[發明專利]柔性形變對太陽能無人機光伏組件功率影響的計算方法

有效

• 申請號: 202110330673.3
• 申請日: 2021-03-26
• 公開（公告）號: CN113094809B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 李珺;陳森林;羅世彬;廖俊;陳錚;呂騫;凌霖雨
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F111/10;G06F119/06
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;米中業

1.一種柔性形變對太陽能無人機光伏組件功率影響的計算方法，包括如下步驟：

S1.獲取待分析無人機的參數信息；

S2.建立機翼沿翼展方向的柔性形變計算模型，并計算不同工況下機翼的柔性變形；具體為采用如下方程組作為機翼沿翼展方向的柔性形變計算模型：

式中θ為機翼彎曲角度；s為變形機翼弧長；Θ為廣義轉角；M(x)為梁上x截面處的彎矩；EI為梁的抗彎剛度；R(x)為梁上x截面處的曲率半徑；

然后，針對構建的柔性形變計算模型，采用有限元方法進行求解，將機翼沿展向離散為n個單元，第i單元局部坐標系下的單元平衡方程為：

式中l_i為第i單元的長度，Θ_i為第i單元兩個端點的廣義轉角，M_i為第i個單元兩個端點的廣義力；

S3.通過分析不同類型輻照的矢量方向，建立無人機光伏組件接收太陽能輻射量與機翼變形的關系模型；具體為太陽能無人機光伏組件接收的太陽能輻射總量的計算公式如下：

q＝q_h+q_s+q_r

式中q_h為光伏組件接收的太陽直接輻射量；q_r為光伏組件接收的云層與地面反射輻射量；q_s為光伏組件接收的大氣分子的散射輻射量；

然后將機翼發生柔性形變后機翼上的光伏組件分為若干個傾斜網格，分別計算每一個傾斜網格所接收的三種太陽能輻射量，然后累加起來計算整塊光伏組件的三種輻射量；

機翼上第i行第j列的傾斜網格的面積A_ij的計算公式為：

其中dx_ij為機翼上第i行第j列的傾斜網格沿翼展方向的邊長，f(y)為機翼上翼面曲線函數，dy_j為機翼上第i行第j列的傾斜網格沿翼型方向的邊長所對應的弦長；

光伏組件接收的太陽直接輻射量q_h的計算公式為：

式中m為機翼上單元格的總行數；n為機翼上單元格的總列數；α為太陽能電池板對太陽直射的吸收率；ω_p為太陽直射在傾斜網格上的投影系數；τ_h為大氣透射率；I_top為太陽直接輻射強度；為太陽光線矢量；為固體坐標系下傾斜網格的法向量在慣性參照系下的不同表達式；θ_DIP為h高度處的視角；θ_ele為當前時刻的太陽仰角；

光伏組件接收的大氣分子的散射輻射量q_s的計算公式為：

式中α_ij為第i行第j列的傾斜網格的平面法線與重力方向的夾角；I_s為大氣分子的散射輻射；

光伏組件接收的云層與地面反射輻射量q_r的計算公式為：

式中δ為云層與地面反射輻射照射到太陽電池外表面時太陽能電池輸出能量的指標；α_r為光伏組件對云層與地面反射輻射的吸收率；I_r為地面與云層的反射輻射；

S4.基于步驟S3建立的無人機光伏組件接收太陽能輻射量與機翼變形的關系模型，構建機翼柔性形變影響下的光伏組件輸出功率損失模型；

S5.對步驟S4構建的光伏組件輸出功率損失模型進行時間維度積分，從而得到任務周期內柔性形變引起的光伏組件能量輸出損失。

2.根據權利要求1所述的柔性形變對太陽能無人機光伏組件功率影響的計算方法，其特征在于步驟S4所述的構建機翼柔性形變影響下的光伏組件輸出功率損失模型，具體為采用如下算式計算太陽能無人機機翼未發生柔性形變時的光伏組件輸出功率P_m與無人機機翼發生柔性形變時的光伏組件輸出功率P_b：

式中η_SC為太陽能電池的轉換效率；τ_SC為太陽能電池陣列外部封裝層的透過率；q_j為機翼上沿翼型方向第j列的光伏組件的太陽能輻射總量；q_ij為機翼上第i行第j列的傾斜網格所在的光伏組件接收的太陽能輻射總量；A_j為機翼上沿翼型方向第j列的光伏組件所占的面積；

然后，采用如下算式計算太陽能無人機發生柔性形變的輸出功率損失

3.根據權利要求2所述的柔性形變對太陽能無人機光伏組件功率影響的計算方法，其特征在于步驟S5所述的對步驟S4構建的光伏組件輸出功率損失模型進行時間維度積分，從而得到任務周期內柔性形變引起的光伏組件能量輸出損失，具體為采用如下步驟計算輸出損失：

A.采用如下方程組作為一個飛行任務周期內，太陽能無人機沿正方形軌跡下飛行的光伏組件功率輸出模型：

式中P_bz為考慮機翼發生柔性形變情況下沿正方形軌跡飛行的無人機光伏組件輸出功率；q_ijk為第k個子周期內機翼上第i行第j列的傾斜網格所在的光伏組件接收的太陽能輻射總量；P_mz為未發生柔性形變時光伏組件的輸出功率；q_jk為第k個子周期內機翼上第j列光伏組件接收的太陽能輻射總量；周期定義為4個，第一個子周期內無人機自南向北飛，第二個子周期內無人機自東向西飛，第三個子周期內無人機自北向南飛，第四個子周期內無人機自西向東飛；

得到功率輸出損失百分比P_loss％的計算公式為

B.采用如下方程組作為一個飛行任務周期內，太陽能無人機沿圓形軌跡下飛行的光伏組件功率輸出模型：

式中P_by為考慮機翼發生柔性形變情況下無人機沿圓形軌跡下飛行的光伏組件輸出總功率；q_ijt為無人機飛行的第t個單位角度內機翼上第i行第j列的傾斜網格所在的光伏組件接收的太陽能輻射總量；P_my為未發生柔性形變時無人機沿圓形軌跡下飛行的光伏組件的輸出功率；q_jt為無人機飛行的第t個單位角度內機翼上第j列光伏組件接收的太陽能輻射總量；

得到功率輸出損失百分比P_loss％的計算公式為