太阳能飞机设计.docx

航空制造工程学院创新能力综合训练题 目:填各学生的子课题名称小三、宋体，下同所属课题：太阳能航拍飞机学 院：专业名称：班级学号：学生姓名：邦哥合作者：指导教师：二O 一二年十二月太阳能航拍飞机的研究学生姓名：XXX班级：XXX指导老师：XXX摘要:本课题旨在设计制作一架以太阳能作为主要的续航动力来源的航拍飞 机，以此来响应国家关于节能减排的相关政策和探索有效利用太阳能的新途径。 其基本思路是通过预计飞机空载起飞的重量（大约3kg）来确定太阳能电池板 的功率，在此基础上选择最佳翼型和确定机翼面积，从飞机的整体结构和飞行 要求出发设计其它部件的结构尺寸并确定安装位置，最后制作样机并试飞，同 时根据试飞结果改进飞机结构及安装相应机载设备飞行。关键词：航拍飞机，太阳能，节能减排主要创新点1以太阳能作为主要的续航动力来源，机上载有蓄能装置以储存太阳能电 池板的富余功率，可实现低空长航时飞行，加装机载设备（如航拍或测绘设备， 进行实时图像及数据传输），适合于军民两用。2采用新型超轻薄且可承受一定弯曲的太阳能电池板封装工艺，直接铺设 在机翼上表面蒙板上，改变以往通过分割电池板来覆盖曲面的方法，大大减少 了对机翼气动外形的影响，也减轻了导线连接重量。3采用新型高压、低电流输电方式，配合高压无刷电调和新型超大直径低 KV、高力效的轻薄无刷电机，直接驱动大直径螺旋桨，既可减少电流和线上损 耗，又可减小导线直径以减轻重量，还能减少以往螺旋桨减速机构的能量损耗。目录一、作品内容简介1二、研制背景及意义2三、设计方案33.1电器控制33.2机械部分43.3曲面硅太阳能电池板53.4设计时考虑的主要问题： 8四、理论设计计算94.1角度对光电转换的影响94.2测试一块太阳能电池板94.3预计飞机空载重量约为3 kg10五、工作原理及性能分析11六、创新点及应用12七、参考文献14八、致谢15一、作品内容简介设计并制作一架具有实用价值的太阳能航拍飞机。本机将使用太阳能作为唯 一的动力来源。由于单位面积太阳能电池板所提供的功率非常有限，所以我们从 一开始，在飞机的外形设计上，就要求整机具有高升阻比；在飞机结构方面，我 们想方设法尝试新的材料和工艺，提高结构强度重量比，减轻机体重量；在太阳 能电池板的封装上，我们也找到了轻量化的工艺并将太阳能电池板成功整体贴合 在机翼上表面的曲面上；在能量转换效率方面，我们提高了传输电压，并找到了 高效的动力转换组合，大大提高了太阳能的利用率。这一切，只为了一个目标， 就是让飞机能如同理论计算的结果那样，真正靠太阳能飞起来！飞机将不使用任何其他大容量的储能装置，实现飞机的自主供能起飞。再加 装一套航拍设备，实现飞机的实时图像及数据传输功能。这一外加航拍功能可以 充分体现和发挥太阳能飞机这一超长航时留空平台的优势。这将使如今的太阳能技术从单纯的地面应用拓展到大气层的应用成为可能， 实现太阳能的多层面复合利用。下面图1、图2是预想中的效果图。图1根据飞机设计渲染的飞机效果图图2用CATIA设计的飞机主体结构图 太阳能电池板在一截机翼上表面的成功的整体曲面封装二、研制背景及意义在当前全球化石能源资源日益短缺、气候变化等环境压力日渐增大的背景 下，太阳能、风能等新能源和可再生能源已被世界各国政府作为重要的战略替代 能源大力发展。开发太阳能的行动，即使现在不行动起来，以后也是要花大力气追赶他人的。 与其坐等他人成果实现，不如主动进行尝试，为以后的冲击打好基础！在我国，按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区：一类地 区全年日照时数为32003300小时，二类地区全年日照时数为30003200小时， 三类地区全年日照时数为22003000小时，四类地区全年日照时数为1400 2200小时，五类地区全年日照时数约10001400小时。一、二、三类地区，年 日照时数大于2000h，辐射总量高于586kj / cm2，是我国太阳能资源丰富或较丰 富的地区，具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差， 但仍有一定的利用价值。中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤。太阳能资源 开发利用的潜力非常广阔！随着航空科技的进步，航空事业飞速发展，无论是数量还是种类都急剧增多， 然而随之而来的噪音及污染问题也越来越严峻。在日益强调节能、环保、低碳的 民用领域，太阳能飞机具备零碳、环保等优良特性，在给民用领域带来新的便利 的同时，太阳能飞机还将会作为低碳经济和新能源利用的“明星飞行器”而发挥 出极其强烈的宣传价值和教育意义，为新能源的进一步开发和应用、全人类的科 学进步与环境保护作出它相应的也是必然的贡献。太阳能飞机巡航时间长,飞行高度高，覆盖区域广，可以执行多种任务，具有 常规飞行器不可替代的优点。太阳能在航空器上的应用研究，是我国新世纪航空 工业重点发展的一个新领域，也是各国航空工业研究的一个新热点。在民用上可用于大气研究、天气预报、环境及灾害监测、农作物遥测、交通 管制、电信和电视服务、自然保护区监控、外星球探测等；在军事上可用于边境 巡逻、侦察、通信中继、电子对抗等任务。由于太阳能飞机具有众多优势及其具 有广阔的应用前景，许多国家和组织都竞相展开对太阳能飞机的研究。太阳能飞机在社会各个方面具有广阔的应用前景，具有不可估量的巨大作用 和效益！由于我校一直以来拥有一支在全国大赛中保有名次的航模队，以航模飞 机为载体测试一些太阳能飞机方案的可行性，不失为一个较好的选择，既可获得 良好的测试效果，又可以节省大量资金。因此，我们提出制作太阳能航模飞机的 愿想。我校已于2009年设计并制作完成了第一架太阳能飞机，图3显示的就是制 作出来的成品。该太阳能飞机的成功飞行获得了省内外各大媒体的关注，在2009 年的全国航空航天模型锦标赛中获得了科技创新三等奖，在合肥自主创新对接会 中，该机也进行了展出，获得了各方的高度关注。该机作为我校首架太阳能飞机，实验成分多于使用性。因此，打造出有实际 应用价值的后续机型具有承前启后的重要作用。图3飞机实照三、设计方案3.1电器控制太阳能电池板通过光电转化得到的是直流电，我们利用无刷电调（逆变器） 把直流电转换成交流电，再把交流电提供给无刷交流电机，从而使电机运转工作， 电调根据接收机油门通道的信号来控制输出的交流电压，从而控制电机的转速， 调节螺旋桨的拉力；又通过接收机对舵机的电流、电压的输出控制来控制飞机的飞行姿态和方向，从这两方面来实现对飞机的有效控制。图4是电器控制图。另外，太阳能电池板和电调之间还要有高效的稳定电压和功率的控制器，才 能保证系统平稳工作。蓄电池*无刷电机图4电器控制图3.2机械部分从飞机的总体结构来看，机翼是最重要的部件，它既提供升力又产生阻力， 所以首先要初步选择好合适的翼型和展弦比，使它既拥有尽量大的升阻比，又有 曲率较小的上表面铺设整体太阳能电池板，这样就能使飞机的留空时间尽量延长 （初步设定为SD7037翼型），同时，机翼的材料还要有足够的强度、刚度和稳 定性，使之足以承受预定的载荷；然后就要选择合适的机翼平面形状，要求产生的诱导阻力比较小同时制 作比较方便，还可以提高飞机进入上升气流的能力（初步预定采用长方形中段加 梯形翼尖）；之后为了确保飞机具有横侧安定性，要选择好机翼的上反角形状（一般 采用U型或双V型上反角）；同时，还要设计面积合适的垂直尾翼，以保持飞机 的方向安定性；再配置适当翼型的水平尾翼以增加纵向安定性；机身在满足受力要求下，还得有足够的容量以容纳各种机载设备；并按 飞机起飞重量和飞行速度要求，选用一套高效的动力装置（目前已经挑选出一套 大直径低KV的无刷电机直接驱动大直径螺旋桨）。最后调整好机翼，机身，水平尾翼，垂直尾翼之间的相对位置，重点是 飞机重心位置的确定，要使飞机的重心在焦点前面，而且和焦点的距离适当，并 且处于机翼下面的最佳位置（常采用上单翼或高单翼），重心位置的确定还要考 虑到飞机上的其它部件（如电机，太阳能电池板，螺旋桨等）和搭载的设备（航 拍相机）的重量和所处的位置。所有这些结构和设备的重量之和不能超过飞机的 预定重量。3.3曲面硅太阳能电池板曲面硅太阳能电池板简介：当今硅太阳能电池市场供应的都是为普通场合太阳能发电提供的平板太阳 能硅太阳能电池，在一些特殊场合需要曲面的太阳能电池。如果选用薄膜太阳能 电池也可以实现此项功能，但是薄膜太阳能电池的转换效率不高，只有8%10%。 这很难满足要求。如果选用硅太阳能电池，由于硅片极易碎的特点，所以硅片不 能够进行大范围的扭曲。我们设计的曲面太阳能电池具体会运用到太阳能飞机的 区面机翼上。曲面硅太阳能电池板，是根据翼型曲面要求将太阳能电池片切割成不同规格 的小片，切割后的太阳能电池片附着在若干块衬底上，若干块衬底之间按曲面要 求连接，太阳能电池片之间通过焊条串并联连接形成太阳能电池板，最后在太阳 能电池板上覆盖一层保护膜。改变传统太阳能电池板只能是平板的问题，解决了 在曲面结构上安装太阳能电池板的问题。经实际测量，电池板重量能控制在1.5 千克每平方米以内。（一）、曲面太阳能电池性能参数：1、功率 3.674W2、重量100g3、尺寸 230mm X 210mm X 0.64、效率 13.08%5、环氧板基板小条样品尺寸：210mm X 21mm X 0.6mm重量：4.5g6、曲面太阳能电池纯太阳能电池片的总面积280.8平方厘米硅片单位面积功率130.804瓦每平方米7、太阳能飞机机翼0.67平方米铺设0.3mm厚的环氧板太阳能电池板预计功率50.9w重量 1.054kg8、实际铺开后太阳能电池占的面积：16*23厘米功率为3.674w实际在机翼上铺开后太阳能电池单位面积的电功率：3.674w / 0.16*0.23 米=99.84 w/米 29、结论:在太阳能飞机机翼0.67平方米铺设0.3mm厚的环氧板太阳能电池板功率 66.89 w 重量 1.054kg（二）、加入环氧板后研制的太阳能电池板的结构设计1、基于环氧板研制的太阳能电池板的各层结构图基于环氧板的太阳罪电池蛆件图52、基于环氧板研制的太阳能电池板的正面结构图，如图6（三）、基于环氧板研制的太阳能电池板的加工工艺过程（加工过程、技术条件、参数）1、选片：利用Solar cell tester对125X 125的电池片进行检测，通过对 电池片的检测曲线进行分析从而选取转换效率比较高能达到1618%的硅片。2、切片：利用激光划片机对125X 125的太阳能电池硅片按照所设定好的尺寸 进行切割，具体尺寸为：大片为52mmX30mm 小片为52mmX15mm.。3、焊接：先用双面胶将已切割好的硅片和环氧板固定，再将已经切割好的硅 片进行焊接处理。然后再用胶带将各块环氧板固定起来，以使得它们之间的间隙 保持固定。4、层压：将已经焊接固定好的电池板放入层压机中进行层压处理。具体层压数据为：真空延时 20s真空时间 8min预压时间 15s层压时间 2s延时开盖 45s（四）、测试结果利用太阳能电池组件测试仪对曲面太阳能电池进行测试测试数据及其曲线， 如图7所示。个 1(A)2.400 色200 2. 000 1. 800 1. 600 1. 400 L 200 1,000 0. 800 0. 600 0, 4000. 200 0. 0002. 60DVnImhnFFVoc : L 946 V Isc : 2.478 A :1. 494 V :2. 459 A :3. 674 I :0. 7624 :0. 000 % :8S006203S3S45&000 0 6.154 Q :1000费武 cmpj 25. 00 T?0.00 0. 20 0.40 0.而 0P 00 LOO 1.20 1.40 L 60 1.80 2.00（五）、成果展示（六）、存在的问题及改进1、由于所要焊接的硅片尺寸较小，所以在焊接时很容易出现有短路的情况发 生。以后在焊接时要注意在电池板间的焊接作业，以防电池板短路。2、此块电池板的两边空隙处没有放置硅片，如果今后做整个机翼那么这些空 隙都可以用来放置硅片，从而可以增大整个机翼电板的功率。3、在每块硅片之间都有空隙，以后的制作中我们应该可以视所在面的坡度来 决定缝隙的宽度。这样就可以在有限的面积内增加太阳能电池的面积，从而增加 总的输出功率。3.4设计时考虑的主要问题：1、飞机设计的起飞重量和所需功率，与所需太阳能电池板的面积、机翼面 积及因此增加的重量之间的复杂匹配关系；2、翼型的选择。要有较高的升阻比且上表面曲率较小，在太阳能电池板能 承受的弯折曲率内；3、太阳能电池板的在机翼上表面的铺设方法和工艺。要尽可能减少对气动 外形的影响，且长时间内不会变形或产生裂痕。4、所选翼型的上表曲率能够最小地影响太阳能电池板的工作效率；5、动力转换装置要有高的效率；I、理论设计计算4.1角度对光电转换的影响我们对入射角度光电转换的影响经行了测量和计算，得出结论如下表-1：表-1角度对光电转换的影响表入射角/。C90888684828078767472相对垂直 功率 损失 率0%0.23%0.29 %0.38%0.38%2.52 %2.63 %3.99 %5.04 %7.78%入射角/。C706866646260585654相对垂直 功率 损失 率8.91%10.47%12.72%15.38%16.89%18.13%20.36%22.63%25.36%4.2测试一块太阳能电池板我们测得太阳能电池电流-电压特性曲线如图9,并经过测量和计算，我 们找到了转换率达到19%的单晶硅太阳能电池，并测得该太阳能电池在正常晴天 中午每平方米可获得140w功率。考虑其重量，我们还测得，铺设电池板后机翼的平均质量密度为1.3kg/m，（a）太阳能电池的电流一电压关系曲线（b）常用的太阳能电池电流一电压特性曲线 1-未受光照；2-受光照I-电流；Isc-短路电流；Im-最大工作电流；U-电压；Uoc-开路电压；Um-最大工作电压； Pm-最大功率图9太阳能电池电流-电压特性曲线考虑封装过程和在飞机制作之前实验测得在不同时间段不同光照条件下太 阳能电池板的转换率，以及电力传输过程中衰减量；最终我们可提供给电机的功 率为75w.4.3预计飞机空载重量约为3 kg15°C时，模型飞机的雷诺数Re=69000Vl （空气密度为0.125千克/m， 空气粘性系数为0.00000182千克秒/皿），我们设计的飞机速度与V=8米每秒左右，机翼平均气动弦长1=35厘米，飞 行高度h=100米，由于夏季气温较高，会对空气密度和空气粘性系数产生影响， 参考雷诺数随气温的变化曲线图，调整计算结果，得Re=190186 （下图中蓝色曲 线）；参考选用的SD7037超扁平滑翔翼型的性能曲线图得出该翼型在一定迎角范 围内的升力曲线图，阻力曲线图和升阻比曲线图呻gl-五、工作原理及性能分析工作原理太阳能电池板吸收太阳能后将其转化为电能（直流电），经由太阳能控制器 传输到无刷电调，无刷电调将传来的直流电转换成交流电，为飞机电机提供动力， 电机驱动螺旋桨来带动飞机起飞；同时富余功率也经由控制器储存到蓄能装置 中，作为备用能量以延长飞机留空时间。性能分析：选用上表面曲率小的高升阻比翼型，配合高的展弦比及面积合适的水平尾翼 和垂直尾翼，降低了机翼载荷，提高了整机升阻比和飞机的低空低速滑翔性能；选用转化效率可达到20%的新型轻质单晶硅太阳能电池板，配合高效的蓄能 装置和输电方式，另外用超大直径低KV、高力效的电机直接驱动大直径螺旋桨， 这样减少了能量损耗，延长了飞机的留空时间。太阳能电池板封装（采用我们自主研发的新型封装工艺）及覆盖后，机翼的 重量小于整机重量的70%，调整尾翼和其他部件的安装位置，就能使飞机具有良 好的安定性和操纵性。六、创新点及应用创新点：1.完全用太阳能电池板转化的能量作为飞机飞行全过程的动力来源（起 飞阶段用超级电容的瞬间充放电来摆脱以往对蓄电池的依赖），但有相 应的蓄能装置用于保险和储存富余功率，以实现低空长航时稳定飞行， 也许在不久的将来可以实现全天候飞行。2太阳能电池板采用自主研发的超轻薄封装工艺，可承受一定弯曲，因 此可直接将电池板铺设在机翼上表面蒙板上，改变以往通过分割来覆 盖曲面的方法，大大减少对机翼气动外形的影响，也减轻了连接导线 的重量。3采用新型高压、低电流输电方式，配合高压无刷电调和新型超大直径 低KV、高力效的轻薄无刷电机，直接驱动大直径螺旋桨，既可减少 电流和线上损耗，又可减小导线直径以减轻重量，还能减少以往螺旋 桨减速机构的能量损耗。4飞机可根据需要加装不同的机载设备，如航拍、测绘设备等，进行实 时图像及数据传输，拓展了飞机的实用效能，适合于军民两用。应用：在太阳能飞机上安装不同的机载设备，将大大拓展飞机的实用性能，使飞机 具有多功能多用途。在民用上可用于天气预报、环境及灾害监测、交通管制、电 信和电视服务和自然保护区监控等；在军事上可用于边境巡逻侦察、通信中继、 电子对抗等任务。如果配合其他能源，在飞机靠纯太阳能就能飞行的基础上，组成混合动力飞 机，将大大增加其可靠性和飞行半径，拓展更多应用领域。由于太阳能飞机具有众多优势及其广阔的应用前景，许多国家和组织都竞相 展开对太阳能飞机的研究，目前，我国也已经把太阳能在航空器上的应用研究列 为新世纪航空工业重点发展的一个新领域新热点。七、参考文献1空气动力学 陆志良等编著北京航空航天大学出版社2009 太阳能发电原理与应用 王崇杰，薛一冰 等编著2007年05月中 国建筑工业出版社3 并网太阳能光伏发电系统 崔容强，赵春江，吴达成编著 化学工 业出版社20074 航海模型活动指导教材中国航海模型运动协会编科学出版社,20005 航空模型的原理与制作（上册） 王冈曹振国主编 北京科学技术 出版社中国社会出版社，19986 航空模型的原理与制作（下册） 王冈曹振国主编 北京科学技术 出版社中国社会出版社，19987 控制电机技术与选用手册 杨帮文 主编 中国电力出版社2010八、致谢通过这几个礼拜的忙碌工作，本次创新实训设计已接近尾声，作为一个本科 创新实训生，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，在这里衷心感谢 指导老师刘文光的督促指导，以及一起学习的同学们的支持，让我们按时完成了 这次创新实训设计。在创新实训设计过程中，我们遇到了许许多多的困难。在此我们要感谢我的 指导老师刘老师给我们悉心的帮助和耐心而细致的指导，我们的创新实训论文较 为复杂烦琐，但是刘老师仍然细心地纠正其中的错误。除了敬佩刘老师的专业水 平以外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我们永远学习的榜样，并将积极影 响我们今后的学习和工作，我们才得以解决创新实训设计中遇到的种种问题。同 时感谢我院、系领导对我们的教导和关注；感谢大学四年传授我们专业知识的所 有老师。谢谢你们呕心沥血的教导。还有谢谢我们周围的同窗朋友，他们给了我 们无数的关心和鼓励，也让我们的大学生活充满了温暖和欢乐。如果没有他们的 帮助，此次创新实训论文的完成将变得困难。他们在我们设计中给了我们许多宝 贵的意见和建议。同时也要感谢自己遇到困难的时候没有一蹶不振，取而代之的 是找到了最好的方法来解决问题。南昌航空大学航空制造工程学院创新能力综合训练研究报告成绩评定和评语班级： 学号:姓名：I.课题名称：II.指导教师评语及评分评分：指导教师：（签名）评语: