本發(fā)明涉及一種高空飛行器太陽(yáng)能電池板的強(qiáng)制對(duì)流散熱和溫差發(fā)電裝置，其目的是根據(jù)高空飛行器太陽(yáng)能電池板的溫度控制要求、滿(mǎn)足電池板工作溫度條件，設(shè)計(jì)出一種適用于工作高度為3萬(wàn)米左右、單次連續(xù)飛行航時(shí)大于48小時(shí)的高空飛行器太陽(yáng)能電池板的散熱裝置。同時(shí)，考慮到高空條件下機(jī)翼的上表面(太陽(yáng)能電池板下部)與機(jī)翼的下表面溫差最大時(shí)可達(dá)100℃以上，因此在機(jī)翼內(nèi)設(shè)計(jì)一種利用溫差進(jìn)行發(fā)電的裝置，提高能源利用效率，也可以帶走一部分的熱量，加強(qiáng)散熱效果。具體涉及模型幾何尺寸的確定、對(duì)流散熱通道及冷空氣流量的確定、溫差發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)與排布等問(wèn)題。

背景技術(shù)：

隨著科技發(fā)展和信息化作戰(zhàn)概念的提出，在20～50km的高空(即臨近空間)的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值越來(lái)越高，而在這個(gè)高度飛行的飛行器由于獨(dú)特的氣溫、氣壓等環(huán)境因素，使得熱控方法不同于通常的航空飛行器和航天器，但又兼具航空器和航天器的特點(diǎn)。太陽(yáng)照射條件下，太陽(yáng)能電池板的上表面溫度可達(dá)到100℃以上，超過(guò)了可以正常工作的條件，因此在如此嚴(yán)酷的工作條件下，散熱設(shè)計(jì)就變得非常重要。而機(jī)翼的下表面溫度與環(huán)境溫度(即螺旋槳前來(lái)流溫度)則只有-40℃左右，考慮到機(jī)翼上下表面的溫差非常大，可以利用此資源設(shè)計(jì)一種溫差發(fā)電裝置，連同太陽(yáng)能電池板裝置一起為飛行器提供足夠的能源，此舉可增加能源的使用率，從而可以有效延長(zhǎng)飛行器的飛行時(shí)間。

30km工作高度上的空氣比較稀薄，不利于太陽(yáng)能電池板表面與大氣環(huán)境的對(duì)流散熱，但由于空氣溫度低至-40℃，與電池板表面溫差較大，因此可以通過(guò)加強(qiáng)強(qiáng)制對(duì)流散熱來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板的散熱要求。相比較于輻射換熱，平流層底部空間的熱環(huán)境下，強(qiáng)制對(duì)流換熱的作用明顯大于輻射換熱，并且在相同的熱載荷工況下，對(duì)流散熱系統(tǒng)的總重量要遠(yuǎn)小于輻射散熱系統(tǒng)的總重量。另外，輻射散熱系統(tǒng)的散熱能力隨著空間外熱流的周期性變化的波動(dòng)比較大，而對(duì)流散熱系統(tǒng)則有比較穩(wěn)定的散熱性能。

溫差發(fā)電技術(shù)利用熱能直接進(jìn)行發(fā)電，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)噪聲，無(wú)污染，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕便。目前隨著材料科學(xué)和工藝的發(fā)展，大量高性能材料在工程上取得實(shí)際應(yīng)用成為可能，包括用于溫差發(fā)電的半導(dǎo)體材料、導(dǎo)熱硅脂材料、硅穩(wěn)壓管以及鋁合金散熱材料等。

綜上所述，目前針對(duì)高空飛行器的散熱設(shè)計(jì)還沒(méi)有將對(duì)流散熱和溫差發(fā)電相結(jié)合的系統(tǒng)出現(xiàn)，需要解決包括模型幾何尺寸的確定、對(duì)流散熱通道及冷空氣流量的確定、溫差發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)與排布等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題：解決目前還沒(méi)有的高空飛行器強(qiáng)制對(duì)流換熱問(wèn)題和溫差發(fā)電相結(jié)合的問(wèn)題，通過(guò)兩個(gè)系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行整合來(lái)達(dá)到所要求的工作條件。

本發(fā)明基于常見(jiàn)的風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對(duì)流散熱器和半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置，進(jìn)行預(yù)定的散熱設(shè)計(jì)與發(fā)電功能。太陽(yáng)能電池板放置于飛行器機(jī)翼的上表面，接受太陽(yáng)光照射，在產(chǎn)生電能的同時(shí)發(fā)熱，溫度可達(dá)100℃以上，將強(qiáng)制對(duì)流的風(fēng)扇布置于機(jī)翼的前緣的中間位置，通過(guò)冷卻通道將冷空氣輸送到太陽(yáng)能電池板旁邊。這樣的布置方式可以把對(duì)翼型的影響降到最小，也便于引氣和布線(xiàn)。溫差發(fā)電系統(tǒng)布置于機(jī)翼的內(nèi)部，不影響機(jī)翼的氣動(dòng)外形，半導(dǎo)體的兩端分別連接到機(jī)翼的上表面和下表面的內(nèi)側(cè)，將之分別作為熱邊和冷邊，通過(guò)與之相連的溫差發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的溫差發(fā)電片、穩(wěn)壓裝置、儲(chǔ)能元件進(jìn)行溫差發(fā)電過(guò)程。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案由如下兩大部分構(gòu)成：

1.強(qiáng)制對(duì)流換熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)由輸送冷空氣的風(fēng)機(jī)、冷卻通道和出風(fēng)口等組成，風(fēng)機(jī)安裝于機(jī)翼前緣中間的位置，可將周?chē)h(huán)境的冷空氣輸送入冷卻通道進(jìn)行對(duì)太陽(yáng)能電池板的冷卻過(guò)程。冷卻通道的布置根據(jù)太陽(yáng)能電池板的排布決定，冷卻通道布置于太陽(yáng)能電池板下方，由機(jī)翼內(nèi)部的類(lèi)似夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，對(duì)電池板的每個(gè)部分均可以有冷卻效果。出風(fēng)口布置于機(jī)翼的后緣處的兩側(cè)，使得艙內(nèi)外的空氣能夠良好流通。

2.溫差發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由集熱板、半導(dǎo)體發(fā)電部件、導(dǎo)熱硅脂、隔熱保溫層、支撐結(jié)構(gòu)、散熱部件、溫度傳感器、穩(wěn)壓裝置和儲(chǔ)能部件等組成。在機(jī)翼內(nèi)部對(duì)應(yīng)每一塊太陽(yáng)能電池板的位置布置一個(gè)發(fā)電單元，通過(guò)集熱板從高溫表面(機(jī)翼上表面內(nèi)側(cè))獲得熱量，經(jīng)半導(dǎo)體發(fā)熱部件將熱能轉(zhuǎn)化為電能，之后通過(guò)散熱部件將廢熱從冷邊(機(jī)翼下表面內(nèi)側(cè))散出。將多個(gè)發(fā)電單元通過(guò)繼電器連接，經(jīng)控制中心控制繼電器開(kāi)關(guān)接通方向，從而控制整個(gè)裝置的工作，輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓裝置處理后進(jìn)入儲(chǔ)能單元?？梢詫?shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，且系統(tǒng)輕便。

附圖說(shuō)明

圖1是太陽(yáng)能電池板在機(jī)翼表面的排布方式示意圖

圖2是電池板之間的冷卻通道安排示意圖

圖3是強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)機(jī)的安裝與進(jìn)氣口位置圖

圖4是冷卻氣體的排氣口示意圖

圖5是溫差發(fā)電系統(tǒng)工作原理示意圖

圖6是溫差發(fā)電單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖7是溫差發(fā)電單元的布置示意圖

圖8是整個(gè)發(fā)明的系統(tǒng)總圖

具體實(shí)施方式

1.為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下結(jié)合附圖及方案實(shí)例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

首先，對(duì)機(jī)翼進(jìn)行設(shè)定，高空長(zhǎng)航時(shí)太陽(yáng)能飛機(jī)的飛行速度約為100m/s，翼型選用為下平翼型的矩形機(jī)翼。機(jī)翼為空心，表面包裹有蒙皮，所有的相關(guān)設(shè)備均安裝在機(jī)翼內(nèi)部，實(shí)際情況下的參數(shù)可用以下相同的方法進(jìn)行類(lèi)比計(jì)算。太陽(yáng)能電池板沿機(jī)翼的長(zhǎng)度方向布置于機(jī)翼上表面蒙皮的上方，如圖1所示的為機(jī)翼與電池板構(gòu)成的一個(gè)機(jī)翼單元，整個(gè)飛行器的機(jī)翼由多個(gè)機(jī)翼單元橫向拼接而成。

冷卻通道位于機(jī)翼內(nèi)部的太陽(yáng)能電池板下方位置，由類(lèi)似夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，能使冷空氣較為均勻地分布到電池板下部的每個(gè)位置，其示意圖如圖2。

風(fēng)機(jī)的安裝位置是機(jī)翼前緣的中間位置，為了盡可能地減小對(duì)機(jī)翼的氣動(dòng)外形的影響，在風(fēng)機(jī)的艙室與機(jī)翼相交的位置采用平滑曲面過(guò)渡，如圖3所示。接下來(lái)通過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)風(fēng)機(jī)流量的選型。由風(fēng)機(jī)輸送的冷空氣，流經(jīng)機(jī)箱并吸收箱內(nèi)的電子元件散發(fā)的耗熱量后，其溫度上升。根據(jù)所得的空氣流量，假定散熱前后溫度差，通過(guò)計(jì)算得到電池板表面溫度，以此判斷設(shè)備熱設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足要求，若不符合要求則重新假定溫度差重復(fù)上述計(jì)算，直到滿(mǎn)足設(shè)備熱設(shè)計(jì)要求為止。

冷卻氣體的排氣口位于機(jī)翼后緣處，為了使冷卻氣體在每個(gè)冷卻通道中路徑相同(即不會(huì)因?yàn)橛懈搪窂蕉辞巴程幚鋮s)，將冷卻氣體的出口開(kāi)在靠近翼尖附近的冷卻通道出口處，如圖4所示。

2.溫差發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電單元、穩(wěn)壓?jiǎn)卧蛢?chǔ)能單元組成，發(fā)電單元由集熱板、導(dǎo)熱硅脂、溫差發(fā)電片、隔熱保溫層、支撐結(jié)構(gòu)、散熱部件、溫度傳感器、及控制板組成，硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路構(gòu)成穩(wěn)壓?jiǎn)卧胀ǔ?jí)電容構(gòu)成儲(chǔ)能單元。發(fā)電單元工作過(guò)程為：集熱板從高溫壁面獲取熱量，通過(guò)溫差發(fā)電片發(fā)熱，廢熱通過(guò)散熱部件從冷邊排散，多個(gè)發(fā)熱單元通過(guò)控制板控制的繼電器連接，輸出電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓處理后進(jìn)入儲(chǔ)能單元。其工作原理如圖5所示。

溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電單元分別均布于機(jī)翼內(nèi)部上方對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)能電池板的中心位置。各發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。布置方式如圖7所示。

最后，此發(fā)明所涉及到的系統(tǒng)總圖如圖8所示。

以上所述僅為本發(fā)明的理想狀況下的設(shè)計(jì)計(jì)算方法實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換和改進(jìn)等均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。