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CN108839570A - 以太阳能电池板和锂电池组为动力源的小型太阳能无人机 - Google Patents

以太阳能电池板和锂电池组为动力源的小型太阳能无人机 Download PDF

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CN108839570A
CN108839570A CN201810624785.8A CN201810624785A CN108839570A CN 108839570 A CN108839570 A CN 108839570A CN 201810624785 A CN201810624785 A CN 201810624785A CN 108839570 A CN108839570 A CN 108839570A
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wing
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李可
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Beijing Blue Power Technology Co Ltd
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Beijing Blue Power Technology Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种小型太阳能无人机，包括：机身；机翼；设置在机身前端的单台电动机和螺旋桨；水平尾翼和垂直尾翼。机翼的左、右侧上反段和中部直段的上表面各布置有太阳能电池板组(101，102，103)，对太阳能电池板进行切割和多层封装，从而同翼型完美融合；为节约机内空间和合理配重，将锂电池组(104)布置于机翼直段的翼肋(105)中。各太阳能电池板组串联，并配有独立的最大功率点跟踪系统即MPPT太阳能控制器(304)，以调节太阳能电池板组输出电压，直接向电子调速器(307)及电动机(308)供电，保证了即便电池电量耗尽飞机依旧能通过太阳能电池阵提供的能量滑翔降落，大大提高了飞机能源管理系统的可靠性和安全性。

Description

以太阳能电池板和锂电池组为动力源的小型太阳能无人机
技术领域
本发明涉及一种以太阳能电池板和锂电池组为动力源的低空小型太阳能无人机，属于航空飞行器设计领域。
背景技术
低空太阳能飞机的众多优势，例如：为偏远多山地区提供通讯平台；距离地面近拍摄图片分辨率高，可以侦查森林火灾，搜索营救等，具有广阔的应用。一般依靠自身携带的燃油为动力来源的小型低空无人机存在航程少、留空时间短以及留空高度受到很大限制的问题。此外，部分情况下需要小型无人机执行高空或远程任务，由于无人机自身起飞重量较小，无法搭载足够的燃料，将不能满足飞行任务的要求。
以边境侦查为例，我国幅员辽阔，环境复杂，使用现役的侦察机就会受到航程、航时以及当地环境的影响，无法做到全天候24小时的不间断监测。若使用无人侦察机多架次起飞则会对地面维护人员造成极大的负担。
军事方面：远程预警、地面侦察与监视作用距离及时间有限，并且生存能力较低，严重制约我军信息化建设的进程。
民用方面：电视服务、大气环境监测与天气预报、灾害预报与应急处理作用手段及可覆盖区域有限。
因此、本发明设计一款小型低空太阳能无人机，实现短距离抛飞，降落时实现滑翔降落。
发明内容
对于例如上述边境侦查等应用，如果能将依靠太阳能为动力的无人机在边境起飞，飞至指定地点上空，配合自动驾驶仪系统，提供24小时的全程监视与侦察，就能提高效率并大大减轻地面人员的负担，太阳能无人机能够完成这种长时间留空的侦察任务。
因此,本发明的目的，是提供一种小型低空太阳能无人机。
根据本发明的一个方面，提供了一种无人机，其特征在于包括：
机身，
安装在机身前端的、带折叠式螺旋桨的电动机，用于为飞机提供飞行所需的动力，
机翼，其具有三段翼设计，分为中段机翼和两个外段机翼，
外段机翼的后缘设置有副翼，
和机身相连的水平尾翼和垂直尾翼，
锂电池组，布置于中段机翼的翼肋中，
其中：
在中段机翼和两个外段机翼的上表面分别布置有第二、第一和第三太阳能电池板组，
所述第二、第一和第三太阳能电池板组中的太阳能电池板被进行了切割和多层封装，同中段机翼和两个外段机翼的翼型融合。
附图说明
图1显示了根据本发明的一个实施例的小型太阳能无人机的整体外形图。
图2显示了根据本发明的一个实施例的小型太阳能无人机的太阳能电池板排布图。
图3显示了根据本发明的一个实施例的小型太阳能无人机的锂电池排布示意图。
图4显示了根据本发明的一个实施例的小型太阳能无人机的太阳能电池板组封装图。
图5显示了根据本发明的一个实施例的小型太阳能无人机的能源管理系统的结构示意图。
图6显示了根据本发明的一个实施例的小型太阳能无人机的能源管理系统控制流程图。
图7显示了根据本发明的一个实施例的小型太阳能无人机的折叠式螺旋桨外形图。
具体实施方式
为了解决现有无人机的航程、留空时间及飞行高度有限的问题，并能将小型无人机的功能进行扩展，使之能依靠自身动力来完成原来所不能完成的高空、远程长航时飞行任务，本发明人设计了一种以太阳能为动力，具有一定任务载荷，能够完成测绘侦察等任务，并可应用于气象测绘等多种应用领域的小型无人机。
太阳能无人机的动力来源为太阳能，而太阳能的捕获是通过布置于飞机上的太阳能电池板实现的。由于不同气候和时间条件下太阳光照的强度不同，太阳能电池板所能供给的功率也是随之变化的，为了保证太阳能无人机的正常平稳运行，需要对由太阳能电池板、电机和锂电池所组成的能源系统进行能源管理与状态监测。为此，本发明设计了一种适用于长航时无人机的能源管理系统，保证不同工况下能源系统的高效平稳运行。
现有的太阳能电池板分为柔性太阳能电板和非柔性电池板。其中，柔性太阳能电池板成本高昂无法大规模实用；非柔性太阳能电池板由于材料原因，无法弯曲。为了使太阳能电池板能贴合机翼翼面的弧度，本发明对太阳能电池板进行切割，使其能贴合在机翼表面。同时，本发明在太阳能电池板的封装过程中，在其表面贴合了透光膜，提高了太阳能电池板的聚光能力。
根据本发明的太阳能无人机的总体布局
根据本发明的一个实施例的小型无人机采用常规式气动布局，如图1和图2所示，其具有上单翼设计，机身(2)前端安装有带折叠式螺旋桨(9)的电动机(1)，为飞机提供飞行所需的动力。
机翼平面形状为矩形，无后掠角，三段翼设计分为中段机翼(5)和外段机翼(7)和(8)，外段机翼(7)和(8)有5°上反角，增加飞行稳定性。外段机翼后缘设置有副翼(6)。水平尾翼(3)和垂直尾翼(4)和机身(2)相连，在一个具体实施例中，机身(2)采用碳纤维复合材料圆管。本发明的小型太阳能无人机不带有起落架，通过短距离抛飞实现起飞，无跑道要求，降落以滑翔方式降落。
太阳能电池板组和锂电池组的排布方式
根据本发明的一个实施例，如图2和图3所示，在机翼的左侧上反段、中部直段、右侧上反段的上表面分别布置有一块太阳能电池板组(101，102，103)，对太阳能电池板进行了切割和多层封装，可以同翼型完美融合；同时，为了节约机内空间，合理配重，本发明将锂电池组(104)布置于机翼直段的翼肋(105)中。在翼肋外侧，包覆有蒙皮(106)。在蒙皮(106)的上表面，贴合有太阳能电池板组(102)。同时，在机翼前缘，覆盖有复合材料外壳(107)。
太阳能电池板封装方式
根据本发明的一个实施例，如图4所示，若干块单晶硅太阳能电池板经过切割，采用多层封装的方式被封装在太阳能电池板组(102)上。
根据本发明的一个实施例，太阳能电池板组以软性塑料膜作为底膜(201)；根据一个具体实施例的封装方式是，太阳能电池板(203)与底膜(201)中间有一层EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)热熔胶膜(202)；在太阳能电池板(203)上表面，也覆有一层EVA热熔胶膜(204)；在上层EVA热熔胶膜(204)的上表面，封装有一层透光膜(205)，该透光膜可以提高太阳能电池板组的聚光能力；其中，EVA热熔胶膜(202,204)起到了对底膜(201)、太阳能电池板(203)、透光膜(205)的粘合作用，保证了太阳能电池板封装结构的稳定性。此外，为了使电池板更贴合翼面曲线，提高飞行效率，每块太阳能电池板都沿展向进行了切割处理。
根据本发明的一个实施例，太阳能电池板(203)使用常规的单晶硅电池板，并且采用切割多层封装的方式与机翼结合，锂电池埋入机翼肋片的碳管中，进行一体化设计，增加机翼强度，减小占用空间。
能源管理系统
根据本发明的一个实施例的太阳能飞机能源管理系统结构图如图5所示。其中，第一太阳能电池板组(301)、第二太阳能电池板组(302)、第三太阳能电池板组(303)分别为排布于机翼的左侧上反段、中部直段、右侧上反段的上表面的电池板组在电路中的表示；锂电池组(306)为排布于机翼中部直段内的太阳能电池组在电路中的表示。该系统由太阳能电池板组(301,302,303)通过最大功率点跟踪(MPPT)系统，即MPPT太阳能控制器(304)向锂电池组(306)和电子调速器(307)控制的电动机(308)(也就是图1中的电动机(1))直接供电，当电动机(308)需要较大功率时，锂电池组(306)和第一至第三太阳能电池板组(301,302,303)同时向电动机(308)供电。同时，在MPPT太阳能控制器(304)后串有防反灌二极管(309)来保护太阳能电池板组(301,302,303)的稳定工作。
第一至第三太阳能电池板组(301,302,303)串联于电路中，MPPT太阳能控制器(304)用于调节太阳能电池板组的输出电压，直接向电子调速器(307)及电动机(308)供电，保证即便在电池电量耗尽的情况下，太阳能飞机依旧能够通过太阳能电池板组提供的能量滑翔降落，大大提高了整个太阳能飞机能源管理系统的可靠性和安全性。
锂电池组(306)配有过充保护系统(305)，防止电池过充，保护锂电池组的正常工作，延长电池寿命。
根据本发明的一个实施例的太阳能飞机能源管理系统的控制流程图如图6所示，该能源管理系统主要由一个能源管理模块(310)实施。在工作中，能源管理模块实时待机，对能源系统的工作情况进行实时的监控与控制。当能源系统开始工作(3001)，首先读取功率数据(3002)，包括MPPT太阳能控制器(304)的输出端功率和电动机(308)的消耗功率；然后进入判断流程(3003)，在飞机起飞爬升状态下，一般太阳能电池板的输出功率小于电动机消耗功率，此时进入锂电池放电模式(3005)，能源管理模块通过控制锂电池组输入、输出端的断路器(311，312)，使锂电池组(306)放电，此时锂电池组(306)和太阳能电池板组(301,302,303)共同为电子调速器(307)控制的电动机(308)供电，为起飞提供足够的动力；当飞机平飞状态下，一般太阳能电池板的输出功率大于电动机消耗功率，此时进入锂电池放电模式(3004)，能源管理模块通过控制锂电池组输入、输出端的断路器(311，312)，使锂电池组(306)充电，此时由太阳能电池板组(301,302,303)接收太阳能，为锂电池组(306)充电的同时向电子调速器(307)控制的电动机(308)供电，飞机可以完全依靠太阳能动力平飞。锂电池充电模式改变后，控制流程结束(3006)。
折叠式螺旋桨设计
根据本发明的一个实施例的太阳能飞机的折叠式螺旋桨(9)外形图如图7所示。其中，两片桨叶(401，402)分别通过两根转轴(403，404)连接在桨夹(405)上；桨夹(405)通过轴孔(406)连接在电动机(1)上。其中，桨叶(401，402)可以绕转轴(403，404)转动，实现桨叶的折叠，当电动机(1)带动螺旋桨转动时，桨叶(401，402)会在离心力作用下打开，为无人机提供推力。本设计的有益效果在于，当无人机降落时，电动机(1)停止转动，桨叶(401，402)会自动收起，这样能有效防止桨叶与地面发生碰撞，致使电动机损坏。
本发明的优点和有益效果包括：
1)该太阳能无人机采用常规布局、单尾撑、倒T型尾翼的布局形式，具有很高的可靠性。
2)与常规动力小型无人机相比，该机通过太阳能电池板和锂电池组供电具有更长的航时，更远的飞行距离，能够担任长时间巡航的任务。
3)使用常规的单晶硅电池板，并且采用切割多层封装的方式与机翼结合，锂电池埋入机翼翼肋中，进行一体化设计，增加机翼强度，减小占用空间。
4)依靠太阳能电池板和锂电池组所提供的动力起飞，在平飞状态下可完全依靠太阳能动力平飞。5)采用单发电动机作为驱动动力，具有高力效、大扭力、低转速的优点。
6)太阳能电池板组带有最大功率点跟踪系统，使太阳能电池板都工作在最佳功率点，保证太阳能电池板组都能在输出功率较高的工况下工作，同时保证飞机供电系统的稳定性。
7)锂电池组带有过充保护系统，可防止电池过充，延长电池寿命。
8)采用折叠式螺旋桨设计，并且本发明不带有起落架，起飞时可以实现短距离抛飞无跑道要求，降落时实现滑翔降落。

Claims (10)

1.一种无人机，其特征在于包括：
机身(2)，
安装在机身(2)前端的、带折叠式螺旋桨(9)的电动机(1)，用于为飞机提供飞行所需的动力，
机翼，其具有三段翼设计，分为中段机翼(5)和两个外段机翼(7，8)，
外段机翼(7，8)的后缘设置有副翼(6)，
和机身(2)相连的水平尾翼(3)和垂直尾翼(4)，
锂电池组(104)，布置于中段机翼(5)的翼肋(105)中，
其中：
在中段机翼(5)和两个外段机翼(7，8)的上表面分别布置有第二、第一和第三太阳能电池板组(101，102，103)，
所述第二、第一和第三太阳能电池板组(101，102，103)中的太阳能电池板被进行了切割和多层封装，同中段机翼(5)和两个外段机翼(7，8)的翼型融合。
2.根据权利要求1所述的无人机，其中：
该无人机是小型无人机，采用常规式气动布局，其具有上单翼设计，
机身(2)采用碳纤维复合材料圆管
无人机不带有起落架，通过短距离抛飞实现起飞，降落以滑翔方式降落，
机翼平面形状为矩形，无后掠角，
外段机翼(7，8)有5°上反角，改善飞行稳定性。
3.根据权利要求1所述的无人机，其特征在于：
所述中段机翼(5)和两个外段机翼(7，8)各包括翼肋，
在翼肋外侧，包覆有蒙皮(106)，
在蒙皮(106)的上表面，贴合所述太阳能电池板组，
在所述中段机翼(5)的前缘覆盖有复合材料外壳(107)。
4.根据权利要求1所述的无人机，其特征在于：
每个所述太阳能电池板组包括多块单晶硅太阳能电池板(203)，
所述多块单晶硅太阳能电池板(203)经过切割，采用多层封装的方式被封装成所述太阳能电池板组。
5.根据权利要求4所述的无人机，其特征在于：
所述太阳能电池板组以软性塑料膜作为底膜(201)；
太阳能电池板(203)与底膜(201)中间有一层第一乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔胶膜(202)；
在太阳能电池板(203)上表面覆有一层第二乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔胶膜(204)；
在第二乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔胶膜(204)的上表面，封装有一层透光膜(205)，用于提高太阳能电池板组的聚光能力；
其中，第一和第二乙烯-醋酸乙烯共聚物热熔胶膜(202,204)用于对底膜(201)、太阳能电池板(203)、透光膜(205)进行粘合，保证太阳能电池板的封装结构的稳定性，
每块太阳能电池板都沿展向进行切割处理，以使电池板更贴合翼面曲线，提高飞行效率。
6.根据权利要求1所述的无人机，其特征在于：
锂电池组(104)埋入翼肋(105)中的碳管中。
7.根据权利要求1－6之一所述的无人机，其特征在于：
所述第二、第一和第三太阳能电池板组通过最大功率点跟踪太阳能控制器(304)向锂电池组和电子调速器(307)控制的所述电动机直接供电，
当电动机需要大功率时，锂电池组和第一至第三太阳能电池板组同时向电动机供电，
第一至第三太阳能电池板组串联于电路中，
最大功率点跟踪太阳能控制器(304)用于调节太阳能电池板组的输出电压，使太阳能电池板组直接向电子调速器(307)及电动机供电，保证即便在电池电量耗尽的情况下，太阳能飞机依旧能够依靠太阳能电池板组提供的能量滑翔降落。
8.根据权利要求7所述的无人机，其特征在于：
在飞机起飞过程中通过锂电池组(306)和太阳能电池板组(301,302,303)共同为电子调速器(307)控制的电动机供电，
在飞机可以完全依靠太阳能动力平飞的过程中，由太阳能电池板组(301,302,303)接收太阳能，为锂电池组(306)充电的同时向电子调速器(307)控制的电动机(308)供电，
太阳能电池板(203)使用常规的单晶硅电池板，
在最大功率点跟踪太阳能控制器(304)后串有防反灌二极管(309)，用于保护太阳能电池板组的稳定工作，
锂电池组(306)配有过充保护系统(305)，防止电池过充，保护锂电池组的正常工作，延长电池寿命。
9.根据权利要求1－6之一所述的无人机，其特征在于：
折叠式螺旋桨(9)包括两片桨叶(401，402)，
两片桨叶(401，402)分别通过两根转轴(403，404)连接在桨夹(405)上，
桨夹(405)通过轴孔(406)连接在电动机(1)上，
其中，
桨叶(401，402)可以绕转轴(403，404)转动，实现桨叶的折叠，
当电动机(1)带动螺旋桨转动时，桨叶(401，402)会在离心力作用下打开，为无人机提供推力，
当无人机降落时，电动机(1)停止转动，桨叶(401，402)自动收起，从而防止桨叶与地面发生碰撞和导致的电动机的可能损坏。
10.基于根据权利要求1－9之一所述的无人机的一种能源管理方法，其特征在于包括：
A)读取包括MPPT太阳能控制器(304)的输出端功率和电动机(308)的消耗功率的功率数据(3002)；
B)进入判断(3003)，并且：
在太阳能电池板的输出功率小于电动机的消耗功率此时进入锂电池放电模式(3005)，通过控制锂电池组的输入端和/或输出端的断路器(311，312)，使锂电池组(306)放电，使锂电池组(306)和太阳能电池板组(301,302,303)共同为电子调速器(307)控制的电动机(308)供电，从而提供足够的动力，
当太阳能电池板的输出功率大于电动机消耗功率时，进入锂电池放电模式(3004)，通过控制锂电池组输入端和/或输出端的断路器(311，312)，使锂电池组(306)充电，此时太阳能电池板组(301,302,303)接收太阳能，在为锂电池组(306)充电的同时向电子调速器(307)控制的电动机(308)供电。
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