一种飞机光伏阵列设计的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种太阳能飞机光伏阵列设计，采用超大展弦比扁平飞翼布局，飞机外部由机身1、机翼2、平尾3、垂尾4、副翼5、光伏单元6构成，光伏单元构成光伏阵列布置于机身、机翼和平尾上表面及垂尾的左右立面，构成水平布置于垂直布置光伏阵列，根据飞机表面积将光伏阵列分成几组后并联为飞机提供能源，每组内部由光伏单元串联。机身、机翼及平尾光伏阵列受光条件较好为飞机动力提供能源，垂尾光伏阵列受光条件一般为飞机航电系统提供能源。
【专利说明】
一种飞机光伏阵列设计
技术领域
[0001]本发明涉及一种大展弦比飞机及其光伏阵列设计。整机采用超大展弦比扁平飞翼布局，上表面布置高性价比光伏单元阵列，效率高、成本低、通用性好，属于飞行器总体设计领域。
【背景技术】
[0002]21世纪初电动飞机开始起步，随着太阳能光电效率及储能技术提高，使得太阳能在航空上的应用成为可能，其可为航电设备电源供电，甚至为动力电机电源供电，延长续航时间，典型实例包括美国NASA的“Hel1s”，英国Qinetiq的“Zephyr”，瑞士的“SolarImpulse I” 与 “Solar Impulse 2”、美国Google的 “Solar a50” 与 “Solar a60”、美国Facebook的“Aquila”等，它们都是以太阳能为直接驱动力的飞机，可连续飞行十几甚至几十小时，比传统电动飞机续航时间提高甚至一个数量级。
[0003]目前太阳能飞机多数以无人为主，这主要由太阳能飞机功率面密度尚低决定，若要实现大功率就得需要大面积，例如瑞士的“Solar Impulse 2”虽然可以搭载I人环球飞行，但翼展达到了72米，且不能安装空调等大功率器件，针对目前市场，其造价昂贵、实用性不强。
[0004]太阳能无人机可以做到实用性强、性价比高的特点，尤其在成像与通信领域具有广阔市场，在警察、军事、航天领域也有特殊用途。性价比方面，太阳能无人机的价格有的时候是由太阳能电池片的价格决定的，具体还要看整机配置。我国是太阳能电池片及组件研发、生产和应用最大的国家，电池片种类也非常齐全，其组件封装技术成熟，这有利于高性价比太阳能无人机的发展。综合市场、价格、技术因素，太阳能无人机目前已进入产品起步阶段。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种大展弦比飞机及其光伏阵列设计，解决的问题及目的如下:
传统飞机表面难以有效铺设太阳能，飞机表面利用率低，需在飞机设计之初就综合考虑总体外形与太阳能的匹配。目前光伏单元普遍具有单体面积小、弯曲曲率低、光电效率不高、平面封装的特性，这对飞机的基本要求就是面大、平坦、轻质、低速，对此飞机可设计成扁平化形式，上表面尽量多的铺设太阳能发电单元，实现飞机上表面光伏利用率最大化，这样也可极大地减小飞机主要阻力一一压差阻力，再通过大展弦比飞机外形设计减小飞机诱导阻力，提高升阻比。即从光伏与气动两方面提高飞机续航时间。
[0006]本发明的技术方案:
一种飞机光伏阵列设计，其特征为整机采用大展弦比飞翼布局，在飞机对称中立面处弦长最大，机身机翼前后缘线相切连续，翼梢弦长最小，三角形副翼，全动平尾和垂尾，机身、机翼、平尾上表面采用高性价比光伏阵列，其中机身共两个阵列组，机翼共两或四个阵列组，平尾共一个阵列组，每个阵列组内部串联相同数量的光伏单元，整机共五或七个阵列组并联为动力电池及动力电机供电，垂尾一个阵列组为航电系统供电。
[0007](I)本发明设计了一种大展弦比飞机。如图1和图2，飞机主体由机身1、机翼2、平尾
3、垂尾4和副翼5构成，属于大展弦比飞翼布局，这里螺旋桨不显示(位于机身或机翼前后均可)，起落架不显示或无起落架。为保证翼身刚度与强度，本发明机身I弦长尺寸逐渐过渡，机身I前后缘线与机翼2前后缘线相切连续，机身对称中立面处弦长最大，机翼外侧翼段弦长逐渐减小且上反，整机干扰自平衡布局设计，一般飞机采用近矩形副翼，本发明中副翼5为三角形舵面，属于不规则舵面，蒙皮采用高强度超轻塑料薄膜减轻重量，保证机翼重心前移提高静稳定性，因太阳能飞机本身很少进行机动飞行，所以这里充分利用图1中光伏阵列以外的不规则表面作为副翼舵面，平尾3及垂尾4为全动舵面，所以上表面可全部安装光伏阵列。
[0008](2)本发明包括该飞机的光伏阵列设计，如图1和图2，光伏单元6在机身1、机翼2、平尾3的上表面及垂尾两面进行阵列设计，采用轻量化表面透光材料将光伏阵列封装成光伏组件，光伏组件直接为蒙皮，每块光伏组件包含一个阵列组，阵列组内部光伏单元串联。其中，机身I上蒙皮分成左右对称各I个阵列组(共2个阵列组)，每个阵列组由η个发电单元串联而成，单侧机翼2上蒙皮沿翼展方向分成I或2个阵列组(左右机翼共2或4个阵列组)，每个阵列组也由η个发电单元串联而成，平尾一个阵列组也由η个发电单元串联而成，整机共5或7个阵列组(不含垂尾)并联为飞机动力电机供电，最后垂尾一个阵列组由m个发电单元串联而成，并为飞机航电系统供电。
[0009]本发明的技术效果如下:
整机气动布局实现在俯仰、滚转和偏航方向上气流干扰自平衡。按照以上光伏阵列设计方法，对太阳能飞机各种光伏单元阵列进行排布与分析，发现该方法设计的光伏阵列组件蒙皮可大面积贴合机身、机翼、平尾、垂尾的内结构，飞机上表面利用率达93%，尤其适合低速翼型光伏阵列设计，整机展弦比均在20以上，最大升阻比在30以上，该太阳能飞机仅阳光动力续航时间超过4小时，合理搭配储能续航时间达8小时。
【附图说明】
[0010]本图1为本发明的太阳能飞机俯视图；
图2为本发明的太阳能飞机前视图；
图3为本发明的太阳能飞机右视图；
图1?图3中，机身(1)、机翼(2)、平尾(3)、垂尾(4)、副翼(5)、光伏单元(6)。
【具体实施方式】
[0011]具体实施例如图1和图2，光伏单元6采用125*125mm高性价比单晶硅太阳能电池片，例如标准测试条件(AMl.5)下，该单晶硅电池片(光伏单元)光电转换效率20.4%，标准工作电压0.56v，最大功率点电流5.7A。以每年的中国天津为例，该光伏组件平均每天光照最强6小时的平均工作电流4.5A，机身I蒙皮分成左右对称各一个阵列组(共两个阵列组)，每个阵列组由ri=60个发电单元串联而成，机翼2蒙皮分成左右对称各两个阵列组(共四个阵列组)，每个阵列组由60个发电单元串联而成，平尾一个阵列组由60个发电单元串联而成，整机共7个阵列组并联为飞机动力电机供电，7个阵列组并联后标准工作电压33.6v，最大功率点电流39.9A，最大输出功率1340Wa，平均输出电流31.5A，平均输出功率1058.4Wa。太阳能白天实时输出电流高于平均输出电流4.5A的时间为中午4h，这4小时内飞机完全由光伏为动力电机供电，同时光伏发电的剩余电流又为动力电池充电。每个发电单元实时输出电流低于平均输出电流4.5A但配合储能仍能继续巡航的时间为t=4h，具体如下午光强开始衰减时飞机配合储能续航2小时，相反，在上午光强逐渐增强时，飞机配合储能续航时间也是2小时，阳光配合储能共续航4小时，算上中午强光下阳光动力续航4小时，总共飞机平均续航时间为8小时。
[0012]最后，如图3，光伏单元6采用如上单晶电池片，垂尾两侧共m=36个发电单元串联而成一个阵列组，该阵列组输出电压20.16v，因立面光照强度弱，发电电流小，不适合为动力系统供电，但可以为飞机航电系统供电，提高飞机航电系统工作时间，也为航电系统做备份，提高使用安全性。该单晶硅光伏阵列设计完成后，根据单晶硅电池片阵列，整机翼展达17.5m，平均气动弦长0.53m，展弦比高达33，最终实现该太阳能飞机光伏阵列和大展弦比总体设计，为飞机长航时飞行提供有力保障。
【主权项】
1.一种飞机光伏阵列设计，其特征为整机采用大展弦比飞翼布局，在飞机对称中立面处弦长最大，机身机翼前后缘线相切连续，翼梢弦长最小，三角形襟副翼，全动平尾和垂尾，机身、机翼、平尾上表面采用高性价比光伏阵列，其中机身共两个阵列组，机翼共两或四个阵列组，平尾共一个阵列组，每个阵列组内部串联相同数量的光伏单元，整机共五或七个阵列组并联为动力电池及动力电机供电，垂尾一个阵列组为航电系统供电。
【文档编号】B64D27/24GK106081061SQ201610599013
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月27日 公开号201610599013.4, CN 106081061 A, CN 106081061A, CN 201610599013, CN-A-106081061, CN106081061 A, CN106081061A, CN201610599013, CN201610599013.4
【发明人】不公告发明人
【申请人】地球飞行器有限公司