太阳能飞机能源管理的初步分析与实验

【摘要】：太阳能飞机是一种利用太阳能作为动力在高高空中能连续飞行数周以上的无人驾驶飞行器,因其可以完成卫星的大部分工作,而又被称为“大气卫星”。它的众多特有的优势引起了美国、欧盟等的关注。现在制约太阳能飞机向前发展的瓶颈是能源技术。如果美国能将蓄电池单位质量比能提高到600 Wh/kg、效率提高到60%,就可以实现在北纬40度(以及纬度更低地方)20 km高空上方的全年飞行。美国空军将在今后几年内开发飞行高度在18 km、巡航时间在30天以上的太阳能飞机,能携带150 kg的载荷。 本文主要从太阳能飞机能源管理方面进行初步研究和实验。利用太阳能电池阵(布置在三个面上)、铅酸电池组建了能源系统地面模拟实验台。试验发现在太阳高度角大的时候,三个面上的太阳能电池工作温度差别就小;太阳能电池的方位角和输出功率的相对大小有特定的关系。 联立太阳能电池的电流—电压表达式和热平衡模型,利用二分法,可以求出太阳能电池的电流、电压、温度值。以3月22日、6月22日、12月22日这三天为例,求出了在北纬40度20 km高空中水平放置的太阳能电池阵的输出电流、电压和工作温度在一天中的变化。对一种效率为28%太阳能电池进行了分析,在20km高空中它的工作温度范围是210—335K,辐射换热量、对流换热量和太阳电池发出的电量,这三者量级相同。 完善了现有的一种太阳能飞机设计方法,使之能考虑风速对设计结果的影响和一段时间内的能量平衡,并提出了可行的算法。飞机的设计飞行速度为风速和最小功率飞行速度中的较大者。对太阳能飞机在全年内能量平衡和12月22日一天的能量平衡进行比较,发现前者燃料电池需要储存的能量和机翼面积的比值的量级是后者的100倍,因而导致前者没有可行解。在众多使全年连续飞行可行的太阳能电池面积和燃料电池重量之间的组合中,后者的燃料电池重量和太阳能电池面积都是最大的,在一年中总过剩电能也是最多的。纬度越高,过剩电能就越多。 【关键词】：太阳能飞机 电源和推进系统 太阳能电池 地面实验 设计方法
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：V272
【目录】：

• 第1章 引言10-21
• 1.1 课题目的和意义10-12
• 1.2 国外研究综述12-20
• 1.2.1 太阳能飞机能源系统12-14
• 1.2.2 太阳能飞机设计方法14-16
• 1.2.3 太阳能电池阵热分析16-17
• 1.2.4 太阳辐射衰减系数17-18
• 1.2.5 一些重要文献回顾18-20
• 1.3 论文主要工作20-21
• 第2章 能源系统地面实验21-33
• 2.1 实验装置介绍21-27
• 2.1.1 太阳能电池阵22-23
• 2.1.2 功率管理分配器23-24
• 2.1.3 储能系统24-25
• 2.1.4 负载25
• 2.1.5 太阳辐射计25-26
• 2.1.6 数据采集装置26-27
• 2.2 实验步骤27-28
• 2.3 实验结果28-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第3章 太阳能电池能量平衡分析33-43
• 3.1 本章引言33-34
• 3.2 太阳能电池阵模型34-41
• 3.2.1 电流——电压关系式34-35
• 3.2.2 能量平衡分析35-36
• 3.2.3 计算方法36-38
• 3.2.4 太阳能飞机电流、电压输出38-41
• 3.3 20km 高空太阳能电池阵工作温度范围41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 太阳能飞机设计方法初步分析43-66
• 4.1 本章引言43
• 4.2 能量平衡图43-49
• 4.3 太阳能飞行平台总重量和所需总功率表达式49-51
• 4.4 求解流程51-56
• 4.5 计算结果分析56-65
• 4.5.1 全年能量平衡和12 月22 日能量平衡分析56-61
• 4.5.2 风速大小对设计结果的影响61-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第5章 结论66-68
• 5.1 研究总结66-67
• 5.2 下一步工作建议67-68
• 参考文献68-72
• 致谢与声明72-73
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果73

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

基于DSP的太阳能飞艇飞控系统研究    蒋乐平

国外近空间飞艇的现状和发展    李利良;郭伟民;何家芳;

基于MS5534B的无人机高度传感器    于克振;胡延霖;周国栋;

太阳能电池在飞艇上的应用研究进展    鄢红陵;张秋禹;张力;张军平;尹常杰;

捷联惯导系统中四元素法求解姿态角仿真模拟    孙冬梅;田增山;韩令军;

飞艇的研制现状、技术水平及其发展前景    曲东才,何宝民

大气紊流环境下的纵向飞行参数响应分析    杨秋艳;王立新;

平流层飞艇的能源技术和平衡分析    刘大海;阎健;张健勇;李丽;

飞艇浮升力随高度变化规律的研究    任鹏;王大华;余刃;

对流层飞艇净浮力变化规律的仿真研究    张博;王大华;

Dryden大气紊流模型的数字仿真技术    赵震炎,肖业伦,施毅坚

弹上遥测系统若干关键智能传感器信息测量及融合研究    江民俊

太阳能电池阵列模拟器的研究与设计    韩珏

小型无人飞艇飞行控制系统设计    范珉一

平流层飞艇多能源管理系统的优化设计    方丽娟

关于太阳能和燃料电池的电源系统    王廷龙

无人飞艇飞行控制系统软件设计    陈慧

小型无人飞艇的建模与飞行控制系统的设计    孙珺

ST-3型飞艇定向飞行控制及监控系统设计    王进

小型低空飞艇中的数据采集、控制与实现    施兴祖

平流层飞艇平台姿态控制研究    何荣斌

太阳能电池最大功率点跟踪技术探讨    杨帆;彭宏伟;胡为兵;李国平;姜燕;

居民太阳能光伏发电并网引起的问题研究    张垠;

太阳能电池MPPT方法的初值问题及其实验研究    朱湘临;廖志凌;刘国海;

太阳能电池发电系统的分析    刘刚;

一种太阳能电池最大功率点跟踪的算法研究    唐敏;任奇;

太阳能最大功率跟踪技术的研究    侯聪玲;吴捷;

太阳能最大功率跟踪技术的研究    侯聪玲;吴捷;

小功率独立光伏发电系统研究    张超;张学众;张志宏;张竑基;

一种采用CUK充电和推挽升压的光伏发电系统设计和试验    张超;张学众;郭志宇;赵广立;

逐点差值比较法在太阳能模拟器中的应用    徐建军;刘忠洋;吕世森;

空间太阳能电池阵放电研究    李盛涛;李巍巍;程程;闵道敏;郑晓泉;

太阳能光伏发电系统的设计    李大军;

太阳能飞机突风载荷响应分析    赵玲;季辰;刘子强;

国内空间光伏应用现状及发展趋势    唐则祁;李国欣;陈鸣波;

基于MATLAB/Simulink的风/光复合发电系统的稳态建模与仿真    阮睿;井天军;杨明皓;

深空探测微小卫星电源系统数学模型建立    蔡洪炜;宁晓琳;陈志新;

太阳能电池阵模块化自重构机器人模型的设计和运动仿真    丁越;付庄;朱俊青;蒋东升;赵言正;马培荪;

光伏工程电池阵列间距计算探讨    闫廷满;

光伏工程电池阵列 间距计算探讨    闫廷满;

太阳能发电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法    戴欣平;马广;杨晓红;

世界最大太阳能飞机跨国飞行成功    记者 孙天仁

美无人太阳能飞机坠毁    记者 毛磊

皮卡德和他的“阳光动力”太阳能飞机    钟强

“阳光动力”承载绿色梦想    黄发红

“阳光动力”承载绿色梦想    黄发红

太阳能电池：载人飞船系统动力之源    记者 梁红兵赵艳秋

不烧汽油的飞机    

波音研发可续航5年的无人机    刘霞

德国实用技术集锦（三）    顾钢

太阳能无人机创连续飞行纪录    刘霞

三相并网光伏发电系统的运行控制策略    刘飞

地球同步轨道航天器深层充放电探测研究    杨垂柏

空间展开桁架结构设计理论与热控制研究    杨玉龙

基于Z拓扑的光伏并网逆变器研究    程如岐

太阳能飞机能源管理的初步分析与实验    张锦绣

数字式太阳能电池阵列模拟器的研究与设计    王爽

数字式太阳能电池阵列模拟器的研究与仿真    刘忠洋

基于DSP的太阳能电池阵列模拟器的研究    范成

太阳能飞机设计计算与TRNSYS程序模拟    吴安民

独立光伏空调系统的研究    吕光昭

太阳能飞机飞行路线及溴化锂吸收式空调研究    刘俊

蝶式光伏发电聚光器研制    许志龙

单相光伏并网逆变器的研制    张凌

基于DSP的太阳能独立光伏发电系统的研究与设计    吴忠军