太陽能飛行器能源系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

朱炳杰 楊希祥 鄧小龍 麻震宇

摘 ?要：太陽能飛行器是實(shí)現(xiàn)臨近空間持久駐空的重要平臺(tái)，通過對(duì)太陽能的循環(huán)獲取、綜合利用實(shí)現(xiàn)高空長航時(shí)飛行。能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)是制約太陽能飛行器發(fā)展的核心因素。在當(dāng)前研究生教學(xué)實(shí)踐中，從專業(yè)特點(diǎn)、技術(shù)需求及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)等方面出發(fā)，結(jié)合太陽能飛行器能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開展研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體流程及效果評(píng)估。實(shí)踐表明：綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)方式可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，還可以激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)臨近空間飛行器的熱情，提高學(xué)生在飛行器研究方面的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：太陽能飛行器 ?能源系統(tǒng)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TK514 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）04（b）-0004-05

Comprehensive Experimental Designing of Solar Powered Aircraft Energy System

ZHU Bingjie ?YANG Xixiang ?DENG Xiaolong ?MA Zhenyu

（College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan Province， 410073 ?China）

Abstract： Solar powered aircraft is an important platform for near-space enduring station-keeping， it can accomplish high-altitude and long-endurance flight by means of circular obtaining solar energy and comprehensive utilization. The design of energy system is the core factor among all that restrict the development of solar powered aircraft. In the current educational practice for the training of postgraduate， based on the specialty， technology requirements and innovative talents training， combining the design of energy system for solar powered aircraft， the exact process and effect evaluating for experiment teaching are carried on in this paper. It is shown that the teaching method of comprehensive experimental designing can help students to solidify their professional knowledge， enhance their study enthusiasm for near-space aircraft design， and improve their innovation ability and engineering practice ability in aircraft research.

Key Words： Solar powered aircraft; Design of energy system; exper1imental teaching; Comprehensive experimental designing

臨近空間作為人類繼陸、海、空、天之后，進(jìn)一步拓展和利用的自然環(huán)境之一，對(duì)促進(jìn)新的空間資源探索和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大意義。以太陽能飛行器為代表的臨近空間超長航時(shí)飛行器，駐空時(shí)間長久、飛行高度適中、覆蓋范圍寬廣、軍民用途極其廣泛，被稱為“平流層衛(wèi)星”，已成為各軍事強(qiáng)國和商業(yè)巨頭競(jìng)相發(fā)展的重大前沿方向[1-2]。

太陽能飛行器持久駐空飛行產(chǎn)生的能源短缺問題，是當(dāng)前嚴(yán)重制約該技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的瓶頸之一。太陽能飛行器在駐空過程中主要依靠太陽電池獲取能量，分析和計(jì)算太陽電池陣列的產(chǎn)能、儲(chǔ)能電池充放電、能源分配，對(duì)優(yōu)化太陽能飛行器能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高駐空飛行時(shí)間具有十分重要的意義[3-5]。

本文根據(jù)臨近空間太陽能飛行器設(shè)計(jì)的原理和特點(diǎn)，結(jié)合國防科技大學(xué)航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的研究生人才培養(yǎng)計(jì)劃[6]，以臨近空間太陽能飛行器總體設(shè)計(jì)為牽引，設(shè)計(jì)了“太陽能飛行器能源系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”實(shí)踐課程。通過給定技術(shù)指標(biāo)的能源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)實(shí)踐，結(jié)合系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，提高研究生工程素養(yǎng)，拓展學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作的意識(shí)。

1 ?實(shí)驗(yàn)基本原理

臨近空間太陽能飛行器能源系統(tǒng)是指由太陽電池陣、蓄電池組及能源管理系統(tǒng)等構(gòu)成，具備能源產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、管理和配置等功能，并為滿足特定任務(wù)載荷需求，而能夠持續(xù)提供穩(wěn)定功率的能源系統(tǒng)。利用太陽能實(shí)現(xiàn)再生循環(huán)能源的系統(tǒng)組成，一般包括薄膜太陽電池或其他輕薄太陽電池的陣列系統(tǒng)、鋰離子蓄電池組（也可是其他元素體系蓄電池組）或再生燃料電池（部分配備其他輔助電池作為啟動(dòng)電源）、能源管理系統(tǒng)（可含配電器等）、傳輸電纜網(wǎng)等組成。臨近空間太陽能飛行器能源系統(tǒng)的工作原理如圖1所示[1]。

在白天光照期間，由太陽電池陣進(jìn)行太陽輻照的光電轉(zhuǎn)換，對(duì)平臺(tái)和有效載荷提供所需能量，并在功率富裕狀態(tài)下，為儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，以滿足夜晚無能量產(chǎn)生狀態(tài)下的功率需求;在夜晚由于無外部能量注入，只能通過儲(chǔ)能電池系統(tǒng)放電作為直接能量，對(duì)飛行器進(jìn)行平臺(tái)和載荷的供電;此外在朝夕期，由于太陽輻照強(qiáng)度較弱，太陽電池系統(tǒng)發(fā)電有限，只能通過與儲(chǔ)能電池放電進(jìn)行聯(lián)合供電，共同為系統(tǒng)提供能量。通過上述模式和過程，能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)為整個(gè)太陽能飛行器提供不間斷能量，滿足系統(tǒng)晝夜工作要求。

2 ?仿真軟件基本架構(gòu)

2.1 模型設(shè)計(jì)

作為能源供給系統(tǒng)，太陽電池、鋰電池需要滿足能源管理系統(tǒng)在任意飛行時(shí)刻的功率調(diào)度需求，此外，存在重量限制以及鋰電池不能過充和過放，因此能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題歸結(jié)為優(yōu)化問題。問題描述如下：

（1）

上式中，、分別為太陽能電池的數(shù)量和質(zhì)量，、分別為鋰電池的數(shù)量和質(zhì)量，相應(yīng)的約束條件為：

（2）

其中，、分別為能源系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻t提供和需求的能量，為飛艇結(jié)束飛行任務(wù)時(shí)的時(shí)刻，也就是飛艇的駐空時(shí)間，SOC為儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)，是確定的任務(wù)需求功率，表示飛行剖面的航跡信息。

、SOC（t）是能源系統(tǒng)耦合匹配的參數(shù)，由太陽電池系統(tǒng)和儲(chǔ)能電池系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)功能過程中共同確定，是根據(jù)真實(shí)的飛行數(shù)據(jù)建立需求功率的統(tǒng)計(jì)模型，本次實(shí)驗(yàn)的目的是確定、。

2.2 仿真軟件架構(gòu)

太陽能飛行器能源系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要是通過仿真軟件平臺(tái)完成。在能源系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)仿真軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，基本的設(shè)計(jì)思路為：采用確定性的能源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、理想的太陽能電池MPPT（Maximum Power Point Tracking）管理器，能源管理系統(tǒng)以簡單的能源管理邏輯單元代替，動(dòng)態(tài)工況采用統(tǒng)計(jì)性的需求功率譜和典型的飛行剖面進(jìn)行模擬。通過上面的系統(tǒng)處理，最終確定能源系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采用的太陽能電池的數(shù)量和鋰電池的數(shù)量，以此建立能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的約束條件。

仿真平臺(tái)對(duì)上述能源系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)、太陽能電池管理與驗(yàn)證技術(shù)的支持，可以簡單通過動(dòng)態(tài)工況下耦合仿真模塊的替換來實(shí)現(xiàn)，主要是在MATLAB中進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。針對(duì)太陽能電池和鋰電池的拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)的仿真分析，軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷更新迭代的過程，仿真平臺(tái)可以檢驗(yàn)?zāi)茉聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)可結(jié)合實(shí)際的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)仿真平臺(tái)進(jìn)行更新，使之更符合真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖2展示了仿真平臺(tái)驗(yàn)證太陽能電池、鋰電池的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程。同時(shí)，結(jié)合飛行剖面中的時(shí)刻、經(jīng)緯度、高度、溫度等實(shí)際飛行數(shù)據(jù)，對(duì)相應(yīng)的太陽輻射模型、熱平衡模型等仿真模塊進(jìn)行修正，獲取更真實(shí)的仿真計(jì)算結(jié)果。

3 ?實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)能源系統(tǒng)組成，可對(duì)太陽電池系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)等基本分系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表1所示。

表1中，太陽電池組件數(shù)和儲(chǔ)能電池模塊數(shù)需結(jié)合優(yōu)化計(jì)算模型在軟件平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，由能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)判斷結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在太陽電池系統(tǒng)仿真軟件界面中輸入表1所示太陽電池系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行仿真軟件，獲取結(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出，太陽電池系統(tǒng)產(chǎn)能的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，考慮到飛行器在飛行過程中姿態(tài)角變化（主要是偏航角的變化）對(duì)太陽電池發(fā)電性能的影響，以及測(cè)量系統(tǒng)的誤差，認(rèn)為太陽電池仿真模型具有較高可信度，可以作為后續(xù)能源系統(tǒng)仿真的能源輸入模型。

在能源系統(tǒng)仿真軟件界面中輸入表1所示太陽電池系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)行仿真軟件，獲取結(jié)果如圖4所示。

由圖4中蓄電池荷電狀態(tài)曲線圖可知，隨著太陽輻照的增強(qiáng)，太陽電池的產(chǎn)能增加，儲(chǔ)能電池開始充電;結(jié)合負(fù)載功率曲線變化，隨著系統(tǒng)能耗功率增加，太陽電池系統(tǒng)與儲(chǔ)能電池系統(tǒng)進(jìn)入聯(lián)合供電狀態(tài)，可完全滿足飛行過程中負(fù)載功率需求。

通過仿真參數(shù)設(shè)置與仿真計(jì)算，對(duì)能源系統(tǒng)太陽電池、儲(chǔ)能電池的數(shù)量進(jìn)行了求解驗(yàn)算。以動(dòng)態(tài)過程仿真結(jié)合實(shí)際飛行數(shù)據(jù)的方式，對(duì)能源系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行了數(shù)據(jù)演示，清晰地顯示了各分系統(tǒng)的狀態(tài)變化。在增大負(fù)載功率需求的條件下，對(duì)太陽電池、儲(chǔ)能電池的聯(lián)合供電能力進(jìn)行了仿真，能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足飛行過程的能源調(diào)配需求。

在本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生可通過自行設(shè)置能源系統(tǒng)參數(shù)，選擇合適的飛行器并計(jì)算出飛行過程中的功率消耗，在仿真軟件平臺(tái)進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)計(jì)的能源系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)獲取必要的參考。

4 ?結(jié)語

本文提出的太陽能飛行器能源系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)以解決實(shí)際工程應(yīng)用問題為課程目標(biāo)，結(jié)合理論知識(shí)點(diǎn)和創(chuàng)新實(shí)踐應(yīng)用，通過設(shè)計(jì)目標(biāo)的數(shù)學(xué)建模、軟件編程計(jì)算求解，引導(dǎo)學(xué)生以應(yīng)用為中心，理論與實(shí)踐結(jié)合，重點(diǎn)突出，適度外延，打牢基礎(chǔ)與緊貼實(shí)用并重。充分鍛煉學(xué)生的工程設(shè)計(jì)、問題歸納、仿真計(jì)算、結(jié)果優(yōu)化等能力，為學(xué)生結(jié)合前沿科技應(yīng)用、充分運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決重大工程問題提供鍛煉環(huán)境。實(shí)踐結(jié)果證明：以專業(yè)必修課的形式開展臨近空間飛行器總體設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)課程，不僅幫助學(xué)生加深對(duì)飛行器設(shè)計(jì)理論知識(shí)的掌握，還可以激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)臨近空間飛行器的熱情，提高學(xué)生在飛行器研究方面的創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)。本課程可以為研究生未來從事臨近空間飛行器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供專業(yè)技術(shù)知識(shí)，提高臨近空間裝備應(yīng)用技能。

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