CN113788136A - 一种中轴通气聚光飞艇 - Google Patents

Abstract

本发明适用于飞艇技术领域，提供了一种中轴通气聚光飞艇，包括艇身，在艇身的中轴上贯穿设置有通气通道；所述通气通道包括第一通气管道和第二通气管道；所述第一通气通道由飞艇的头部向艇身中部延伸，所述第二通气管道由飞艇的尾部向艇身中部延伸；并且所述第一通气管道与所述第二通气管道同轴；在艇身的上部设置有透明蒙皮；在所述透明蒙皮区域下方设置有聚光器，所述聚光器置在所述第一通气管道和所述第二通气管道之间，所述聚光器的对称面与所述透明蒙皮的对称面重合。本发明的中轴通气通道中的气流可以冷却其中的光伏电池，使得光伏电池不会因自身发热等的影响降低寿命和光电转换效率，从而能够为飞艇长时间提供充足的动力源。

Description

一种中轴通气聚光飞艇

技术领域

本发明涉及飞艇技术领域，尤其是涉及一种中轴通气聚光飞艇。

背景技术

高空飞艇作为一种具备持久飞行能力的低速飞行器，可长期驻留于大气高层，在对地观测、预警侦查、广域通讯、应急救灾等军事及民用领域具有广泛的应用前景。近年来也成为了国内外研究的重点。

高空飞艇的研制涉及到多项关键技术，具体包括总体布局设计、超压囊体设计、能源系统、飞行控制技术和定点着陆等多个方面。而飞艇的浮空器轻质结构特征和长时间抗风飞行的能量需求，使得飞艇的能源系统设计中需要兼顾结构重量、发电效率和飞艇内热（气压）管理，在实践中带来巨大的设计挑战。现有技术条件下，高空飞艇的传统能源系统使用太阳能光伏发电供能，由于晶硅薄膜太阳能发电效率普遍低于20%，且考虑有效光照角度范围有限，光伏系统需大范围铺设，其自重和热效应就极大增加了飞艇设计的尺寸规模和控制复杂度。

为了提高飞艇对太阳能的利用率，近年来出现了一些使用透光蒙皮的飞艇设计方案。如专利CN109981044A使用上部透明、下部反射的飞艇构型实现低倍聚光发电；Sunrise公司太阳能热动力飞艇（Sunrise Solar Powered Thermal Airship）内置的菲涅尔透镜收集热量，利用热气来提供上升的动力，并推进斯特林发动机的运行；欧洲最大的卫星制造商泰雷兹阿莱尼亚航天公司(Thales Alenia Space)正在研发的Stratobus（长约100米，重约5吨）平流层飞艇，使用顶部透明艇身、底部反射式聚光和顶部小范围双面太阳能电池实现发电效率的3倍提升，并设计绕艇身纵轴选择的配重吊舱轨道实现对聚光角度调节、最大化发电效率。这一方案很大程度地提高了飞艇的功率重量比，有助于减小飞艇的体积和成本。

但Stratobus项目研制过程中，由于飞艇艇身内温度、气压的控制需要，将蒙皮改为不透明，同时将最初设计的内部太阳能聚光器置于飞艇的外侧顶部。这一改动将降低飞艇的功率重量比，不利于减小飞艇的体积和成本；同时，飞艇构型中，无论艇身外部背覆太阳能电池还是内部聚光，都会由于当前较低的发电效率带来大量热量，对飞艇造成超热、超压等不利影响。

发明内容

为了能够提升飞艇的太阳能利用效率，本发明提供了一种中轴通气聚光飞艇，中轴通气通道中的气流可以冷却其中的光伏电池，同时，本发明采用二级聚光技术，能够提高太阳光的聚集效率，光伏电池一方面接收更多的太阳能辐射，另一方面在中轴通气通道中气流的作用下，光伏电池不会因自身发热等的影响降低寿命和光电转换效率，从而能够为飞艇长时间提供充足的动力源。

一种中轴通气聚光飞艇，包括艇身，在艇身的中轴上贯穿设置有通气通道；

所述通气通道包括第一通气管道和第二通气管道；所述第一通气通道由飞艇的头部向艇身中部延伸，所述第二通气管道由飞艇的尾部向艇身中部延伸；并且所述第一通气管道与所述第二通气管道同轴；

在艇身的上部设置有透明蒙皮；

在所述透明蒙皮区域下方设置有聚光器，所述聚光器置在所述第一通气管道和所述第二通气管道之间，所述聚光器的对称面与所述透明蒙皮的对称面重合。

进一步地，在所述透明蒙皮的区域设置有菲涅尔透镜。

进一步地，所述菲涅尔透镜设置在透明蒙皮的上表面或下表面。

进一步地，所述菲涅尔透镜为波浪形菲涅尔透镜；

当所述菲涅尔透镜设置在透明蒙皮的上表面时，所述菲涅尔透镜的波浪间距为1-10毫米；

当所述菲涅尔透镜设置在透明蒙皮的下表面时，所述菲涅尔透镜的波浪间距为1-50厘米。

进一步地，所述菲涅尔透镜设置在飞艇艇身上部最大直径前后设定范围内，所述透明蒙皮菲涅尔透镜的张角范围为60°~120°。

进一步地，所述聚光器为CPC聚光器。

进一步地，所述CPC聚光器的长度大于所述菲涅尔透镜的长度。

进一步地，所述第一通气管道和所述第二通气管道的直径d为：

d=D/8~D/4，其中，D为飞艇艇身的最大直径处的直径。

进一步地，所述菲涅尔透镜的焦距f取值为，1.05D≤f≤1.2D，其中，D为飞艇艇身的最大直径处的直径。

进一步地，所述CPC聚光器的底部平板位置设置光伏电池。

采用本发明的一种中轴通气聚光飞艇，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：

（1）本发明采用二级聚光的构型，能够提高聚光结构对太阳光的聚光效率，为光伏电池提高充足的光源；

（2）本发明通过高效聚光，减小了太阳能电池板面积，有助于降低高空飞艇能源系统的结构重量和成本；

（3）本发明的飞艇采用中轴通气通道的构型设计，能够对位于中轴通气通道内的光伏电池起到对流冷却的作用，从而避免光伏电池受到飞艇内部浮升气体的影响产生过热、超压等现象，造成光伏电池光电转换效率的降低以及寿命的降低；

（4）本发明采用波浪形菲涅尔透镜，可以极大的提升不同角度下的聚光效率，增加太阳能系统的有效聚焦角度范围，有效提升工作时间，提高对太阳能的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种中轴通气聚光飞艇的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的一种中轴通气聚光飞艇的另一角度整体结构的示意图；

图3是本发明实施例的一种中轴通气聚光飞艇的内部结构示意图；

图4是本发明实施例的一种中轴通气聚光飞艇的局部结构示意图；

图5是本发明实施例的波浪形菲涅尔透镜的结构示意图；

图6是本发明实施例的波浪形菲涅尔透镜的结构设计原理图；

图7是普通得曲面线性菲涅尔透镜的结构示意图；

图8是本发明实施例的第一通气管道的结构示意图；

图9是本发明实施例的聚光器的结构示意图；

图10是本发明聚光器与菲涅尔透镜的位置关系示意图。

图中，1-飞艇，10-艇身，20-通气通道，21-第一通气管道，22-第二通气管道，30-透明蒙皮，31-菲涅尔透镜，32-波浪形菲涅尔透镜，321-第一线性菲涅尔透镜片，322-第二线性菲涅尔透镜片，40-吊舱，50-聚光器，60-光伏电池。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

一种中轴通气聚光飞艇1，如图1-图3所示，包括艇身10，艇身10的尾部设置有飞艇舵面，艇身10的最大直径位置的下方还设置有滑轨（图中未示出）和吊舱40，飞艇吊舱可以沿滑轨受控滑动，以确保菲涅尔透镜对称面对太阳方位的跟踪。

在艇身10的中轴上贯穿设置有通气通道20；所述通气通道20包括第一通气管道21和第二通气管道22；所述第一通气通道21由飞艇的头部向艇身中部延伸，所述第二通气管道22由飞艇的尾部向艇身中部延伸；并且所述第一通气管道21与所述第二通气管道22同轴；在艇身10的上部设置有透明蒙皮30；在所述透明蒙皮区域下方设置有聚光器50，所述聚光器50设置在所述第一通气管道21和所述第二通气管道22之间，所述聚光器50的对称面与所述透明蒙皮的对称面重合。

本实施例的飞艇1具有位于中轴的通气通道20，通气通道20包括第一通气通道和第二通气通道，聚光器就位于第一通气通道和第二通气通道之间，光伏电池位于聚光器上。由此本发明将光伏电池置于飞艇艇身中轴通气通道内，有助于被动对流散热，使得光伏电池不会受飞艇内部浮升气体的影响产生过热、超压等现象，从而造成光伏电池光电转换效率的降低。通过本发明中轴通气通道的设置，能够进一步提升了光伏电池的使用寿命以及光伏电池的光电转换效率。

为了提高太阳光的利用率，本发明采用二级聚光的构型：一是在透明蒙皮30的区域设置有菲涅尔透镜31，二是采用CPC聚光器，如图4所示。

作为优选，本实施例采用波浪形菲涅尔透镜32。

波浪形菲涅尔透镜32与普通的线性菲涅尔透镜不同，如图5-图6所示，波浪形菲涅尔透镜32包括若干个波节，若干个波节沿某一方向A周期排列；

每个波节包括第一线性菲涅尔透镜片321和第二线性菲涅尔透镜片322；第一线性菲涅尔透镜片321和第二线性菲涅尔透镜片322镜像对称；第一线性菲涅尔透镜片的宽度方向与A方向具有一个偏折角θ；第一线性菲涅尔透镜片321和第二线性菲涅尔透镜片322的锯齿结构中锯齿的轴线方向为宽度方向。

本实施例中，波浪形菲涅尔透镜32可以理解为是由普通曲面线性菲涅尔透镜切割后拼接成的结构，如图6和图7所示，图7所示为普通曲面线性菲涅尔透镜，沿着该普通曲面线性菲涅尔透镜的宽度方向将其切割为宽度相同的第1,2,3，...，L-1,L片线性菲涅尔透镜片，每一片线性菲涅尔透镜片的截面都与原普通曲面线性菲涅尔透镜的截面相同，也可以理解为每一片线性菲涅尔透镜都是一个小型的普通曲面线性菲涅尔透镜，然后将L片线性菲涅尔透镜片沿着A方向进行拼接。拼接时，两两线性菲涅尔透镜片互相镜像对称，并且所有的线性菲涅尔透镜片中具有锯齿结构的一面均朝向同一侧。

这种波浪形菲涅尔透镜可以极大的提升不同角度下的聚光效率，增加太阳能系统的有效聚焦角度范围，有效提升工作时间，提高对太阳能的利用率。

当然，以上描述只是为了说明波浪形菲涅尔透镜的结构，除了采用将普通曲面线性菲涅尔透镜切割后拼接的方式外，也可以采用例如一次性压铸成型的方式进行制备。而波浪形菲涅尔透镜中，每一片线性菲涅尔透镜片的宽度为毫米或厘米级。

具体地，当所述菲涅尔透镜31设置在透明蒙皮30的上表面时，所述菲涅尔透镜31的波浪间距为毫米量级，以降低对气动性能的影响；当所述菲涅尔透镜31设置在透明蒙皮30的下表面时，所述菲涅尔透镜31的波浪间距为厘米量级。

值得说明的是，飞艇透明蒙皮表面可以通过模压、贴敷等方式设置波浪形菲涅尔透镜；该菲涅尔透镜可以设置在透明蒙皮的上表面或下表面；

当所述菲涅尔透镜31设置在透明蒙皮30的上表面时，菲涅尔透镜31的波浪间距为毫米量级，以减少对飞艇的气动阻力；作为优选，当所述菲涅尔透镜31设置在透明蒙皮30的上表面时，菲涅尔透镜31的波浪间距为1-10毫米。

当所述菲涅尔透镜31设置在透明蒙皮30的下表面时，所述菲涅尔透镜31的波浪间距为厘米量级，以提高菲涅尔透镜的聚光性。作为优选，当所述菲涅尔透镜31设置在透明蒙皮30的下表面时，所述菲涅尔透镜31的波浪间距为1-50厘米。

同时，本实施例中，菲涅尔透镜设置在设置在飞艇艇身上部最大直径前后的设定范围内，并且菲涅尔透镜31的张角δ的范围优选为60°~120°，以使得菲涅尔透镜始终位于最容易接收到太阳光的位置；同时，所述菲涅尔透镜31的焦距f取值为，1.05D≤f≤1.2D，其中，D为飞艇艇身的最大直径处的直径。

本实施例中，位于第一通气管道21和第二通气管道22之间的聚光器选用CPC聚光器，如图3和图9所示，该CPC聚光器的一端固定在第一通气管道21内，另一端固定在第二通气管道22内。CPC聚光器的开口朝向菲涅尔透镜31，底部平板位置设置光伏电池60，并且菲涅尔聚光器31的对称面与CPC聚光器的对称面重合，如图10所示；CPC聚光器的长度大于所述菲涅尔透镜31的长度。

对于第一通气管道21和第二通气管道22，如图8所示，第一通气管道21由飞艇的头部向艇身10中部延伸，作为优选，第一通气管道21与所述艇身10的头部一体成型，当然，为了提高第一通气管道的强度，在第一通气管道的四周设置加强筋等作为管道加固也是可以的（图中未示出），图8中只是一种简易结构，并不能作为对本发明的限制；第二通气管道22的结构设置与第一通气管道21的结构设置可以相同，在此不再赘述。

作为优选，所述第一通气管道21和所述第二通气管道22的直径d为：d=D/8~D/4，其中，D为飞艇艇身的最大直径处的直径。如此尺寸的设置，一方面保证了对太阳光聚光装置的面积，另一方面也可以充分地对太阳能电池进行对流冷却。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中轴通气聚光飞艇，包括艇身（10），其特征在于，

在艇身（10）的中轴上贯穿设置有通气通道（20）；

所述通气通道（20）包括第一通气管道（21）和第二通气管道（22）；所述第一通气通道（21）由飞艇的头部向艇身中部延伸，所述第二通气管道（22）由飞艇的尾部向艇身中部延伸；并且所述第一通气管道（21）与所述第二通气管道（22）同轴；

在艇身（10）的上部设置有透明蒙皮（30）；

在所述透明蒙皮区域下方设置有聚光器（50），所述聚光器（50）设置在所述第一通气管道（21）和所述第二通气管道（22）之间，所述聚光器（50）的对称面与所述透明蒙皮的对称面重合。

2.根据权利要求1所述的一种中轴通气聚光飞艇，其特征在于，在所述透明蒙皮的区域设置有菲涅尔透镜（31）。

3.根据权利要求2所述的一种中轴通气聚光飞艇，其特征在于，所述菲涅尔透镜（31）设置在透明蒙皮（30）的上表面或下表面。

4.根据权利要求2所述的一种中轴通气聚光飞艇，其特征在于，所述菲涅尔透镜（31）为波浪形菲涅尔透镜；

当所述菲涅尔透镜（31）设置在透明蒙皮（30）的上表面时，所述菲涅尔透镜（31）的波浪间距为1-10毫米；

当所述菲涅尔透镜（31）设置在透明蒙皮（30）的下表面时，所述菲涅尔透镜（31）的波浪间距为1-50厘米。

5.根据权利要求4所述的一种中轴通气聚光飞艇，其特征在于，所述菲涅尔透镜（31）设置在飞艇艇身上部最大直径前后设定范围内，所述透明蒙皮菲涅尔透镜（31）的张角范围为60°~120°。

6.根据权利要求2所述的一种中轴通气聚光飞艇，其特征在于，所述聚光器（50）为CPC聚光器。

7.根据权利要求6所述的一种中轴通气聚光飞艇，其特征在于，所述CPC聚光器的长度大于所述菲涅尔透镜（31）的长度。

8.根据权利要求1所述的一种中轴通气聚光飞艇，其特征在于，所述第一通气管道（21）和所述第二通气管道（22）的直径d为：

d=D/8~D/4，其中，D为飞艇艇身的最大直径处的直径。

9.根据权利要求2-5任一所述的一种中轴通气聚光飞艇，其特征在于，所述菲涅尔透镜（31）的焦距f取值为，1.05D≤f≤1.2D，其中，D为飞艇艇身的最大直径处的直径。

10.根据权利要求6或7所述的一种中轴通气聚光飞艇，其特征在于，所述CPC聚光器的底部平板位置设置光伏电池。

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