一種太陽能飛艇再生能量實(shí)時(shí)預(yù)測和能量動(dòng)態(tài)分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及平流層飛艇能量動(dòng)態(tài)分配方法，具體涉及一種太陽能飛艇再生能量實(shí) 時(shí)預(yù)測和能量動(dòng)態(tài)分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高空平臺(tái)指的是距離地表17-22KM的一個(gè)平臺(tái)，主要指的是充氦氣飛艇。高空平 臺(tái)一般具有廉價(jià)、延遲小、易于部署等優(yōu)點(diǎn)最近幾十年作為人類研宄的熱點(diǎn)，在自然災(zāi)害監(jiān) 測、地面應(yīng)急通信和氣象監(jiān)測等方面發(fā)揮了很重要的作用。
[0003] 由于飛艇所處環(huán)境的特殊性，其能量主要來源于太陽直接輻射，因?yàn)樘栔苯虞?射受時(shí)間、季節(jié)等外部因素的影響，導(dǎo)致飛艇接受能量時(shí)不穩(wěn)定、有限，所以如何合理解決 其能量分配關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的正常高效運(yùn)行?，F(xiàn)有的飛艇能源分配方案中大部分比較模 糊，沒有從飛艇能源來源不斷的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變化和飛艇執(zhí)行任務(wù)所需要能源的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化 去考慮，比如方麗娟在"平流層飛艇多能源的優(yōu)化管理系統(tǒng)"利用有限狀態(tài)機(jī)根據(jù)能需和能 源的狀態(tài)分配能量，沒有考慮能源未來一段時(shí)間能夠再生多少能量，她只考慮了能需大小， 而沒有從任務(wù)的價(jià)值度方面考慮任務(wù)執(zhí)行對(duì)飛艇系統(tǒng)的重要性。比如林星春的"基于小波 網(wǎng)絡(luò)的次日太陽逐時(shí)總輻射預(yù)測技術(shù)研宄"，他解決了太陽總輻射逐時(shí)的預(yù)測，但是沒有充 分利用實(shí)際中太陽實(shí)時(shí)再生的輻射值作為實(shí)時(shí)預(yù)測的依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，提出一種太陽能飛艇再生能量實(shí)時(shí)預(yù)測和能量動(dòng)態(tài)分配方 法，用以實(shí)現(xiàn)飛艇能量的實(shí)時(shí)合理分配。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是，一種太陽能飛艇再生能量實(shí)時(shí)預(yù) 測和能量動(dòng)態(tài)分配方法，其特征是所述方法包括下列三個(gè)方法，方法1. 1、方法1. 2和方法 1. 3 ：
[0006] 1. 1、基于太陽直接輻射模型的一種實(shí)時(shí)預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)太陽所產(chǎn)生直接輻 射能量的方法，該方法根據(jù)實(shí)時(shí)測量的太陽直接輻射值，并綜合利用太陽直接輻射模型來 進(jìn)行預(yù)測；
[0007] 1. 2、基于飛艇任務(wù)價(jià)值度決定飛艇能量分配次序的方法，該方法通過飛艇任務(wù)的 耗能負(fù)載、可能的任務(wù)開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間這三個(gè)因素來確定任務(wù)價(jià)值度；
[0008] 1.3、通過實(shí)時(shí)預(yù)測太陽能飛艇再生能量和任務(wù)價(jià)值度建立飛艇能量動(dòng)態(tài)分配方 法。
[0009] 而方法1. 1包括以下步驟：
[0010] 步驟1 :利用太陽直接輻射模型計(jì)算出一天中太陽從日出到日落中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)所 再生的太陽理論直接輻射值，通過最小二乘法進(jìn)行擬合回歸，得到這一天每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的太 陽直接福射值的計(jì)算式f (X) = a*x2+b*x+c，其中X作為未來一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，a，b，c為計(jì)算式 的系數(shù)；
[0011] 步驟2 :利用一個(gè)時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)測量的太陽直接輻射值和這個(gè)時(shí)間點(diǎn)通過多項(xiàng)式計(jì) 算出的理論值相除產(chǎn)的比值作為修正系數(shù)η，通過此方法對(duì)未來一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)時(shí)測量值 和預(yù)測值每隔T分鐘修改一次修正系數(shù)II，得到實(shí)時(shí)預(yù)測模型g(x) = ri*(aX2+bX+c);
[0012] 步驟 3 :利用 y = ( λ t*Ap) ((l/^at^+l/^bt^+ctj-d/^atj+l/^bt^+cti))預(yù)測飛 艇未來一段時(shí)間內(nèi)的再生的能量值y，其中I^t 2代表這一段時(shí)間的開始和結(jié)束，λ t代表飛 艇太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，Ap代表飛艇的有效輻射面積。
[0013] 該方法充分利用每個(gè)時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)測量的輻射值對(duì)下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的預(yù)測值實(shí)時(shí)修 正能夠提高預(yù)測準(zhǔn)確率，為飛艇能量準(zhǔn)確實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分配提供很好的基礎(chǔ)。
[0014] 方法1.2包括以下步驟：
[0015] 步驟21 :假設(shè)飛艇任務(wù)集合為T = It1, t2, t3···，tn}，每個(gè)任務(wù)有三種屬性ti = (Si, Fi, Li)，其中Si表示任務(wù)的開始時(shí)間，F(xiàn) i任務(wù)的結(jié)束時(shí)間，L在務(wù)的負(fù)載耗能，利用V i = (Fi-Si) *1^得到任務(wù)價(jià)值度V i;
[0016] 步驟22 :依據(jù)每個(gè)任務(wù)所計(jì)算出的價(jià)值度Vi，依次排列大小，Vi越大價(jià)值度越高級(jí) 別越大，能夠優(yōu)先分配到能量；
[0017] 該方法有效的利用任務(wù)執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)再生價(jià)值的大小決定能量分配的先后次序，合 理的考慮了飛艇上每一種任務(wù)的執(zhí)行對(duì)飛艇再生的作用。
[0018] 方法1. 3包括以下步驟：
[0019] 步驟31 :出于平流層飛艇自身能源結(jié)構(gòu)特殊性，在有太陽直接輻射的情況下優(yōu)先 使用太陽能，其次是燃料電池，最后是作為應(yīng)急的鋰離子電池，在沒有太陽輻射的時(shí)候優(yōu)先 使用燃料電池，其次是鋰離子電池，為了保證電池的使用壽命，鋰離子電池在進(jìn)行充電和放 電的電荷狀態(tài)值分別不能超過〇. 8和低于0. 2 ;
[0020] 步驟32 :在執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)之前系統(tǒng)首先檢查各能源模塊的工作情況，如果任何一 個(gè)能源模塊不工作，則切換到能工作的模塊，各能源模塊根據(jù)需要進(jìn)行組合為系統(tǒng)供能，如 果系統(tǒng)檢測到系統(tǒng)總體能量總值小于系統(tǒng)總值的15%時(shí)，則需要停止向運(yùn)行或者等待運(yùn)行 的任務(wù)供能，這部分能量要用于系統(tǒng)緊急情況下的供能；
[0021] 步驟33 :當(dāng)任務(wù)需要執(zhí)行的時(shí)候，系統(tǒng)首先對(duì)該任務(wù)所需的能量進(jìn)行計(jì)算的同時(shí) 檢測系統(tǒng)能源是否在運(yùn)行其他任務(wù)的同時(shí)能滿足該任務(wù)以及整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如果不 能滿足該任務(wù)則需要考慮任務(wù)的價(jià)值度，如果是價(jià)值度高的任務(wù)則在必要的時(shí)候在不影響 系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)價(jià)值度相對(duì)低的任務(wù)停止該任務(wù)的供能來滿足價(jià)值度 尚的任務(wù)；
[0022] 步驟34 :首先需要預(yù)測該任務(wù)完成可能需要的能量L，然后判斷飛艇剩余能量是 否大于當(dāng)前任務(wù)對(duì)能量需求，如果大于，則直接分配即可，如果小于，則預(yù)測未來一段時(shí)間 內(nèi)產(chǎn)生輻射值后的飛艇剩余能量，然后利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法分配剩余能量，使得飛艇中剩余 能量產(chǎn)生的價(jià)值最大化。
[0023] 該方法具體的提出了飛艇能量動(dòng)態(tài)分配方法，主要在依據(jù)任務(wù)的價(jià)值度分配能量 的同時(shí)，加入了對(duì)能量的實(shí)時(shí)預(yù)測，使得能量的分配變得更加合理、實(shí)時(shí)。
[0024] 本發(fā)明的特點(diǎn)：首先，在本發(fā)明中太陽直接輻射能量實(shí)時(shí)預(yù)測與其它預(yù)測方法不 同的是，充分利用實(shí)際中每一時(shí)刻實(shí)時(shí)采集到的直接輻射值來實(shí)時(shí)有規(guī)律的修正自己的預(yù) 測模型，這個(gè)間隔大約在T分鐘左右修正一次，從而依據(jù)太陽能飛艇的有效覆蓋面積和太 陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可以實(shí)時(shí)的預(yù)測飛艇這段時(shí)間內(nèi)再生輻射量的大小，基于實(shí)際預(yù)測值 不斷修正的目的就是提高預(yù)測精度；其次，本發(fā)明在基于飛艇任務(wù)價(jià)值度能量分配的基礎(chǔ) 上結(jié)合了對(duì)未來一段時(shí)間再生能量大小的實(shí)時(shí)預(yù)測，相對(duì)于其他分配方法能夠更實(shí)時(shí)合理 的分配能量。因此本發(fā)明提出了一種太陽能飛艇再生能量實(shí)時(shí)預(yù)測和能量動(dòng)態(tài)分配方法。
【附圖說明】
[0025] 圖1為太陽能飛艇再生能量實(shí)時(shí)預(yù)測流程圖
[0026] 圖2為20140322這一天6:00~18:00每個(gè)整時(shí)時(shí)間點(diǎn)的理論輻射值和擬合曲線 圖
[0027] 圖3為9:00 - 10:00每隔六分鐘預(yù)測太陽直接輻射再生能量值圖
[0028] 圖4為飛艇能量動(dòng)態(tài)分配方法流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0030] 圖1是太陽能飛艇再生能量實(shí)時(shí)預(yù)測流程圖，具體的預(yù)測方法包括以下步驟：
[0031] 步驟1 :利用太陽直接輻射模型計(jì)算出一天中太陽從日出到日落中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)所 再生的太陽理論直接輻射值，通過最小二乘法進(jìn)行擬合回歸，得到這一天每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的太 陽直接福射值的計(jì)算式f (X) = a*x2+b*x+c，其中X作為未來一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，a，b，c為計(jì)算式 的系數(shù)；
[0032] 步驟2 :利用一個(gè)時(shí)間點(diǎn)實(shí)時(shí)測量的太陽直接輻射值和這個(gè)時(shí)間點(diǎn)通過多項(xiàng)式計(jì) 算出的理論值相除產(chǎn)的比值作為修正系數(shù)η，通過此方法對(duì)未來一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的實(shí)時(shí)測量值 和預(yù)測值每隔T分鐘修改一次修正系數(shù)II，得到實(shí)時(shí)預(yù)測模型g(x) = ri*(aX2+bX+c);
[0033] 步驟 3 :利用 y = ( λ t*Ap) ((1/381:/+1/2131:/+(31:2)-(1/381^3+1/2131^+(^))預(yù)測 飛艇未來一段時(shí)間內(nèi)的再生的能量值y，其中tp t2代表這一段時(shí)間的開始和結(jié)束，λ 表飛艇太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，Ap代表飛艇的有效輻射面積，Ap =^-(vc〇s: B +n~ sin2 Δ>)， 其中B太陽的入射角度，η = L/d，L代表飛艇主軸的長度，d飛艇的直徑。為了保證能夠 對(duì)太陽