基于太阳能技术的飞艇续航问题解决方案

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研发设计

摘要：

文章设计一个太阳能飞艇装置，帮助飞艇实现快速续航的能力，装置由薄膜太阳能电池板、蓄电

池、导线、开关组成。基于太阳能充电原理，使得飞艇在巡航飞行的同时，通过太阳能充电装置得以连续

补充电能，延长飞行距离。若能充分利用此装置，可以增加540.03km的续航距离。飞艇最多可以装下薄膜

太阳能电池板的总重量为1559.8kg，并可以在0.00013天收回成本。

关键词：

飞艇；发电量；续航时间；薄膜太阳能电池板

文章编号：

2096-4137（2019）03-090-03 DOI：10.13535/.10-1507/n.2019.03.17

■ 文／高 畅

基于太阳能技术的飞艇续航问题解决方案

0 引言

太阳能作为一种新型的清洁能常朝向赤道，倾斜角度略小于场地这涉及到在一维跟踪太阳——

源被广泛地研究和使用，而飞艇作的纬度。在某些情况下，根据当地在其日常穿越天空的旅程中——但

为一个清洁、高效、可靠的长距离的气候、地形或电力定价制度，可不能调整季节。轴的角度通常是水

飞行装置也逐渐受到社会的认同和以使用不同的倾斜角度，或者阵平的。

更加广泛的应用，所以如何将太阳列可能偏离正常的东西轴线以支

能和飞艇的优势结合在一起，将成持早晚输出。该设计的一个变体

为一个重要的研究方向。是阵列的使用，其倾斜角度可以太阳能电池板产生直流（DC）

大多数地面安装光伏系统，也每年调整2次或4次以优化季节性电力，因此太阳能电池板需要转换设

称为太阳能发电厂。一般安装有固输出。它们还需要更多的陆地面备，将其转换为交流电（AC），这

定轴、单轴或双轴追踪和一个太阳积，以减少陡峭的冬季倾斜角度是电网传输的形式。这种转换由逆变

能逆变器。一个太阳能逆变器将阵的内部阴影。器完成。为最大限度地提高效率，太

列的输出功率直流到交流通过高电阳能发电厂还采用了最大功率点跟踪

压连接到公用电网，三相升压变压为使进入的直接辐射强度最器，无论是在逆变器内还是作为单独

器通常在10kV以上。大化，太阳能电池板的方向应与太的单元。这些装置使每个太阳能电池

以提供最佳的年输出分布。模块通

1.2 双轴跟踪器

阳光线垂直。为实现这一目标，可阵列保持接近其峰值功率点。

以使用双轴跟踪器设计阵列，能够配置此转换设备有两种主要替

跟踪太空在天空中的日常轨道，并代方案：集中式和串式逆变器，虽在太阳能发电场中，太阳能电

且在一年中随着高度变化。当太阳然在某些情况下使用单个逆变器或池阵列是将入射光转换为电能的最

移动并且阵列方向改变时，这些阵微型逆变器。单个逆变器允许优化重要的子系统，包括多个太阳能模

列需要间隔开以减少阴影，因此需每个面板的输出，并且多个逆变器块，安装在支撑结构和相互连接的

要更多的陆地面积。还需要更复杂通过限制逆变器故障时的输出损失输送功率输出到电子功率调节子系

的机制来将阵列表面保持在所需角来提高可靠性。统。少数公用事业规模的太阳能公

度。在具有高水平直接辐射的位园在建筑物上的配置，所以使用太

置，增加的输出大约是30％，但由这些装置具有相对较高的容阳能电池阵列。大多数是使用地面

于阴天条件，温带气候或具有更显量，通常约为1MW，因此它们可以安装结构的“自由场”系统，通常

著的漫射辐射的那些增加更低。出调节大量太阳能电池板的产量，最是以下类型。

于这个原因，双轴跟踪器最常用于大可达2万m。使用集中式逆变器

亚热带地区，并首先在Lugo工厂的的太阳能公园通常配置为离散的矩许多项目使用安装结构，其中

公用事业规模部署。形块，相关的逆变器位于一个角落太阳能模块以固定的倾斜度安装，

1.3 单轴跟踪器

2 电源转换

2.1 集中式逆变器

2

1 太阳能电池阵列

1.1 固定轴

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或块的中心。体方程如下：

2.2 串式逆变器4.1 单日太阳能发电量

串式逆变器的容量大大低于选择型号为国产CA-36R的飞=41378.215s

10kW，并且调节单个阵列串的输艇。根据该飞艇的数据可知：艇长其中，t为最大续航时间，q为

出。这通常是整个工厂内的一排太阳L=36m，最大直径ɑ=9m，由上述单日太阳能发电总量，W为发动机

能电池阵列的整体或一部分。串式逆数据可计算出该飞艇在地上的有效总功率。

变器可以提高太阳能园区的效率，阵投影面积，具体方程如下：由该飞艇的数据可知：飞艇在

列的不同部分经历不同的日照水平，S=π×L×ɑ=1017.36m300m高空巡航空速v=47km/h。

例如以不同方向布置，或紧密堆积以其中，S为飞艇在地面上的有由飞艇在300m高空的巡航空速

最小化场地面积。效投影面积，L为飞艇长度，ɑ为v与最大巡航时间t计算出该飞艇增

2.3 变压器

系统逆变器通常以480V AC的再根据有效投影面积s=v×t=41378.215s×47km/h

电压提供功率输出。电网在数十或S=1017.36m与中国太阳年辐射的=11.49h×47km/h=540.03km

数十万伏的更高电压下运行，因中值d=586kJ/cm其中，s为飞艇增加的飞行距

此，变压器被整合到电网中以提投影面积上的单日太阳能辐射总量离，v为巡航空速，t为最大续航

供所需的输出。变压器通常具有w，具体方程如下：时间。

25~75年的寿命，并且不需要在光w=S×d=1017.36m×586kJ/

伏电站的寿命期间更换。cm根据椭球型飞艇的艇长36m、

3 装置介绍

图1 太阳能飞艇装置示意图

图1中，1为薄膜太阳能电池q=w×η=16333505753.3J/S/2为椭球型飞艇表面积，B为柔性

板，2为蓄电池，3为飞艇的电动day×19%=3103366093.12 J/day电池板面积。

机，4为开关，5为开关。其中，q为单日太阳能发电总根据最多可装的块数可计算出

图2 太阳能飞艇装置电路图

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4 装置设计计算机理

2

飞艇最大直径。加的飞行距离s，具体方程如下：

2

2

·ɑ，得出该椭圆

2

4.3 太阳能电池板重量核对

2

·ɑ=.3J/day

其中，w为该椭圆投影面积上艇高12m、最大直径9m，得到飞艇

的单日太阳能辐射总量，S为飞艇表面积计算公式如下：

在地上的有效投影面积，d为中国

太阳年辐射的中值。飞艇装电池的面积为S/2。由

依据目前市场销售薄膜太阳电池板数据得，一块柔性电池板

能电池板的光电转化效率，取本实的尺寸为910mm×670mm×3mm，

验装置中的薄膜太阳能电池板光电可知柔性电池板的面积为B＝

转化效率为19%。根据该投影面积910×670×10m，可计算出最多

-62

上的单日太阳能辐射总量w与柔性可装柔性太阳能电池板数目C，具

薄膜太阳能电池板的光电转化效率体方程如下：

η，可计算出单日太阳能发电总量

块

q，具体方程如下：其中，C为可装电池板数目，

量，w为单日太阳能辐射总量，η太阳能电池板总质量M，具体方程

为柔性薄膜太阳能电池板的光电转如下：

化效率。M＝C×m=709块×1kg=709kg

4.2 续航能力增强

其中，M为总质量，C为可装电

根据飞艇的发动机数目及发池板数目，m为一块电池板质量。

动机规格，可计算出发动机的功

4.4 太阳能成本回收

率W，即W=50hp×2=50×0.75× 根据飞艇装电池极的面积S、

2=75kW，与单日太阳能发电总量q一块薄膜太阳能电池板的价格E及

可计算出飞艇的最大续航时间t。具面积B可计算出购买成本b，具体方

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程如下：影面积上的单日太阳能辐射总量与

柔性薄膜太阳能电池板的光电转化

效率计算出单日太阳能发电总量为

根据单日太阳能发电总量q与3103366093.12J/day。

我国当前电价U可以计算出单日产根据飞艇的发动机数目及发动

生的经济效益B，具体方程如下：机规格，可计算出发动机的功率为

B＝q×U＝3103366093.12 J/75kw；又由单日太阳能发电总量与

day×0.601元/（kW•h）＝518.09元发动机的功率计算出飞艇的最大续

其中，B为单日产生的经济效航时间41378.215s；最后由飞艇在

益，U为我国当前电价，q为单日太300m高空的巡航空速与最大巡航时

阳能发电总量。间计算得出该飞艇增加的飞行距离

最后根据购买成本b和单日产540.03km。

生的经济效益B计算出成本回收的根据椭球型飞艇的艇长、艇

时间e，具体方程如下：高、艇宽数据得飞艇表面积，可计

算出飞艇装电池极的面积，然后由

薄膜太阳能电池板的面积与飞艇装

电池极的面积计算出最多可装柔性

5 计算结果及结论

太阳能电池板数目，最后根据最多

根据飞艇数据可计算出该飞艇可装的块数计算出太阳能电池板总

在地上的有效投影面积为1017.36㎡；质量1559.8kg。

再由有效投影面积乘以中国太阳根据飞艇装电池极的面积S与

年辐射的中值得出该椭园投影面一块薄膜太阳能电池板的价格可计

积上的单日太阳能辐射总量为算出购买成本249407.9元；然后根

.3J/day；然后由该投据单日太阳能发电总量与我国当前

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电价计算出单日产生的经济效益为

518.09元；最后根据购买成本和单

日产生的经济效益计算出成本回收

的时间为481.40day。

通过以上计算结果，可以认为

飞艇太阳能充电装置所带来的效益

使其具有开发意义，在续航能力、

经济上可以起到积极的作用，能够

在增加续航能力的同时，快速回收

成本。

参考文献

[1]Free-field solar power plants

a solution that allows power to

be generated faster and more

cost-effectively than offshore

wind[EB/OL]．.

com/news/171766/FREE-FIELD-SOLAR-

POWER-PLANTS-A-SOLUTION-THAT-

ALLOWS-POWER-TO-BE-GENERATED-

FASTER-AND-MORE-COST-EFFECTIVELY-

．

[2]Optimum Tilt of Solar Panels[EB/

OL]．aneltilt.

com/．

[3]3-phase transformer[EB/OL]．

/

PortalData/1/Resources/master/pdf/

Conergy_IPG_C_Transf_TD_ENG_2011-

06-01_．

[4]Solar cells and photovoltaic

arrays[EB/OL]．http://www.

/

technology/solar-power/photo-

voltaics/．

[5]Calculating Inter-Row

Spacing[EB/OL]．https://

energytrust.org/trade-

ally/updates-and-events/

InsiderNewsletter/insider-

pdfs/100304_solarprofessional_

．

April ved 13 April 2013

（榆林中学）