專利名稱：一種適用于長航時飛行器的太陽能溫差能互補的熱控系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于長航時太陽能飛機的太陽能與溫差能互補的熱控系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
太陽能飛機是一種利用太陽能作為主要能源供給系統(tǒng)，并能在超高空連續(xù)飛行數(shù)周以上的無人駕駛飛行器。因其可以完成衛(wèi)星的大部分工作，如偵察、預警、大氣觀測、中繼等，而被稱為“大氣衛(wèi)星”，目前正受到美國、歐盟、俄羅斯等航空航天大國的關(guān)注。然而太陽能飛機往往在試飛過程中為了滿足長航時的要求、安裝大量太陽能板、造成尺度過大，下降過程中結(jié)構(gòu)受力不均而導致空中解體，國外有相關(guān)報道。根據(jù)分析，目前制約太陽能飛機向前發(fā)展的主要因素是能源技術(shù)，尤其是太陽能光電轉(zhuǎn)換技術(shù)。目前，國內(nèi)外的研究多集中于太陽能的光電轉(zhuǎn)化以及太陽能的光熱轉(zhuǎn)化。然而， 太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率最高僅對.7%，剩余的能量則全部轉(zhuǎn)化為熱，如不充分加以利用， 這些熱能不但是有限能源的浪費，同時，由于電池表面溫度的升高，電池的輸出功率將會降低。并且、太陽能飛機上其它相關(guān)系統(tǒng)如航電系統(tǒng)、有效載荷等的正常工作也產(chǎn)生熱量。此外，利用溫差效應(yīng)的溫差電池技術(shù)發(fā)展迅速。因此，考慮采用溫差效應(yīng)對熱能進行二次轉(zhuǎn)換。通過這種方法不僅可以提高太陽能的裝化效率、降低太陽能飛機的實現(xiàn)難度，更可為相關(guān)能源系統(tǒng)的合理改進和充分利用提供有益借鑒。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一適用于長航時飛行器的太陽能溫差能互補的熱控系統(tǒng)及其控制實現(xiàn)方法，其目的是實現(xiàn)太陽能飛行器更有效的熱能量利用，收集有效載荷剩余的熱量，采用熱電轉(zhuǎn)化的方式，將熱量轉(zhuǎn)換為電能并儲存，實現(xiàn)熱電的二次轉(zhuǎn)化，從而延長飛行器的航時。本發(fā)明包括光電轉(zhuǎn)換模塊、熱電轉(zhuǎn)換模塊、熱量收集模塊、太陽能/溫差能互補主控制器、蓄電池模塊、交流轉(zhuǎn)換與直流轉(zhuǎn)換模塊組成。本發(fā)明采用了太陽能發(fā)電技術(shù)和溫差發(fā)電技術(shù)結(jié)合方法，采用兩組溫差發(fā)電片收集有效載荷和太陽能電池板的熱量，通過采用太陽能溫差能互補控制器協(xié)調(diào)控制的方法，實現(xiàn)了長航時飛行器的熱能量的有效利用，降低了飛行器內(nèi)部的電能消耗，并實現(xiàn)了內(nèi)部的溫度控制，為飛行器實現(xiàn)長航時提供了條件。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種太陽能與溫差能互補的熱能控制系統(tǒng)，其特征在于包括熱量收集模塊；太陽能/溫差能互補主控制器；交流負載；直流負載；第一直流轉(zhuǎn)換器；第二直流轉(zhuǎn)換器；交流轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種太陽能與溫差能互補的熱能控制方法，其特征在于包括輸入模擬量步驟，從光電轉(zhuǎn)換模塊、熱電轉(zhuǎn)換模塊以及蓄電池模塊獲得電流、電壓值；
檢測太陽能發(fā)電電流，如果滿足工作條件即電流值滿足要求，則通過最大功率跟蹤模塊調(diào)整電流、電壓值滿足最大功率要求，并控制第一直流轉(zhuǎn)換器使太陽能發(fā)電電流，給系統(tǒng)提供電能；交直流轉(zhuǎn)換，獲得負載相應(yīng)的電流；運行負載并充電。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)工作原理圖。圖2是本發(fā)明的一種具體實施方案結(jié)構(gòu)3是本發(fā)明的主控制器程序流程圖。
具體實施例方式以下結(jié)合圖1-圖3，詳細說明本發(fā)明的具體實施方案。圖1所示的是本發(fā)明的能量管理方案流程圖。該流程包括首先是將光能(501)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換(50 變?yōu)殡娔?，再通過交流轉(zhuǎn)換與直流轉(zhuǎn)換 (505)的方式，輸出給長航時飛行器的能量儲存單元(506A)及有效載荷(506B)。并將長航時飛行器的有效載荷的熱能(50 及太陽能電池陣列O01)自身的發(fā)熱通過熱量收集器 (507)收集起來，其中有效載荷(506)產(chǎn)生的熱量包括推進系統(tǒng)、航電系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，再通過熱電轉(zhuǎn)換(504)變?yōu)殡娔埽⑼ㄟ^交流轉(zhuǎn)換與直流轉(zhuǎn)換(50 的方式，輸出給長航時飛行器的能量儲存單元(506A)及有效載荷(506B)，實現(xiàn)熱量的二次轉(zhuǎn)化與利用。圖2是包括根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的太陽能與溫差能互補的熱控系統(tǒng)的能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示的能源系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換模塊(101)、熱電轉(zhuǎn)換模塊(102)、熱量收集模塊(103)、太陽能/溫差能互補主控制器(104)、蓄電池模塊(105)、交流負載(106)、 直流負載(107)、直流轉(zhuǎn)換器1(108)、直流轉(zhuǎn)換器2 (109)、交流轉(zhuǎn)換器(110)。其中光電轉(zhuǎn)換模塊(101)包括太陽能電池陣列(201)和最大功率跟蹤模塊Q02)；熱電轉(zhuǎn)換模塊(102) 包括溫差發(fā)電片1 003)、溫差發(fā)電片2(204)；熱量收集模塊(10 包括熱管(20 和換熱器(206)。下面結(jié)合圖2做進一步的詳細說明。-光電轉(zhuǎn)換模塊(101)光電轉(zhuǎn)換模塊(101)將(501)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換(503)變?yōu)殡娔?，主要包括太陽能電池陣?201)和最大功率跟蹤模塊O02)；其中最大功率跟蹤模塊(20 采用電導增量法對對光伏陣列的電壓和電流進行采樣，并將其結(jié)果送給太陽能/溫差能互補主控制器 (104)。電導增量法控制精確，響應(yīng)速度較快，很適合用于天氣條件變化較快的情況。-熱電轉(zhuǎn)換模塊(102)熱電轉(zhuǎn)換模塊(10 包括第一溫差發(fā)電片(20 、第二溫差發(fā)電片(204)。第一溫差發(fā)電片(20 主要利用有效載荷(506B)產(chǎn)生的熱量，它的一面與有效載荷(506B)表面接觸，另一面與冷媒接觸，冷媒為空氣或循環(huán)水；第二溫差發(fā)電片(204)主要利用太陽能電池陣列(201)產(chǎn)生的熱量，它的一面與換熱器(206)冷端接觸，另一面與熱管(10 表面表面接觸。該溫差發(fā)電片是根據(jù)kebeck效應(yīng)，當溫差發(fā)電片兩端存在溫差時，溫差發(fā)電片便會有電動勢產(chǎn)生。
-熱量收集模塊(103)熱量收集模塊(10 包括熱管(20 和換熱器(206)。主要是將有效載荷(506B) 包括交流負載(106)及直流負載(107)產(chǎn)生的多余熱量收集起來，并傳遞給熱電轉(zhuǎn)換模塊 (102)。-太陽能/溫差能互補主控制器(104)太陽能/溫差能互補主控制器(104)主要實現(xiàn)對光電轉(zhuǎn)換模塊(101)與熱電轉(zhuǎn)換模塊(10 的電壓和電流進行采樣，并進行實時監(jiān)控，以及蓄電池模塊(10 充放電的控制與保護功能。-蓄電池模塊(105)蓄電池模塊(105)以蓄電池陣列為主。本發(fā)明采用氫氧燃料電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提供動力，在白天為儲能系統(tǒng)，提供儲存能源，以便夜晚為推進系統(tǒng)供電。-交流負載(106)與直流負載(107)交流負載(106)主要為推進器等交流用電設(shè)備，直流負載(107)包括航電系統(tǒng)等用電設(shè)備。-交流轉(zhuǎn)換器(108)、第一直流轉(zhuǎn)換器(108)與第二直流轉(zhuǎn)換器(109)交流轉(zhuǎn)換器 (108)可以將第一直流轉(zhuǎn)換器(108)與第二直流轉(zhuǎn)換器(109)轉(zhuǎn)換的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供推進器等交流負載(10 使用。第一直流轉(zhuǎn)換器(108)接收太陽能/溫差能互補主控制器(104)的控制信號，將光電轉(zhuǎn)換模塊(101)的電信號轉(zhuǎn)換為可用直流電。第二直流轉(zhuǎn)換器2 (109)接收太陽能/溫差能互補主控制器(104)的控制信號將熱電轉(zhuǎn)換模塊(102)的電信號轉(zhuǎn)換為可用直流電。圖3是本發(fā)明的主控器控制程序流程圖。如圖3所示，主控器控制程序由開始(601)、系統(tǒng)初始化(602)、輸入模擬量 (603)、檢測太陽能發(fā)電電流(604)、太陽能電池滿足工作條件判斷(605)、檢測溫差發(fā)電電流(606)、溫差電池滿足工作條件判斷(607)、蓄電池電量檢測(608)、蓄電池滿足工作條件判斷(609)、充電(610)、交直流轉(zhuǎn)換(611)、運行負載并充電(612)、結(jié)束(613)幾個步驟組成。其控制規(guī)則如下過程為主控程序由開始(601)后，首先進行系統(tǒng)初始化(602)，然后進入輸入模擬量 (603)步驟，該步驟主要從光電轉(zhuǎn)換模塊(101)、熱電轉(zhuǎn)換模塊(10 以及蓄電池模塊(105) 獲得電流、電壓值。然后進入檢測太陽能發(fā)電電流(604)，如果滿足工作條件即電流值滿足要求，則通過最大功率跟蹤模塊(202)調(diào)整電流、電壓值滿足最大功率要求，并控制直流轉(zhuǎn)換器1(108)使太陽能發(fā)電電流(604)，給系統(tǒng)提供電能。然后即可進入交直流轉(zhuǎn)換(611) 獲得負載相應(yīng)的電流，再進入運行負載并充電(612)直至結(jié)束(613)的步驟。如果太陽能發(fā)電電流不滿足要求，則檢測溫差發(fā)電電流(606)，如果電流值滿足工作條件則控制直流轉(zhuǎn)換器2(109)，通過溫差發(fā)電電流(606)給系統(tǒng)提供電能，此外本發(fā)明還對溫差電池兩端的溫度進行監(jiān)控和記錄。然后即可進入交直流轉(zhuǎn)換(611)獲得負載相應(yīng)的電流，再進入運行負載并充電(612)直至結(jié)束(613)的步驟。如果兩種發(fā)電方式的電流都不符合供電要求，則通過蓄電池提供，并且通過蓄電池電量檢測(608)，判斷是否滿足蓄電池工作條件(609)，如不滿足則進入給蓄電池充電 (601)的步驟。
權(quán)利要求
1.一種太陽能與溫差能互補的熱能控制系統(tǒng)，其特征在于包括 熱量收集模塊(103)；太陽能/溫差能互補主控制器(104)； 交流負載(106)； 直流負載(107)； 第一直流轉(zhuǎn)換器(108)； 第二直流轉(zhuǎn)換器(109)； 交流轉(zhuǎn)換器(110)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的太陽能與溫差能互補的熱能控制系統(tǒng)，其特征在于熱量收集模塊(10 包括熱管(20 和換熱器006)。主要是將有效載荷(506B)包括交流負載(106)及直流負載(107)產(chǎn)生的多余熱量收集起來，并傳遞給熱電轉(zhuǎn)換模塊 (102)；太陽能/溫差能互補主控制器(104)用于對光電轉(zhuǎn)換模塊(101)與熱電轉(zhuǎn)換模塊 (102)的電壓和電流進行采樣，并進行實時監(jiān)控，以及蓄電池模塊(10 充放電的控制與保護；交流負載(106)包括推進器，直流負載(107)包括航電系統(tǒng)。
3.一種太陽能與溫差能互補的熱能控制方法，其特征在于包括輸入模擬量(60 步驟，從光電轉(zhuǎn)換模塊(101)、熱電轉(zhuǎn)換模塊(102)以及蓄電池模塊 (105)獲得電流、電壓值；檢測太陽能發(fā)電電流(604)，如果滿足工作條件即電流值滿足要求，則通過最大功率跟蹤模塊(20 調(diào)整電流、電壓值滿足最大功率要求，并控制一個第一直流轉(zhuǎn)換器(108)使太陽能發(fā)電電流(604)，給系統(tǒng)提供電能；交直流轉(zhuǎn)換(611)，獲得負載相應(yīng)的電流； 運行負載并充電(612)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于如果太陽能發(fā)電電流不滿足要求，則檢測溫差發(fā)電電流(606)， 如果電流值滿足工作條件，則控制一個第二直流轉(zhuǎn)換器(109)，通過溫差發(fā)電電流 (606)給系統(tǒng)提供電能。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于進一步包括 對溫差電池兩端的溫度進行監(jiān)控和記錄，進入交直流轉(zhuǎn)換(611)獲得負載相應(yīng)的電流， 進入運行負載并充電(612)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于包括當熱電與光電兩種發(fā)電方式的電流都不符合供電要求時，則通過蓄電池供電， 通過蓄電池電量檢測(608)，判斷是否滿足蓄電池工作條件(609)，如不滿足則給蓄電池充電(601)。
全文摘要
一種用于長航時太陽能飛行器的太陽能與溫差能互補的熱能量管理技術(shù)。其功能實現(xiàn)方法具有長航時太陽能飛機的能量管理的特點。本發(fā)明包括光電轉(zhuǎn)換模塊、熱電轉(zhuǎn)換模塊、熱量收集模塊、太陽能/溫差能互補主控制器、蓄電池模塊、交流轉(zhuǎn)換與直流轉(zhuǎn)換模塊。采用了太陽能發(fā)電技術(shù)和溫差發(fā)電技術(shù)結(jié)合方法，通過采用太陽能溫差能互補控制器協(xié)調(diào)控制的方法，實現(xiàn)了長航時飛行器的能量管理，降低了飛行器內(nèi)部的電能消耗，并實現(xiàn)了內(nèi)部的溫度控制，該方法具有較高的可靠性、穩(wěn)定性，滿足了長航時太陽能飛行器的的需求。
文檔編號H02J7/00GK102185528SQ20111011998
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者蘭巍, 劉旺開, 李可, 王浚, 董素君, 黃勇 申請人:北京航空航天大學