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提高太阳能空中通信平台的通信能力

  发表日期:2015年3月18日          【编辑录入:web

南昌航空大学    王庆

 

系统名称:提高太阳能空中通信平台的通信能力

太阳能空中通信平台是未来利用太阳能在空中实现通信的平台。其原理是以太阳能电池组件接受太阳能并将其转换成电能,通过控制器控制并将电能储存到蓄电池中同时电能可提供用给控制器、螺旋桨及通信设备从而实现太阳能空中通信功能。可实现相当于“准卫星”的功能,具有广泛应用。与真正的人造卫星相比,太阳能空中通信平台造价和发射成本较低,易于回收保养和更新载荷及维护。

无人机也被称为空中机器人。通常无人机能源有蓄电池或燃油,但由于载重的限制,无人机在空中飞行时间受到限制,长航时飞行一直是无人机的瓶颈难题。近几年随着太阳能电池的技术进步,太阳能无人机的试飞成功给解决这一难题指明了方向。

太阳能飞机以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、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,飞机上应有较大的摄取阳光的表面积,以便铺设太阳电池,因此太阳能飞机的机翼面积较大。

太阳能飞机的英文名称为:solar-poweredairplane。它是以太阳辐射作为推进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、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,飞机上应有较大的摄取阳光的表面积,以便铺设太阳电池,因此太阳能飞机的机翼面积较大。经典的机型有:“太阳神”号;“天空使者”号;“西风”号;“太阳脉动”号。

太阳能空中通信平台,可为承载通讯中继站、摄像头等设备,实现空中通讯、摄像或航拍等功能。为未来军事及欠发达地区空中通信平台的主要发展方向之一。可广泛用于通信、航拍、抗震救灾、抢险及军事等领域,并具有广阔的市场前景。

20144月,谷歌公司收购美国太阳能无人机制造商“泰坦”,欲通过全球卫星网来实现全球WIFI覆盖。其通信覆盖面积,单位成本低于5美元/平方公里。远远低于单位成本卫星35美元/平方公里。太阳能空中通信平台,具有很高的经 济价值。

 


1太阳能空中通信平台承载

 

由太阳能空中通信平台组成结构框图可见,太阳能空中通信平台主要由太阳能空中通信平台(太阳能无人机)和通信设备组成。太阳能空中通信平台搭载通信设备的承载能力是该系统的主要关键部分,本项目主要围绕该主要部分来进行分析和创新。

 


2 太阳能空中通信平台组成框图

系统附加说明

 


3 太阳能空中通信平台的三层结构。


 

问题初始情境:

太阳能空中通信平台的工作原理,利用太阳能电池组件接收太阳能由太阳能控制器控制给蓄电池充电,再供给螺旋桨电能,由飞行器控制螺旋桨旋转产生升力。由此产生飞行上升力和承载力搭载通信设备,完成通信功能。太阳能空中通信平台的工作原理,利用太阳能电池组件接收太阳能由太阳能控制器控制给蓄电池充电,再供给螺旋桨电能,由飞行器控制螺旋桨旋转产生升力。由此产生飞行上升力和承载力搭载通信设备,完成通信功能。



A1、平台框架 A2、电池承载板A3、超轻太阳能电池组件

4 三层式太阳能空中通信平台组成

主要缺点:

       太阳能空中通信平台的面积有限导致太阳能发电功率有限,螺旋桨功率有限,承载能力有限。提高承载能力是主要待解决的问题之一。

 

初步思路或类似问题的解决方案及存在的缺陷:

1、  提高飞行平台的面积,提高太阳能电池组件的面积和太阳能发电功率,提高螺旋桨功率,从而提高承载能力。但加大了面积,降低了抗风能力及稳定性。

2、  减轻各个部件的重量,以提高承载能力。但承载能力有限。

 

对新技术系统的要求:

1、  有足够的承载能力

2、  易操作

3、  易实现

 


系统功能结构图


5系统功能结构

通过组件模型分析,我们描述了系统中的组件都有哪些,以及它们之间的相互关系,并得出造成承载能力不足的三个问题点:

1、螺旋桨的作用力及升力(反作用力)不够;

2、对支架及承载物的提升力不够;

3、太阳能空中通信平台自身重量过重。

 

最终方案:无太阳能电池托板系统

 


6 裁剪组建模型

得到无太阳能电池托板系统


            

7 有托板、桁架转化为无托板

本方案的技术效果:它结构简单,设计合理,且操作方便,通过改进太阳能电池托板系统,减化了托板和桁架结构,减轻了整个系统的重量,提高太阳能空中通信平台的承载能力。

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