太阳能飞机的设计与制作

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1、第３０卷第９期甘肃科技Ｖｏｌ３０Ｎｏ９２０１４年５月ＧａｎｓｕＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ２０１４太阳能飞机的设计与制作陈浪，贾建峰，袁吉安，孟佳男，刘雷，杨伟新（西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃兰州７３０１２４）摘要：目前全球化能源危机，节能环保成为当今主旋律，如何更好地利用清洁能源就成为当务之急。提出了一种新的太阳能飞机，它是以太阳能电池转换太阳辐射能为能量来源，采用轻木等传统材料和新型复合材料制作。太阳能飞机不同于以往的以化学燃料为能量来源的飞机，在结构设计上也有很大的不同。该研究对新能源的开发利用具有很高的价值。关键词：太阳能飞机；太阳能电池；能

2、量转换中图分类号：Ｖ２１４目前全球能源短缺、环境污染和温室效应等问１．１太阳能飞机动力系统设计题越来越严重。大规模的开发新清洁能源将是未来设计的太阳能飞机主要通过频率为２．４ＧＨｚ的发展趋势。以太阳能利用为标志的新能源技术即是航模遥控器向飞机发送操纵信号，飞机上的接收器其中之一，由此所形成的高科技产业———太阳能产接收信号并处理后再通过控制舵机舵量和电机转速业。主要研究生产各种太阳能跟踪、捕获、转换、传来完成飞行姿态的改变。其中，动力系统是太阳能输和存储的技术和设备，必将产生巨大的经济效益飞机区别一般飞行器的主要特征，其主要特征如图和社会效益。２所示。太阳能飞机是以太阳辐射为推进能源

3、的飞机。它的动力系统由太阳能电池、电子调速器、无刷电动机、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的表面积来铺设太阳电池，以便获取足够的太阳能。因此，太阳能飞机的机翼面积较大。它具有清洁无污图２动力系统染、成本低等特点，可以灵活执行多种任务。１．１．１动力系统中各子系统的功能１太阳能飞机的设计与制作太阳能电池阵列将太阳辐射能转换为电能；储能子系统可以用于储存富余的能量，在太阳辐射减不同的任务要求都会影响太阳能飞机的尺寸设弱时它能维持太阳能飞机的运行；能源管理与分配计，如，飞行时间、高度、经纬度、载荷质量和功率等。子系统对飞机上的能源进行管理，

4、保证机载设备的太阳能飞机的典型任务需求如图１所示。正常运行；飞行控制子系统对飞行器的飞行姿态进行控制，保证飞机平稳飞行；推进子系统提供太阳能飞机飞行所需的动力。机上各子系统联系紧密，共同协作以保证飞行器的正常运行。１．１．２动力系统中各子系统的组成结构能量管理与分配子系统包含太阳能控制器，稳压模块和各个子系统间的电路；储能子系统采用储存效率较高且安全性较高的锂电池。飞行控制子系统主要包括２．４ＧＨｚ遥控接收机、数字舵机等；推进图１太阳能飞机典型任务需求子系统主要包括将直流电转换成交流电的电子调速基金项目：西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划项目资助，项目编号：２０１３１０７４２

5、０２０．第９期陈浪等：太阳能飞机的设计与制作１５器，无刷电机和高效率螺旋桨；太阳能电池阵列采用２）机翼总面积：０．４×２＋（０．３＋０．４）×１＝１．５２转换效率较高的新型多晶硅太阳能电池片，单片电ｍ；压０．５Ｖ，功率４Ｗ。太阳能电池片之间用光伏组件３）电池片参数：尺寸１５６ｍｍ×１５６ｍｍ×０．２焊接专用镀锡焊带，以串联方式焊接。ｍｍ；１．２太阳能飞机的结构设计４）电池片铺设面积：０．１５６×０．１５６×３８＝０．９２５２１．２．１太阳能飞机基本参数的计算ｍ。太阳能飞机由于它的独特供能方式，所以其结１．２．２太阳能飞机雷诺数的计算构也比较特殊。太阳能飞机的机翼采用大展弦比的飞机的雷

6、诺数＝（密度／粘度）×速度×弦长，设计，选择滑翔性能较好的ＮＡＣＡ４４１２翼型，机翼由表达式为：一根主梁连接。太阳能电池板安装在机翼上表面，Ｒｅ＝（ρ／μ）×Ｖ×Ｌ－１由于太阳能飞机选用额定电压为１２Ｖ的无刷电机，式中：空气的参考粘度为０．００００１７９ｋｇ／（ｍ·ｓ），３所以，至少需要２４片太阳能电池片。考虑到能量的参考密度为１．２２５ｋｇ／ｍ，机翼弦长Ｌ为０．４ｍ，飞机转换和损耗及飞机结构等因素，选择了３８片太阳能速度Ｖ为６ｍ／ｓ。电池片来制作飞行器。无刷电机安装在机头，采用得Ｒｅ＝（１．２２５／０．００００１７９）×６×０．４前拉式的设计能够提高能量的利用率。尾翼采用倒≈１６４

7、２４５．８１Ｔ型设计，结构简单稳定。故飞机的平均雷诺数约为１６４２４５．８１，近似等太阳能飞机基本参数如下：于１５００００。通过查看ＮＡＣＡ４４１２翼型在不同雷诺１）飞机主要长度参数：翼展４ｍ，弦长０．４ｍ。机数下的升力阻力系数图，如图３所示。选择Ｒｅ为身长２ｍ，宽０．０６ｍ。升降舵长１．２ｍ，宽０．０８ｍ。方１５００００时的升力阻力曲线，即图中灰色曲线。向舵长０．６ｍ，宽０．０８ｍ；图３ＮＡＣＡ４４１２翼型的升力阻力系数１．２．３太阳能飞机升力与迎角的计