CN115042980A - 一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，属于航空工程领域。本发明包括分布式太阳能机翼、短舱机身、动力***、尾翼。本发明利用太阳能电池白天无限发电，氢燃料电池比能量高和储能电池比功率大的三种能源各自优势，充分发挥多种能源的优势，实现电动无人机的绿色、长航时飞行优势。本发明采用一个机翼中段和两个机翼外段的分布式布局，中段和外段机翼的上表面分别铺设结构太阳能电池组件，太阳能电池组件兼具蒙皮结构和发电双重功能；具有空气流道的开孔短舱机身；采用尾翼、机翼到动力***整体贯穿式布局；尾翼和动力***共用连接管，利用尾翼、连接杆和机翼形成盒式结构，不仅能够减少结构质量，同时增加结构强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，属于航空工程领域。
背景技术
当前国内外环境问题日益严重，化石能源供应问题日益紧张，各国正努力推进可再生能源代替传统化石燃料，清洁无污染的新能源将成为未来飞行器等领域的主要能量来源。太阳能电池、氢燃料电池等绿色能源驱动的飞行器已成为各国的研究热点之一。
太阳能无人机通过机翼上表面的太阳能电池在白天发电维持无人机飞行，剩余能量给储能电池充电，夜间利用储能电池等方式为无人机供能。太阳能源源不断，理论上可以永久飞行。但是，受限于目前太阳能电池转换效率和储能电池的能量密度，太阳能无人机需要采取一系列技术(如采取大展弦比、低翼载技术来降低飞行功耗，减少有效载荷携带从而增加能量供应)来实现永久飞行，从而导致无人机结构相对较软、机动性差、低有效载荷和应用场景简单。
氢燃料电池无人机通过氢燃料电池将氢能转化为电能，从而实现无人机的长航时飞行。与太阳能无人机相比，其几乎不受天气变化影响；相比于锂电池无人机，其氢气能量密度高，小质量的氢气即可供应相当可观的能量。然而，受氢燃料电池比功率的限制，同时受燃料扩散和电池化学反应的影响，导致无人机能源供应动态响应较慢，电力特性较软。单纯采用燃料电池驱动的飞行器，难以保证无人机的机动性能，需要花费较大的代价来满足任务需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，利用太阳能电池白天无限发电，氢燃料电池比能量高和储能电池比功率大的三种能源各自优势，充分发挥多种能源的优势，实现电动无人机的绿色、长航时飞行优势。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的
本发明公开的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，包括分布式太阳能机翼、短舱机身、动力***、尾翼。
分布式太阳能机翼采用大展现比常规布局，主要由一个中段太阳能机翼和两个外段太阳能机翼组成，即中段和外段机翼的上表面分别铺设结构分布式太阳能组件，所述结构分布式太阳能组件嵌入机翼结构，兼具蒙皮结构和发电双重功能。分布式太阳能机翼不仅能够带来较高的升阻比、节省结构质量，同时能够为混合动力无人机白天带来源源不断的能量，避免太阳能电池组件中的功率失配问题。
动力***，用于动力输出的作用，为固定翼无人机提供拉力。所述动力***为前置双发动力，位于所述分布式太阳能机翼前缘的对称轴线两侧，主要由螺旋桨、电驱动器和固定件组成。所述固定件固定在所述连接管上，所述固定件固定于所述无人机上，所述螺旋桨的根部与所述电驱动器进行紧固连接，所述电驱动器与所述三种能源的总线连接，接受到一种或者多种能源供应时带动所述螺旋桨一起转动而产生拉力，实现无人机整剖面、全包线的长航时飞行。
短舱机身，位于所述分布式太阳能机翼的对称轴线上，所述短舱机身内部空间装载储能电池、氢燃料电池***以及机载设备，机身的前侧面开设空气进气孔和后侧面开设空气出气孔，根据仿真和实验把氢燃料电池***放置于靠近出气孔的空气流道中，实现氢燃料电池***的散热和热管理；储能电池用于机体的纵向配平。夜晚长航时巡航飞行时，采用所述高比能量的氢燃料电池***供电；白天长航时任务飞行时，采用所述分布式太阳能机翼上的太阳能电池供电，剩余能量存在所述储能电池中；所述储能电池用于白天和夜晚飞行中的大电流和功率供电。所述高比能量的氢燃料电池***、所述高比能量的储能电池和所述无限发电的太阳能电池供电三种能源充分利用各自的优势，实现电动无人机的绿色、长航时飞行。
尾翼，采用水平尾翼和双垂直尾翼两部分，用于控制和配平无人机的三维平面飞行，实现无人机在中低空复杂环境的稳定飞行。所述水平尾翼包括水平安定面和升降舵，所述水平安定面保证无人机的水平稳定，所述升降舵用于无人机的纵向操作。所述双垂直尾翼包括两个垂直安定面和两个方向舵，所述垂直安定面保证无人机的横行向稳定，所述方向舵用于无人机的横行向操作，双垂直尾翼布局降低无人机的整体重心，增加横行向稳定性和操纵性。此外，所述尾翼贯穿所述分布式太阳能机翼弦向与所述动力***共同使用连接管，减轻结构重量，所述水平尾翼、双垂直尾翼、连接管与分布式太阳能机翼整体构成了盒式结构，增强无人机整体强度。
为了实现无人机的跑道上的滑跑起飞，作为优选，所述无人机包括起落架，所述起落架为前三点式起落架，所述前三点式起落架包括主起落架和前起落架，主起落架采用几字形，设置于机体重心之后，前起落架采用支柱形起落架，减轻结构重量，增加无人机起飞和降落滑跑过程的稳定性。
为了提高太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机升阻气动效率，作为优选，所述分布式太阳能机翼的展弦比为12～18.5。为了更好的实时监测和追踪分布式太阳能电池组件的参数，作为优选，所述分布式太阳能机翼的每个电池组件配备单个或多个最大功率点追踪器(MPPT)，以实现***的最大功率输出，同时改变太阳能电池组件的功率失配问题。
为了保证无人机整个剖面、全包线的高功率放电，作为优选，所述储能电池选用高能量、高倍率、长寿命的锂电池。
为了在有限的输入能量情况下，充分、有效的利用三电混合能源，作为优选，所述混合动力***采用能源管理器对分布式太阳能电池、MPPT、储能电池、氢燃料电池***和动力***进行混合能源管理，所述能源管理器采用主动或被动能源管理策略，实现无人机在各个任务剖面飞行的能量消耗最少，延长三电混合动力无人机的飞行航时。
为了减轻结构质量和成本，作为优选，所述无人机的连接管，即尾翼与分布式太阳能机翼、分布式太阳能机翼和动力***的连接管采用一体式碳纤维管进行连接。
作为可选方案，所述无人机包括一对副翼，所述副翼设置于机翼外侧的后缘，用于控制无人机的滚转操作。
本发明公开的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机的工作方法为：
在起飞阶段下，所述无人机在跑道上从静止加速至离地速度起飞，并在空中爬升到安全高度的过程。此阶段由储能电池给动力***供电，即储能电池给电驱动器供电带动螺旋桨转动，在地面滑跑时产生带动起落架滑跑的拉力，在空中滑跑时产生克服空气阻力的拉力。
在爬升阶段下，所述无人机从起飞安全高度开始，按一定的爬升速度和爬升角到任务巡航高度。此阶段由太阳能电池、氢燃料电池和储能电池三种能源混合供应，优先太阳能电池进行能源供应，其次以氢燃料电池***供电为主，储能电池供电为辅进行能源供应。
在任务巡航和盘旋下，所述无人机根据任务需求以最大航时或最大航程的目标进行长航时任务飞行。此阶段中，白天以太阳能电池为主，剩余能量给储能电池充电；夜晚以氢燃料电池***供电为主，储能电池为辅。
在下降阶段中，所述无人机从任务高度下降进入下降任务阶段，将势能转化为无人机所需的动能，此过程动力***输出功率较小，由氢燃料电池***主要供电。
在着陆阶段下，所述无人机下降到缓冲高度后，依靠气动力进行减速，当速度降至一定程度时无人机着陆接地，依靠气动力和地面摩擦阻力进行减速，直至飞机静止。此过程由剩余的氢燃料电池***和锂电池混合供电。
有益效果：
1.本发明公开的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，综合发挥太阳能电池白天无限发电，氢燃料电池比能量高和储能电池比功率大的三种能源优势，实现电动无人机的绿色、长航时飞行优势。
2.本发明公开的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，采用一个太阳能机翼中段和两个太阳能机翼外段的分布式布局，分布式机翼的上表面分别采用太阳能电池组件嵌入机翼结构，兼具蒙皮结构和发电双重功能，不仅节省结构重量、提升飞机升阻比，同时避免太阳能电池组件的不均匀辐照造成功率失配问题。
3.本发明公开的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，具有空气流道的开孔短舱机身，短舱机身分别在机身前侧面开设空气进气孔，机身后侧面开设空气出气孔，氢燃料电池***放置于进气孔和出气孔之间的空气流道中，实现短舱机身内的氢燃料电池***散热和热管理。
4.本发明公开的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，采用贯穿式机体布局方法，即采用尾翼、分布式太阳能机翼到动力***整体贯穿式布局，尾翼和动力***共用连接管，利用尾翼、连接杆和分布式太阳能机翼形成盒式结构，不仅能够减少结构质量，同时增加结构强度。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机的侧视图；
图2为根据本发明的一个实施例的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机的俯视图；
图3为根据本发明的一个实施例的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机的正视图；
图4为根据本发明的一个实施例的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机的左视图；
其中：1、分布式太阳能机翼；2、动力***；3、短舱机身；4、尾翼；5、副翼；6、连接管；7、空气孔；8、氢燃料电池***；9、储能电池；10、主起落架；11、前起落架；1.1、中段机翼；1.2、外段机翼；1.3、中段结构太阳能电池组件；1.4、外段结构太阳能电池组件；2.1、电驱动器；2.2、螺旋桨；4.1水平安定面；4.2升降舵；4.3垂直安定面；4.4方向舵；7.1、空气进气孔；7.2、空气出气孔。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合实施例对本发明内容作进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，图1至图4分别为所述无人机的侧视图、俯视图、正视图和左视图。结合图1至图4，所述实例无人机包括分布式太阳能机翼1、短舱机身2、动力***3、尾翼4。
分布式太阳能机翼1采用大展现比常规布局，主要由一个中段机翼1.1、外段机翼1.2、中段结构太阳能电池组件1.3和外段结构太阳能电池组件1.4组成。所述中段机翼1.1和外段机翼1.2的上表面分别铺设中段结构太阳能电池组件1.3和外段结构太阳能电池组件1.4，即分布式太阳能电池组件嵌入分布式机翼的结构中，兼具蒙皮结构和发电双重功能。所述分布式太阳能机翼1的每个分布式组件配备单个或多个最大功率点追踪器(MPPT)，以实现***的最大功率输出。所述分布式太阳能机翼不仅可以带来较高的升阻比、节省结构质量，同时可为混合动力无人机白天带来源源不断的能量，避免太阳能电池组件中的功率失配问题。
动力***2主要由电驱动器2.1、螺旋桨2.2、和固定件组成，用于动力输出的作用，为固定翼无人机提供拉力。所述动力***为前置双发动力，位于所述分布式太阳能机翼前缘的对称轴线两侧。所述固定件固定在所述连接管6上，所述固定件固定于所述无人机上，所述螺旋桨3.2的根部与所述电驱动器2.1进行紧固连接，所述电驱动器2.1与所述三种能源的总线连接，接受到一种或者多种能源供应时带动所述螺旋桨2.2一起转动而产生拉力，实现无人机整剖面、全包线的长航时飞行。
短舱机身3，位于所述分布式太阳能机翼的对称轴线上，所述短舱机身内部空间装载氢燃料电池***8、储能电池9以及机载设备，机身的前侧面开设空气进气孔7.1和后侧面开设空气出气孔7.2，根据仿真和实验把所述氢燃料电池***8放置于靠近出气孔的空气流道中，实现氢燃料电池***的散热和热管理；所述储能电池9为高能量、高倍率、长寿命的锂电池，用于机体的纵向配平。夜晚长航时巡航飞行时，采用高比能量的氢燃料电池***供电；白天长航时任务飞行时，采用无限发电的太阳能电池供电，剩余能量存在储能电池中；储能电池用于白天和夜晚飞行中的大电流和功率供电。所述高比能量的氢燃料电池、高比能量的储能电池和无限发电的太阳能电池供电三种能源充分利用各自的优势，实现电动无人机的绿色、长航时飞行。
尾翼4由水平安定面4.1、升降舵4.2、垂直安定面4.3、方向舵4.4组成，用于控制和配平无人机的三维平面飞行，实现无人机在中低空复杂环境的稳定飞行。所述水平安定面4.1保证无人机的水平稳定，所述升降舵4.2用于无人机的纵向操作，所述垂直安定面4.3采用双垂尾形式保证无人机的横行向稳定，所述方向舵4.4采用双舵面形式，用于无人机的横行向操作，双垂直尾翼布局降低无人机的整体重心，增加了横行向稳定性和操纵性。此外，所述尾翼贯穿分布式太阳能机翼弦向与所述动力***共同使用连接管，所述连接管为一体式碳纤维管，减轻结构重量，所述尾翼4、连接管6与分布式太阳能机翼1整体构成了盒式结构，增强无人机整体强度。
所述起落架采用前三点式起落架，包括主起落架10和前起落架11，所述主起落架10采用几字形，设置于机体重心之后，所述前起落架11采用支柱形起落架，减轻结构重量，增加无人机起飞和降落滑跑过程的稳定性。
在本实施例中，无人机包括一对副翼5，所述副翼设置于所述分布式太阳能机翼外侧的后缘，用于控制无人机的滚转操作。
本实施例公开的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机的工作方法为：
在起飞阶段下，所述无人机在跑道上从静止加速至离地速度起飞，并在空中爬升到安全高度的过程。此阶段由储能电池9给动力***2供电，即储能电池给电驱动器2.1供电带动螺旋桨2.2转动，在地面滑跑时产生带动主起落架8和前起落架9滑跑的拉力，在空中滑跑时产生克服空气阻力的拉力。
在爬升阶段下，所述无人机从起飞安全高度开始，按一定的爬升速度和爬升角到任务巡航高度。此阶段由分布式太阳能机翼1、氢燃料电池***8和储能电池9三种能源混合供应，优先以分布式太阳能机翼1中的太阳能电池进行能源供应，其次以氢燃料电池***8供电为主，储能电池9供电为辅进行能源供应。
在任务巡航和盘旋下，所述无人机根据任务需求以最大航时或最大航程的目标进行长航时任务飞行。此阶段中，白天以分布式太阳能机翼1中的太阳能电池为主，剩余能量给储能电池9充电；夜晚以氢燃料电池***8供电为主，储能电池9为辅。
在下降阶段中，所述无人机从任务高度下降进入下降任务阶段，将势能转化为无人机所需的动能，此过程动力***输出功率较小，由氢燃料电池***8主要供电。
在着陆阶段下，所述无人机下降到缓冲高度后，依靠气动力进行减速，当速度降至一定程度时无人机着陆接地，依靠气动力和地面摩擦阻力进行减速，直至飞机静止。此过程由剩余的氢燃料电池***8和储能电池9混合供电。
以上的具体描述，是对发明的目的、技术方案和有益效果的进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例，仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，其特征在于：包括分布式太阳能机翼、短舱机身、动力***、尾翼；
分布式太阳能机翼采用大展现比常规布局，主要由一个中段太阳能机翼和两个外段太阳能机翼组成，即中段和外段机翼的上表面分别铺设结构分布式太阳能组件，所述结构分布式太阳能组件嵌入机翼结构，兼具蒙皮结构和发电双重功能。分布式太阳能机翼不仅能够带来较高的升阻比、节省结构质量，同时能够为混合动力无人机白天带来源源不断的能量，避免太阳能电池组件中的功率失配问题；
动力***，用于动力输出，为固定翼无人机提供拉力；所述动力***为前置双发动力，位于所述分布式太阳能机翼前缘的对称轴线两侧，主要由螺旋桨、电驱动器和固定件组成；所述固定件固定在所述连接管上，所述固定件固定于所述无人机上，所述螺旋桨的根部与所述电驱动器进行紧固连接，所述电驱动器与所述三种能源的总线连接，接受到一种或者多种能源供应时带动所述螺旋桨一起转动而产生拉力，实现无人机整剖面、全包线的长航时飞行；
短舱机身，位于所述分布式太阳能机翼的对称轴线上，所述短舱机身内部空间装载储能电池、氢燃料电池***以及机载设备，机身的前侧面开设空气进气孔和后侧面开设空气出气孔，根据仿真和实验把氢燃料电池***放置于靠近出气孔的空气流道中，实现氢燃料电池***的散热和热管理；储能电池用于机体的纵向配平。夜晚长航时巡航飞行时，采用所述高比能量的氢燃料电池***供电；白天长航时任务飞行时，采用所述分布式太阳能机翼上的太阳能电池供电，剩余能量存在所述储能电池中；所述储能电池用于白天和夜晚飞行中的大电流和功率供电。所述高比能量的氢燃料电池***、所述高比能量的储能电池和所述无限发电的太阳能电池供电三种能源充分利用各自的优势，实现电动无人机的绿色、长航时飞行；
尾翼，采用水平尾翼和双垂直尾翼两部分，用于控制和配平无人机的三维平面飞行，实现无人机在中低空复杂环境的稳定飞行；所述水平尾翼包括水平安定面和升降舵，所述水平安定面保证无人机的水平稳定，所述升降舵用于无人机的纵向操作；所述双垂直尾翼包括两个垂直安定面和两个方向舵，所述垂直安定面保证无人机的横行向稳定，所述方向舵用于无人机的横行向操作，双垂直尾翼布局降低无人机的整体重心，增加横行向稳定性和操纵性；此外，所述尾翼贯穿所述分布式太阳能机翼弦向与所述动力***共同使用连接管，减轻结构重量，所述水平尾翼、双垂直尾翼、连接管与分布式太阳能机翼整体构成了盒式结构，增强无人机整体强度。
2.如权利要求1所述的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，其特征在于：为了实现无人机的跑道上的滑跑起飞，所述无人机包括起落架，所述起落架为前三点式起落架，所述前三点式起落架包括主起落架和前起落架，主起落架采用几字形，设置于机体重心之后，前起落架采用支柱形起落架，减轻结构重量，增加无人机起飞和降落滑跑过程的稳定性。
3.如权利要求1所述的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，其特征在于：为了提高太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机升阻气动效率，所述分布式太阳能机翼的展弦比为12～18.5；为了更好的实时监测和追踪分布式太阳能电池组件的参数，所述分布式太阳能机翼的每个电池组件配备单个或多个最大功率点追踪器MPPT，以实现***的最大功率输出，同时改变太阳能电池组件的功率失配问题。
4.如权利要求1所述的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，其特征在于：为了保证无人机整个剖面、全包线的高功率放电，所述储能电池选用高能量、高倍率、长寿命的锂电池。
5.如权利要求1或2所述的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，其特征在于：为了在有限的输入能量情况下，充分、有效的利用三电混合能源，所述混合动力***采用能源管理器对分布式太阳能电池、MPPT、储能电池、氢燃料电池***和动力***进行混合能源管理，所述能源管理器采用主动或被动能源管理策略，实现无人机在各个任务剖面飞行的能量消耗最少，延长三电混合动力无人机的飞行航时。
6.如权利要求1所述的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，其特征在于：为了减轻结构质量和成本，所述无人机的连接管，即尾翼与分布式太阳能机翼、分布式太阳能机翼和动力***的连接管采用一体式碳纤维管进行连接。
7.如权利要求1所述的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，其特征在于：无人机包括一对副翼，所述副翼设置于所述分布式太阳能机翼外侧的后缘，用于控制无人机的滚转操作。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种太阳能/氢能/储能电池混合动力无人机，其特征在于：工作方法为，
在起飞阶段下，所述无人机在跑道上从静止加速至离地速度起飞，并在空中爬升到安全高度的过程；此阶段由储能电池给动力***供电，即储能电池给电驱动器供电带动螺旋桨转动，在地面滑跑时产生带动起落架滑跑的拉力，在空中滑跑时产生克服空气阻力的拉力；
在爬升阶段下，所述无人机从起飞安全高度开始，按一定的爬升速度和爬升角到任务巡航高度；此阶段由太阳能电池、氢燃料电池和储能电池三种能源混合供应，优先太阳能电池进行能源供应，其次以氢燃料电池***供电为主，储能电池供电为辅进行能源供应；
在任务巡航和盘旋下，所述无人机根据任务需求以最大航时或最大航程的目标进行长航时任务飞行；此阶段中，白天以太阳能电池为主，剩余能量给储能电池充电；夜晚以氢燃料电池***供电为主，储能电池为辅；
在下降阶段中，所述无人机从任务高度下降进入下降任务阶段，将势能转化为无人机所需的动能，此过程动力***输出功率较小，由氢燃料电池***主要供电；
在着陆阶段下，所述无人机下降到缓冲高度后，依靠气动力进行减速，当速度降至一定程度时无人机着陆接地，依靠气动力和地面摩擦阻力进行减速，直至飞机静止；此过程由剩余的氢燃料电池***和锂电池混合供电。
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