基于光热一体化发电单元的高空长航时飞行器能量动态仿真建模

Nowadays, solar energy photovoltaic power system has been generally recognized and used in many fields, especially in the present research focus-high altitude long-endurance aircraft. However, based on current research situation, the use efficiency of solar energy is still rather low(less than 20%), that is to say, it is a great challenge for the design of aircraft, which has rigorous requirements of size and weight. Therefore, we will combine with the existing study results at home and abroad, mainly studies the possible composition form of a combined power scheme, its working mode and the characteristics of the electrical transmission, its advantage of energy use efficiency and application feasibility of aircraft according to solar energy photovoltaic power system and solar photo-thermal power system by starting with basic configuration of the combined scheme and corresponding physical model. And then we will design and verify a small size test samples firstly, and modify the physical model by the experimental results. Furthermore, combined with the vested model of flight environment, the design of energy system, the modeling of composition parts and the integration of simulation models, which are all based on combined power unit and aiming at a certain specific aircraft design scheme, will be built. Based on all above, the analysis of the energy dynamic change under the vested flight conditions will be accomplished. And the influence law of aircraft energy change by flight condition can be made clear.All above will provide technical support and reference method for the creative design of relative composite energy vehicle.

当前，太阳能光伏发电普遍得到人们重视，并运用于多个领域，尤其是当今的研究热点- - 高空长航时飞行器上。但就目前研究而言，针对太阳能的光伏利用效率还相当低下（普遍在20%以下），这对尺寸和重量要求均十分苛刻的飞行器而言，无疑是设巨大的设计挑战。为此，本项目拟结合国内外已有研究成果，从组合式方案的基本构型和相应的物理模型入手，着重研究基于光伏发电和热电发电的组合式发电方案可能的构成形式、工作模式、输电特性、能源利用优势及其在飞行器上的应用可行性。以此为基础，开展先期的小尺寸样件研制与试验验证，并根据试验结果修正物理模型。进一步的，结合既定的飞行环境模型，针对某特定飞行器设计方案开展基于组合式发电单元的能源系统方案设计、组成部件建模和仿真模型集成，完成该飞行器在既定飞行条件下的能量动态变化特性分析并明确外部飞行条件对飞行器能量变化的影响规律，为相关复合能源飞行器的合理设计提供技术支持和方法借鉴。

当前，针对太阳能的光伏利用效率还相当低下（普遍在20%以下），这对尺寸和重量要求均十分苛刻的飞行器而言，无疑是巨大的设计挑战。为此，本项目结合国内外已有研究成果，从组合式方案的基本构型和相应物理模型入手，结合太阳能飞行器的结构特点，着重研究了基于光伏发电和热电发电的组合式发电方案在飞行器应用上可能的构成形式、工作模式、输电特性、能源利用优势及其应用可行性。其研究目标包括：1）构建基于高空长航时飞行器用光伏电池模块的传热特性分析模型，分析电池模块各层材料对其自身温度变化的影响规律；2）完成基于光伏模块的光热一体化单元的设计、试件研制与参数化建模；3）通过能量平衡方程动态分析基于光热一体化发电单元的高空长航时飞行器的能量供需状态变化特性，分析基于光热一体化发电单元在飞行器能源系统中的应用优势。本项目的难点在于能源系统内部各部件间，尤其是光电、热电单元工作时输出特性的有效解耦；光电-热电模块在飞机中的具体布置形式；热电模块高低温端温差的有效控制以及能源系统工作模式与飞行任务剖面间关联性分析。为此，项目组以MATLAB-Simulink为工具，首先进行了各部件的模块化建模，并构建了有限状态机下的能源管理系统模型，结合相关关键部件的试验修正，设计了内嵌于机翼结构中的光热一体化单元（光伏电池内置，温差电池冷端位于机翼下表面），解决了各模块化模型仿真结果与实际部件输出的符合性问题。以此为基础，分析了不同温差电池面密度下，基于光热一体化发电单元的太阳能飞机总体设计参数总质量、平飞速度、平飞功率、太阳能电池铺设率、储能电池质量、温差电池质量随展弦比的变化关系，明确了光热复合型飞行器存在应用优势的参数约束条件-温差电池面密度<9kg/m2时存在应用优势。此外，针对Zephyr-7进行了纯光伏条件下与光热一体化发电单元应用条件下的特性对比分析，分析表明，应用光热一体化发电模块后，虽然平台重量增加了近2倍，但在满足平台用电的情况下，每天仍能多产生约5.26kWh的电能。