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太阳能飞机的简单原理

作者:admin发布时间:2020-11-26 02:17

  摘要:本课题旨在设计制作一架以太阳能作为主要的续航动力来源的航拍飞机,以此来响应国家关于节能减排的相关政策和探索有效利用太阳能的新途径。其基本思路是通过预计飞机空载起飞的重量(大约3kg)来确定太阳能电池板的功率,在此基础上选择最佳翼型和确定机翼面积,从飞机的整体结构和飞行要求出发设计其它部件的结构尺寸并确定安装位置,最后制作样机并试飞,同时根据试飞结果改进飞机结构及安装相应机载设备飞行。

  1以太阳能作为主要的续航动力来源,机上载有蓄能装置以储存太阳能电池板的富余功率,可实现低空长航时飞行,加装机载设备(如航拍或测绘设备,进行实时图像及数据传输),适合于军民两用。

  2 采用新型超轻薄且可承受一定弯曲的太阳能电池板封装工艺,直接铺设在机翼上表面蒙板上,改变以往通过分割电池板来覆盖曲面的方法,大大减少了对机翼气动外形的影响,也减轻了导线 采用新型高压、低电流输电方式,配合高压无刷电调和新型超大直径低KV、高力效的轻薄无刷电机,直接驱动大直径螺旋桨,既可减少电流和线上损耗,又可减小导线直径以减轻重量,还能减少以往螺旋桨减速机构的能量损耗。{太阳能飞机的简单原理}.

  设计并制作一架具有实用价值的太阳能航拍飞机。本机将使用太阳能作为唯一的动力来源。由于单位面积太阳能电池板所提供的功率非常有限,所以我们从一开始,在飞机的外形设计上,就要求整机具有高升阻比;在飞机结构方面,我们想方设法尝试新的材料和工艺,提高结构强度重量比,减轻机体重量;在太阳能电池板的封装上,我们也找到了轻量化的工艺并将太阳能电池板成功整体贴合在机翼上表面的曲面上;在能量转换效率方面,我们提高了传输电压,并找到了高效的动力转换组合,大大提高了太阳能的利用率。这一切,只为了一个目标,就是让飞机能如同理论计算的结果那样,真正靠太阳能飞起来!

  飞机将不使用任何其他大容量的储能装置,实现飞机的自主供能起飞。再加装一套航拍设备,实现飞机的实时图像及数据传输功能。这一外加航拍功能可以充分体现和发挥太阳能飞机这一超长航时留空平台的优势。

  这将使如今的太阳能技术从单纯的地面应用拓展到大气层的应用成为可能,实现太阳能的多层面复合利用。下面图1、图2是预想中的效果图。{太阳能飞机的简单原理}.

  太阳能电池板在一截机翼上表面的成功的整体曲面封装{太阳能飞机的简单原理}.

  在当前全球化石能源资源日益短缺、气候变化等环境压力日渐增大的背景下,太阳能、风能等新能源和可再生能源已被世界各国政府作为重要的战略替代能源大力发展。

  开发太阳能的行动,即使现在不行动起来,以后也是要花大力气追赶他人的。与其坐等他人成果实现,不如主动进行尝试,为以后的冲击打好基础! 在我国,按接受太阳能辐射量的大小,全国大致上可分为五类地区:一类地区全年日照时数为3200~330O小时,二类地区全年日照时数为3000~3200小时,三类地区全年日照时数为2200~3000小时,四类地区全年日照时数为1400~2200小时,五类地区全年日照时数约1000~1400小时。一、二、三类地区,年日照时数大于2000h,辐射总量高于586kj/cm2,是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区,具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差,但仍有一定的利用价值。

  中国太阳能资源非常丰富,理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔!{太阳能飞机的简单原理}.

  随着航空科技的进步,航空事业飞速发展,无论是数量还是种类都急剧增多,然而随之而来的噪音及污染问题也越来越严峻。在日益强调节能、环保、低碳的民用领域,太阳能飞机具备零碳、环保等优良特性,在给民用领域带来新的便利的同时,太阳能飞机还将会作为低碳经济和新能源利用的“明星飞行器”而发挥出极其强烈的宣传价值和教育意义,为新能源的进一步开发和应用、全人类的科学进步与环境保护作出它相应的也是必然的贡献。

  太阳能飞机巡航时间长,飞行高度高,覆盖区域广,可以执行多种任务,具有常规飞行器不可替代的优点。太阳能在航空器上的应用研究,是我国新世纪航空工业重点发展的一个新领域,也是各国航空工业研究的一个新热点。

  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、外星球探测等;在军事上可用于边境巡逻、侦察、通信中继、电子对抗等任务。由于太阳能飞机具有众多优势及其具有广阔的应用前景,许多国家和组织都竞相展开对太阳能飞机的研究。

  太阳能飞机的英文名称为:solar-poweredairplane。它是以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小,为了获得足够的能量,飞机上应有较大的摄取阳光的表面积,以便铺设太阳电池,因此太阳能飞机的机翼面积较大。

  超薄和柔性的太阳能锂电池要承受变形、振动、-60℃~+80℃的温度变化,还有强紫外线米的超轻细长机翼也是前所未有的技术考验,在12000米以上高空驾驶,驾驶舱还需要增压、保温和除湿。另外,为节省能源减轻重量,驾驶舱设计很小,只能容下一个飞行员。飞机的起飞将完全自动完成,白天它将逐渐升高,夜晚则缓慢滑翔下降,以节省宝贵的能量,飞机底部也将安装太阳能光电板,接受反射的阳光。 太阳能发电原理

  太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电源为交流220V或 110V,还需要配置逆变器。各部分的作用为:

  (一)太阳能电池板:太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。

  (二)太阳能控制器:太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。

  (三)蓄电池:一般为铅酸电池,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。

  (四)逆变器:在很多场合,都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合,需要使用多种电压的负载时,也要用到DC-DC逆变器,如将24VDC的电能转换成5VDC的电能(注意,不是简单的降压)。

  太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种,如:单晶硅,多晶硅, 非晶硅,砷化镓,硒铟铜等。它们的发电原理基本相同,现已晶体硅为例描述光发电过程。 P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅,形成P-N结。

  当光线照射太阳电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是:光子能量转换成电能的过程。

  太阳能挑战者号; “太阳神”号;“天空使者”号;“西风”号;“太阳脉动”号;阳光动力号。

  其中阳光动力号HB-SIA(Solar Impulse HB-SIA)的设计理念是成为首架不使用燃料的零碳排放昼夜飞行飞机,它展示了新技术在节能及可再生能源生产方面的巨大潜力。由一支70人团队和80个合作伙伴历时七年紧张艰苦的工作、运算及测试,才诞生了这架具有革命性的碳纤维飞机。该飞机有着空客A340飞机的翼展(63.4米)和普通家用汽车的重量(1600公斤)。此前,世界上从未建造过如此庞大的轻体飞机。12000个太阳能电池被集成到机翼当中,为4个电动发动机(每个发动机最大功率为10马力)提供可再生能源。白天,这些太阳能电池也会为锂聚合物电池(400公斤)充电,以保证飞机能够进行夜间飞行。

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