长航时平流层飞艇光伏能源系统能量平衡机理与模型研究

Energy imbalance of photovoltaic energy system is one of the main bottlenecks in stratospheric airship to realize long endurance. The analysis and prediction of energy balance mechanism is the premise and foundation to solve this problem. The existing energy balance prediction model is difficult to meet the application requirements of stratospheric airship in energy generation, energy storage and closed-loop energy balance prediction model. For this, this project which is closely combined with the characteristics of long endurance stratospheric airship, will develop Mechanism analysis of factors affecting energy balance, improve computational model for energy generation and energy storage, establish a closed loop energy balance prediction model and correction method, establish a set of energy balance prediction model and calculation program, lay a foundation for the development long endurance stratospheric airship energy system..This project is the continuation and expansion of the existing research results of the proposer. The relevant research results can not only enrich the theory and method of long endurance stratospheric airship energy system, but also effectively extended to other applications of near space vehicle energy balance research. It has important theoretical and practical significance.

光伏能源系统能量不平衡问题是平流层飞艇实现长航时飞行的主要瓶颈之一。能量平衡机理分析与预测研究是解决此问题的前提和基础。现有能量平衡预测模型在能量产生、能量存储和闭环能量平衡预测模型方面难以满足平流层飞艇的应用需求。针对此，本项目紧密结合长航时平流层飞艇的应用特点，对影响能量平衡的因素开展机理分析，改进能量产生和能量存储的计算模型，建立闭环能量平衡预测模型和修正方法，形成一套面向长航时平流层飞艇应用的能量平衡预测模型和计算程序，为长航时平流层飞艇能源系统的研制和飞艇供电安全奠定基础。.本项目是申请人已有研究成果的延续和拓展，相关研究成果不仅可以进一步丰富长航时平流层飞艇能源系统的理论和方法，还可有效扩展到其它临近空间飞行器能量平衡研究的应用场合，具有重要的理论和现实意义。

本研究建立了平流层飞艇循环能源系统能量平衡实时分析和预测模型。主要开展了以下几方面的工作：.在平流层飞艇循环能源系统特性分析与试验研究方面，完成了循环能源系统组成及其基本工作特性的分析，阐述了循环能源系统所处的工作空间环境，建立了飞艇平台工作参数数据库、太阳电池工作参数数据库和储能电池组工作参数数据库，为本研究相关模型的试验验证提供了数据支撑。.在太阳电池阵工作特性的预测研究方面，结合太阳电池工作特性理论模型，建立了任意条件下太阳电池组件和阵列的工作特性预测模型，并引入Lambert W函数对模型参数进行求解，实现了对平流层飞艇用特殊材料体系太阳电池工作特性的实时精确预测，实测数据验证结果显示，模型预测精度小于3%。.在太阳电池组件工作温度的预测研究方面，基于实测太阳辐射强度、飞艇飞行速度、大气压和大气温度的数据，建立了粒子群优化算法的支持向量机温度预测模型（PSO-SVR），实现了在太阳电池组件热特性参数难以获取和工作环境随机多变的情况下对其工作温度的实时精确预测，解决了此类应用场景工作温度难以精确预测的难题，实现模型预测精度小于2%。.在储能电池组工作特性分析与预测研究方面，分析并建立了储能电池组输出特性的PNGV等效电路模型，开发了最小二乘递推算法（RLS）对模型参数进行辨识，实现了对综合了充电和放电工作过程且充放电工况复杂多变应用特点的储能电池组工作特性的实时精确预测，模型对电池组充电工况的预测精度小于1%、对放电工况的预测精度小于2.5%。.在闭环能量管理与实时能量平衡分析研究方面，获取了闭环能量管理与工作模式转移的计算方法，建立了多数据融合实时能量平衡计算模型，通过对模型计算结果的研判，结合飞行任务规划安排，实现飞艇能量平衡状态的实时分析。.本研究所提出的上述计算模型和方法，实现了在飞艇复杂多变工况条件下对太阳电池工作特性和储能电池组工作特性的高精度预测，解决了飞艇能量平衡状态实时估计的问题。