小型固定翼太阳能无人机能源系统的关键技术研究

发布时间：2020-10-10 04:33

　　 太阳能无人机作为以清洁能源为动力的航空飞行器备受各国青睐,它留空时间长、飞行范围广,能够代替卫星和常规飞行器完成多种空中任务,具有十分广阔的应用前景。能源系统是太阳能无人机的核心组成部分,在整个空中飞行过程中为无人机的动力系统及电子设备提供能量。本文重点围绕能源系统的关键技术展开研究,旨在为能源系统的能量获取、关键参数设计以及能量管理策略设计方面提供理论依据和实践指导,进而改善能源系统的工作性能,具有重要的工程意义。研究内容包括:(1)基于太阳能电池仿真模型研究了不同环境下太阳能电池的输出特性,根据搭建的四种太阳能电池阵列拓扑结构并基于典型飞行工况研究了不同拓扑结构下电池阵列的功率输出水平,通过上述研究提出了能源系统获取更多能量的方法。(2)研究常见的MPPT控制算法的原理并改进了其中一种算法,在基于Boost电路的算法测试平台上,对改进算法与其他固定步长算法在稳态环境下的工作性能进行比较,测试结果表明所提算法的MPP跟踪性能较好,可以减少太阳能电池阵列由于自身输出功率的振荡现象而引起的能量损耗,进而增加能源系统的能量供给。(3)重点研究太阳能无人机能源系统储能方案的能源匹配原理,针对电池储能方案和联合储能方案,分别完成了两者基于巡航状态下的能量平衡策略的建模工作,为能源系统关键参数的设计及分析奠定了基础。(4)根据上述两种能源系统储能方案并结合太阳能无人机巡航状态下的功率匹配关系完成了能源系统关键参数的设计步骤建模,在Visual Studio 2012平台下开发了基于上述关键参数求解模型的能源系统辅助设计软件并对软件的功能进行了测试,然后基于该软件重点分析了影响能源系统关键参数设计的因素,根据分析结果提出了优化能源系统关键参数的途径。最后,论文根据搭建的太阳光照模型分析了不同飞行空域下的太阳光照强度变化,结合之前章节的内容对能源系统的能量管理策略的设计流程进行了初步研究,并基于实例进行了应用分析,为后期详细设计能源系统的能量管理策略建立了基础。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279
【部分图文】：

导致获取的监测信息以及监控范围受到限制，而常规动为动力来源，燃油一旦耗尽必须结束空中巡逻任务，无法满足全低了主权领域的维护力度。地实现全天候和实时性的空中监控目标，不间断飞行的长航时太野。太阳能无人机(Solar-Powered UnmannedAerial Vehicle，SPUA量作为飞行动力的新型航空设备，通过搭载高性能机载工具，可实时信息。目前，太阳能飞机的最长的留空时间已经超过十天，[1,2]，留空时间长，飞行范围广，所以可以保障监控信息的连续任务[3]。与常规动力飞行器相比，太阳能无人机采用太阳光辐射关任务，动力来源丰富、清洁无污染，维护成本较低；与定轨道阳能无人机不需要火箭发射升空，省去了对应的人力和财力成本的灵活性增加了太阳能无人机的监测区域范围，可以替代卫星的探测、河道水纹变化监测、森林火灾预警、地面目标物体跟踪[4]，因此，具有极大的应用前景[7]。图 1.1 为多架太阳能无人机组网

伴随着世界上第一架太阳能无人机 Sunrise I(图 1.2 所无人机时代正式开启。Sunrise I 机身搭载了 4096 块硅太阳能能够在百米空中飞行 20 分钟[11]。1975 年 9 月，Sunrise II 太阳 Sunrise I 的基础上进行改进，机翼布置了更多的太阳能电池片

图 1. 3 Pathfinder 太阳能无人机图 1. 4 Helios 太阳能无人机003 年开始研制“西风”(Zephyr)太阳能无人机[15]，最新型号的太阳能无 2010 年 7 月完成试验飞行，飞行高度达到 21.6km，连续飞行时间，打破了太阳能无人机单次飞行时间最长的记录。“西风”号太阳能

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本文编号：2834734