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

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