigible para los requisitos de potencia del dirigible, por ejemplo, proporcionando propulsión.

Es otro objeto de la presente invención proporcionar medios para cambiar la orientación de los medios de conjunto de células solares montados sobre el casco de un dirigible para incrementar, y preferiblemente maximizar, la cantidad de radiación solar captada por el medio de conjunto de células solares.

Según un aspecto de la presente invención, se dispone de un dirigible que comprende medios de envoltura de gas según se define en la reivindicación 1.

Proporcionando medios para girar los medios de conjunto solar alrededor del eje longitudinal del casco, los medios de conjunto solar pueden "seguir el recorrido" del sol a medida que se mueve a través del cielo. Por ejemplo, los medios de conjunto solar serán giratorios a través de un arco, alrededor del eje longitudinal del casco, entre posiciones extremas descentradas en lados opuestos del centro de flotación del dirigible.

Los medios de conjunto de células solares están sujetos preferiblemente de manera rígida al casco del dirigible, por ejemplo, a una cuarta parte superior del casco del dirigible. En este caso, los medios de giro son operativos para hacer que todo el casco se balancee para permitir que los medios de conjunto solar sigan el recorrido del sol a medida que cruza el cielo. Aunque se prefiere que los medios de conjunto solar estén sujetos rígidamente al casco del dirigible, la presente invención no es tan limitada y se pretende que cubra medios de conjunto de células solares móviles en relación con el casco del dirigible.

Los medios de conjunto solar se extienden a lo largo de una longitud del casco suficiente para proporcionar la área de conjunto necesaria para los requisitos de potencia básicos del dirigible.

Preferiblemente, los medios de traslado de peso para efectuar el giro de los medios de conjunto de células solares incluyen medios de peso móvil, estando situados los centros de gravedad de los medios de conjunto de células solares y los medios de peso en lados opuestos del centro de flotación del dirigible. De este modo, el peso de los medios de conjunto de células solares y de los medios de peso se contrarrestan o equilibran entre sí e impiden que sobre el dirigible actúe una fuerza de balanceo permanente. Cambiando el "descentramiento lateral" de los medios de peso (es decir, la distancia entre el centro de gravedad de los medios de peso y un plano vertical que pasa por el centro de flotación del dirigible), se hace que el dirigible se balancee, girando así también los medios de conjunto solar montados fijamente al casco del dirigible.

Para maximizar el ahorro de peso, los medios de peso comprenden preferiblemente un módulo de carga útil del dirigible que puede descentrarse lateralmente para contrarrestar el peso del conjunto. Como el dirigible está diseñado para llevar una carga útil, no se necesitan medios de peso adicionales para descentrar el peso de los medios de conjunto solar.

En ciertos diseños para gran altitud, el módulo de carga útil puede estar contenido completamente dentro del casco. De este modo, el dirigible puede configurarse a modo de péndulo estable para una dirección de orientación particular de los medios de conjunto solar. El módulo de carga útil está montado convenientemente para movimiento en un arco alrededor del centro de flotación. De este modo, el movimiento del módulo de carga útil a lo largo del arco hace que el dirigible se balancee alrededor de su eje longitudinal hasta que el centro de gravedad del vehículo completo está de nuevo directamente por debajo del centro de flotación. Moviendo el módulo de carga útil en un arco por debajo del centro de flotación puede mantenerse la estabilidad del péndulo. Usando este sistema es posible lograr giros de los medios de conjunto solar superiores a 90 grados. Esto permite al dirigible no sólo alinear los medios de conjunto solar a medida que el sol se mueve por el cielo durante las horas diurnas, sino también permitir que el dirigible vuele en la dirección opuesta (para que se cumplan los requisitos de viento dominante y mantenimiento de la posición) y aun así mantener los medios de conjunto solar sobre el lado del dirigible que está orientado al sol. Esto es particularmente importante a las latitudes de funcionamiento superiores.

Convenientemente, los medios de giro incluyen medios de cable y torno. Típicamente, los medios de cable y torno comprenden unas series de pequeños tornos que tiran de/sueltan cables que constituyen medios de suspensión para suspender el módulo de carga útil del casco del dirigible. El control de funcionamiento de los medios de cable y torno formaría parte integral del sistema global de control de vuelo del dirigible.

Según otro aspecto de la presente invención hay provisto un método de captación de radiación solar incidente sobre los medios de conjunto de células solares según se define en la reivindicación 9.

Breve descripción de los dibujos

Ahora se describirá una realización de la invención, sólo a modo de ejemplo, en relación particular con los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una vista esquemática de un dirigible estratosférico en vuelo; y

Las Figuras 2a, 2b y 2c son vistas esquemáticas que ilustran cómo puede balancearse el dirigible de la Figura 1 para reorientar los medios de conjunto solar montados sobre el exterior del dirigible.

Modos de realizar la invención

La Figura 1 es una vista esquemática de un dirigible estratosférico 1 en vuelo. El dirigible 1 tiene un solo casco 2 formado a partir de una envoltura de gas rellena de un gas más ligero que el aire, típicamente helio. En lo sucesivo se hará referencia al helio como el gas que rellena la envoltura aunque se apreciará que podrían usarse otros gases. En el casco 2 está montado fijamente como mínimo un conjunto de células solares 3. Como se muestra, el conjunto de células solares 3 se extiende sólo sobre una cuarta parte de la circunferencia del casco 2 y está situado en el extremo frontal del dirigible. Cuando se lanza, la envoltura de gas del casco sólo está rellena de helio parcialmente, estando relleno de helio típicamente sólo alrededor del 6-8% del volumen final del casco 2, y el dirigible no tendrá la forma "inflada" mostrada en la Figura 1. Después de lanzar el dirigible relleno parcialmente de gas, el helio se expande gradualmente a medida que el dirigible asciende a través de la atmósfera hasta su altitud de funcionamiento, por ejemplo, alrededor de 70,000 pies. A la altitud de funcionamiento el dirigible tiene la configuración y forma mostradas esquemáticamente en la Figura 1.

El dirigible 1 tiene una carga útil interna dispuesta en una barquilla 5 (ver Figuras 2a-c). La barquilla está sujeta al casco 2 mediante cables 6-10. El cable 6 se extiende desde la barquilla 5 hasta un punto de sujeción 13 sobre el casco 2. El cable 7 se extiende desde la barquilla hasta una polea 14 alrededor de la cual corre el cable 8 con sus extremos opuestos conectados al casco en los puntos de sujeción 15 y 16. El cable 9 se extiende desde la barquilla 5 hasta una polea 17 alrededor de la cual corre el cable 10 con sus extremos opuestos conectados al casco en los puntos de sujeción 18 y 19. En la barquilla se disponen tornos (no mostrados) para cambiar la longitud de los cables 6, 7 y 9.

En la posición mostrada en la Figura 2a, el conjunto de células solares 3 está montado a la izquierda de un plano vertical V que pasa por un eje longitudinal 20 del dirigible 1. El centro de gravedad 21 del conjunto de células solares 3 también está situado a la izquierda del eje 20 y el peso del conjunto está equilibrado por la barquilla 5 situada a la derecha del eje longitudinal 20. El dirigible está de este modo en una condición estable con los pesos del conjunto 3 y la barquilla 5 contrarrestando cualquier tendencia del dirigible a balancearse.

Puede hacerse balancear el dirigible moviendo la barquilla 5 bajo el eje 20 hacia el plano vertical V. Como se muestra en los dibujos, la barquilla 5 se mueve a lo largo de una trayectoria curva 22 centrada en el punto 23 del plano vertical V. El movimiento de la barquilla se realiza accionando los tornos (no mostrados) en la barquilla 5. En particular, los tornos se accionan para acortar los cables 6 y 7 y para alargar el cable 9 durante la reorientación del conjunto de células solares 3 a la posición mostrada en la Figura 2b. En la Figura 2b, el centro de gravedad 21 del conjunto 3 y de la barquilla 5 están situados en el plano vertical V en lados opuestos del eje longitudinal 20. El casco del dirigible se ha girado aproximadamente 45º y el conjunto de células solares está situado orientado hacia arriba para recibir radiación solar incidente que incide sobre él directamente desde encima del dirigible.

Si los tornos se accionan ahora para incrementar las longitudes de los cables 6 y 9 y para reducir la longitud del cable 7, la barquilla 5 se mueve hacia la izquierda (según se ve en las figuras) alejándose del plano vertical V y el casco 2 gira o se balancea en dirección horaria. La Figura 2c muestra el casco 2 y el conjunto 3 en su otra posición más extrema.

Mediante el funcionamiento adecuado de los tornos puede hacerse balancear el casco 2 en la dirección antihoraria hasta la posición mostrada en la Figura 2a, preparado para recibir radiación solar incidente al amanecer del día siguiente.

Se apreciará que la posición de la barquilla 5 se controla para balancear el dirigible para orientar el conjunto de células solares 3 según se necesite. De este modo, mediante el control continuo de los tornos, que se controlan para soltar y tirar de los cables, puede hacerse que el conjunto 3 siga el recorrido del sol a medida que pasa por el cielo. De este modo, se controla la posición del conjunto de células solares 3, preferiblemente para maximizar o incrementar la cantidad de radiación incidente captada por el conjunto de células solares. El control de los tornos forma parte de un sistema global de control de vuelo del dirigible que también estaría recibiendo otra información de control concerniente al control del dirigible, como la posición de otras superficies de control, el funcionamiento de sistemas de empuje vectorial y similares.

El uso de un dirigible de un solo casco del tipo descrito permite que se rote o gire el casco alrededor de su eje longitudinal entre ángulos relativamente grandes, por ejemplo hasta 90º y más. Como un dirigible tiene esencialmente la forma de un cuerpo de revolución, la aerodinámica del dirigible no se altera demasiado o hasta un punto significativo girándose alrededor de su eje longitudinal.

Aunque se ha descrito la invención en relación con dirigibles no rígidos, también tiene aplicación a otros tipos de dirigibles. Por ejemplo, podría montarse de modo móvil un conjunto de células solares sobre un casco de un dirigible rígido o semirrígido para movimiento en relación al casco para seguir el recorrido del sol cruzando el cielo.

Se pretende que la invención cubra tanto un dirigible en vuelo como en el suelo en una condición desinflada. Por tanto, se pretende que el término "dirigible" comprenda un dirigible con una envoltura desinflada o parcialmente inflada.

Claims (9)

1. Un dirigible (1) que comprende medios de envoltura de gas para proporcionar mientras esté en uso un casco (2) con un eje longitudinal (20) que generalmente se extiende longitudinalmente y medios de conjunto de células solares (3) dispuestos mientras están en uso para montarse sobre el exterior del casco (2) para extenderse sólo alrededor de una parte de la circunferencia del casco (2), caracterizado porque se proporcionan medios de traslado de peso (6-10) para girar, mientras esté en uso, los medios de conjunto de células solares (3) alrededor del eje longitudinal (20) del casco para controlar, por ejemplo, incrementar o maximizar, la cantidad de radiación solar incidente captada por los medios de conjunto de células solares (3).

2. Un dirigible según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de conjunto de células solares (3) están sujetos rígidamente al casco del dirigible (2).

3. Un dirigible según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los medios de conjunto de células solares (3) se extienden a lo largo de una longitud del casco (2) suficiente para proporcionar la área de conjunto necesaria para los requisitos básicos de potencia del dirigible.

4. Un dirigible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los medios de traslado de peso para efectuar el giro de los medios de conjunto de células solares (3) incluyen medios de peso móvil (5), estando posicionados los centros de gravedad de los medios de conjunto de células solares (3) y los medios de peso (5) en lados opuestos de un plano vertical que pasa por el eje longitudinal (20) o eje de flotación del dirigible.

5. Un dirigible según la reivindicación 4, caracterizado porque los medios de peso (5) comprenden un módulo de carga útil del dirigible que puede descentrarse lateralmente para contrarrestar el peso de los medios de conjunto (3).

6. Un dirigible según la reivindicación 5, caracterizado porque el módulo de carga útil (5) está contenido completamente dentro del casco (2).

7. Un dirigible según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque dichos medios de traslado de peso (6-10) incluyen medios de cable y torno.

8. Un dirigible según la reivindicación 7, caracterizado porque los medios de cable y torno comprenden unas series de tornos que tiran de/sueltan cables (6, 7, 9) que constituyen medios de suspensión para suspender los medios de peso (5) del casco (2) del dirigible.

9. Un método de captación de radiación solar incidente sobre los medios de conjunto de células solares (3) montado externamente sobre un casco (2) de un dirigible, caracterizado porque el método supone girar los medios de conjunto solar (3) alrededor de un eje longitudinal del casco (2) usando medios de traslado de peso para controlar la cantidad de radiación solar incidente captada por los medios de conjunto de células solares (3).