[发明专利]飞行状态对太阳能飞机中光伏电池性能影响的预测方法

说明书

本发明公开了一种飞行状态对太阳能飞机中光伏电池性能影响的预测方法，结合电池转换效率模型、电池表面温度模型、太阳辐射模型、大气通透率与飞行高度模型、太阳高度角与飞行区域模型等，建立了飞机速度、高度、时间及区域等飞行状态下影响光伏电池性能的预测模型。预测模型基于实验数据建立，且包含气象数据和资料，可以实时快速的预测光伏电池在不同飞行速度下等的输出功率。本方法考虑因素更全面，适用性更强，预测的准确度更高。

技术领域

本发明涉及太阳能飞机和光伏发电技术领域，具体涉及一种飞行状态对太阳能飞机中光伏电池性能影响的预测方法。

背景技术

受太阳能功率密度低和机翼安装面积等制约，太阳能飞机工作能力提升一直困难；为此，预测光伏电池的工作性能是太阳能飞机合理分配和使用能量的基础。已有研究表明，太阳能飞机飞行高度、飞行速度等飞行状态发生变化时，飞机周围的大气温度、空气密度、太阳辐射等环境因素也随之变化，这些因素耦合在一起共同影响电池的性能[成珂,王忠伟,周洲.太阳能飞机工作条件对光伏电池性能的影响[J].西北工业大学学报,2012,30(4):535-540.]；[FazelpourF,Vafaeipour M,Rahbari O,et al.Considerableparameters of using PV cells for solar-powered aircrafts[J].Renewable andSustainable Energy Reviews,2013,22:81-91.]。为了更好的实现太阳能飞机续航，有人提出基于净能量分布地图的太阳能飞机续航评估方法，该方法不仅需要各个测量站点的太阳能飞机能量生产与消耗模型，而且需要用插值法对所设定任务区域进行插值，从而获得该区域的24小时飞行净能量分布地图，用于对任务区域进行实时续航评估[一种基于净能量分布地图的太阳能飞机续航评估方法，申请号：201811564081.2]。上述方法对于飞行状态瞬息万变的太阳能飞机来说，不仅可靠性有待评估且慢。

为此，本发明从光伏电池产生功率模型出发，结合光伏电池转换效率模型、电池表面温度模型、太阳辐射模型等，建立了飞机速度、高度、时间及区域等飞行状态下影响光伏电池性能的预测模型。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种飞行状态对太阳能飞机中光伏电池性能影响的预测方法，具体为飞行速度、飞行高度、飞行时间和飞行区域下光伏电池性能的预测。建立了光伏电池产生的功率与电池效率、接受的太阳光辐射强度与飞机上铺设电池的面积模型；电池效率与电池温度模型；电池温度与周围环境的对流换热模型；太阳光辐射强度与大气通透率、太阳高度角之间的模型等。

本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种飞行状态对太阳能飞机中光伏电池性能影响的预测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤，

(1)预测太阳能飞机所在区域、某飞行高度下的太阳辐射强度：

G＝G₀D_zsin(A) (1)

式(1)中G₀为大气层外太阳辐射强度，1353W/m²；D_z为大气通透率，与飞行高度相关；A是以太阳能飞机机翼光伏组件为平面的太阳高度角，与飞行区域相关；

(2)根据飞行速度、大气温度等因素和热平衡原理，获得的光伏电池表面温度的模型如下：

式(2)中α为电池的吸收率，取0.92；ε为电池热辐射发射率，取0.85；σ为玻尔兹曼常数，σ＝5.67x10^-8W(m²/K⁴)；T_sky为有效天空温度；h为对流换热系数，与飞行速度相关；T_atm为不同高度对应的大气温度，由飞行高度决定；NOCT为光伏电池的标准工作温度25℃；

(3)步骤(2)中的为光伏电池的光电转换效率：