可自主重构的飞艇的能源系统和飞艇

技术领域

本发明涉及飞行器的光伏能源技术领域，尤其涉及一种可自主重构的飞艇的能源系统和飞艇。

背景技术

近年来，以太阳能飞机、飞艇(如平流层飞艇)和高空气球为主的平流层飞行平台得到讯速发展。相较于太阳能飞机和高空气球，飞艇兼具机动性、可操控性和长时高度保持能力，同时具有以上两种飞行器不具备的大载荷能力，更适用于执行区域驻留、对地监测和通信中继等任务。飞艇为满足长航时飞行要求，需要通过循环能源系统持续为艇载电系统和推进系统供电，循环能源系统的供电能力和供电稳定性对于提升飞艇的抗风能力和延长其航时至关重要。

辐照分布不均匀导致的失配损失会严重影响光伏阵列输出功率，严重的会产生局部热斑导致太阳能电池板烧蚀。对于地面光伏系统，随机阴影是造成不均匀辐照的主要因素；但对于光伏阵列，由于太阳能电池板是沿艇体表面随形布置的，整体为一个曲面，每个时刻不同位置处的辐照强度均不同，因此失配损失是持续存在且时变的，这会严重降低光伏阵列的输出功率，导致飞艇抗风驻留和机动能力减弱。如何通过拓扑结构优化消除失配损失对于光伏阵列输出功率的影响是提升循环能源系统的供电能力和供电稳定性是关键问题，目前此问题和解决方案尚未被提出。

发明内容

本发明提供一种可自主重构的飞艇的能源系统和飞艇，以有效解决光伏阵列的失配损失问题，可消除失配损失导致的光伏阵列输出功率下降以及P-V曲线多MPP点对于MPPT算法的误导效应。

第一方面，提供了一种可自主重构的飞艇的能源系统，包括：

光伏阵列，包括阵列排布在飞艇的表面的多个光伏组件，所述多个光伏组件的形状适配于所述飞艇的表面；

重构计算模块，用于获取所述飞艇的飞行状态和所述光伏阵列上的辐照强度，根据所述飞行状态和所述辐照强度，计算所述光伏阵列的重构串并联结构；其中，所述光伏阵列重构后的串并联结构中任一行的光伏组件的总辐照强度和其他行的光伏组件的辐照强度的差值不大于预设差值阈值；

重构控制模块，与所述重构计算模块连接，用于根据所述光伏阵列的重构串并联结构，生成串并联构建电路的重构信号；

串并联构建电路，与所述光伏阵列中的各所述光伏组件相连，用于响应所述重构信号构建所述光伏阵列中光伏组件的串并联结构。

上述方案中，所述串并联构建电路包括与所述光伏组件一一对应的多个开关组件，各所述开关组件连接在光伏组件与所述重构控制模块之间，所述串并联构建电路根据所述重构信号控制各开关组件的连接关系。

上述方案中，所述开关组件包括第一开关、第二开关和复合开关触点；所述第一开关与所述光伏组件的正极相连，所述第二开关与所述光伏组件的负极相连，所述复合开关触点包括多个正极触点和多个负极触点以及一个公共触点；所述第一开关和所述第二开关分别响应所述重构信号与所述复合开关的不同触点的连接，构建所述光伏组件重构后的串并联结构。

上述方案中，所述复合开关触点的数量与最大串联的光伏组件电路中所述光伏组件的数量正相关，其中，所述复合开关触点的数量为2X+1，包括X个正极触点，X个负极触点和1个正负极公共触点，最大串联的光伏组件电路中所述光伏组件的数量为X。

上述方案中，所述串并联构建电路与所述光伏组件通过功率输出线缆相连。

上述方案中，所述飞艇的能源装置还包括储能电池组，所述储能电池组与所述串并联构建电路相连，所述储能电池组和所述串并联构建电路之间连接有DC/DC变换器。

上述方案中，所述DC/DC变换器与所述串并联构建电路通过供电通信复合线缆相连。

上述方案中，所述重构计算模块，用于以预设周期获取太阳辐照强度和飞艇的飞行状态；

将当前周期的所述太阳辐照强度与上一周期的所述太阳辐照强度进行差异对比，将当前周期的所述飞行状态与上一周期的所述飞行状态进行差异对比；

如果所述太阳辐照强度进行差异对比结果大于预设的第一阈值和/或所述飞行状态的差异对比结果大于第二预设阈值，则根据当前周期的所述太阳辐照强度，计算所述光伏阵列的所述光伏组件的重构串并联结构，生成重构控制模块的控制指令。

上述方案中，所述重构优化后的光伏阵列的P-V曲线呈现单MPP点特性。

第二方面，提供了一种飞艇，包括：

飞艇本体；

所述飞艇本体上设有：

辐照强度采集模块，用于采集光伏组件上的辐照强度；

组合惯导，用于采集飞艇的飞行状态；

以及，上述的可自主重构的飞艇的能源系统。

上述可自主重构的飞艇的能源系统和飞艇所实现的方案中，可以通过重构计算模块，根据所述飞行状态和所述辐照强度，计算所述光伏阵列的重构串并联结构，该重构结构使光伏阵列有最优的输出功率，即所述光伏阵列重构后的串并联结构中任一行的光伏组件的总辐照强度和其他行的光伏组件的辐照强度的差值不大于预设差值阈值，然后，重构控制模块根据所述光伏阵列的重构串并联结构，生成串并联构建电路的重构信号，最后串并联构建电路响应所述重构信号构建所述光伏阵列中光伏组件的串并联结构。从而实现了光伏阵列的输出特性为当前状态最优，即失配损失最小化。在本发明中，飞艇的能源系统能够根据当前太阳辐照强度、当前飞艇的飞行状态和阵列重构优化确定重构控制模块的控制指令，并根据该控制指令生成串并联构建电路的重构信号，根据该重构信号控制光伏组件组成最佳的串联或并联结构。通过重构控制模块实现光伏阵列简单、准确、快速的重构，以使输出功率达到最佳状态，且阵列的P-V曲线呈现单MPP点特性。

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的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中一种可自主重构的飞艇的能源系统的结构框图；

图2是本发明一实施例中一种可自主重构的飞艇的能源系统的重构模块的电路连接结构示意图；

图3是本发明一实施例中一种可自主重构的飞艇的能源系统的光伏阵列的重构前和重构后比对的TCT结构的电路连接示意图；

图4是本发明一实施例中一种飞艇的一结构示意图；

附图标识说明：

飞艇本体101、光伏阵列102、光伏组件1021、重构计算模块103、光伏阵列重构模块104、供电通信复合线缆105、飞艇吊舱106、辐照强度采集模块107、组合惯导108、DC/DC变换器201、储能电池组202、负载203、重构控制模块301、正极母线302、负极母线303、复合开关触点304、第二开关305、第一开关306。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结果或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

飞艇搭载的光伏阵列是曲面太阳能阵列，铺设面积大，曲率也较大，在同一时刻，各位置处接收到辐照强度差异很大，类似于地面光伏阵列的局部阴影，区别在于光伏阵列的“局部阴影”持续存在，且随着飞艇姿态角的变化，“局部阴影”的特性也随之变化。这种“局部阴影”不仅会影响阴影中光伏组件的输出功率，同时会导致其他组件的输出功率降低，这被称为“失配损失”效应。“失配损失”会大幅降低光伏阵列的输出功率，同时会导致P-V曲线呈现多MPP点特性，这也会对MPPT搜索算法带来挑战，易使MPPT搜索算法陷入局部最优，进而导致光伏阵列输出功率进一步下降。通过下述实施例中的光伏阵列串并联重构则可以解决以上问题。

请参阅图1至3所示，图1为本发明实施例提供的一种可自主重构的飞艇的能源系统，包括：光伏阵列102、重构计算模块和光伏阵列重构模块104，该光伏阵列重构模块104包括重构控制模块301和串并联构建电路。

光伏阵列102，包括阵列排布在飞艇的表面的多个光伏组件1021，多个光伏组件1021的形状适配于飞艇的表面；

重构计算模块，用于获取飞艇的飞行状态和光伏阵列102上的辐照强度，根据飞行状态和辐照强度，计算光伏阵列102的重构串并联结构；其中，光伏阵列重构后的串并联结构中任一行的光伏组件1021的总辐照强度和其他行的光伏组件1021的辐照强度的差值不大于预设差值阈值；

重构控制模块301，与重构计算模块连接，用于根据光伏阵列102的重构串并联结构，生成串并联构建电路的重构信号；

串并联构建电路，与光伏阵列102中的各光伏组件1021相连，用于响应重构信号构建光伏阵列102中光伏组件1021的串并联结构。

其中，光伏阵列102包括阵列排布在飞艇的囊体表面的多个光伏组件1021，多个光伏组件1021的形状适配于飞艇的囊体表面，即光伏阵列102包括多个沿艇体随形排布的光伏组件1021。

其中，飞行状态包括俯仰角、偏航角、滚转角、地速等信息。

可以理解的是，飞艇的飞行状态可以通过飞艇自带的组合惯导108装置得到的，光伏阵列102上的辐照强度可以是通过安装在飞艇上的辐照强度采集装置得到的。也可以是第三方对飞艇的监控获取的飞艇的飞行状态和太阳辐照强度，即重构计算模块从第三方获取飞行状态和辐照强度。

可以理解的是，在这里光伏阵列102的串并联结构是光伏组件1021的电气连接结构，而不是光伏阵列102中光伏组件1021的物理位置。重构光伏阵列102采用TCT结构(一种全连接结构，Total Cross Tied)。TCT结构中，若不同行中的总辐照度和电流都是接近的，那么光伏阵列102的输出功率可达到最大。这个原理被称为TCT构型光伏阵列102的“辐照度均衡”(irradiance equalization)准则。因此，TCT构型的太阳能电池阵列重构的主要目标为将每一行的可用功率进行均衡，即通过调整每行的光伏组件1021位置(电气位置)避免失配损失。最优重构矩阵的标准：在TCT拓扑结构中，矩阵维度为m行n列，则最优辐照矩阵为m行的行辐照度之和的最大值和最小值差值最小，即行辐照度之和的均一度最佳。

其中，重构计算模块根据飞行状态和辐照强度确定光伏阵列102的重构串并联结构，该重构串并联结构要满足上述的最优重构矩阵的标准，即光伏阵列重构后的串并联结构中任一行的光伏组件1021的总辐照强度和其他行的光伏组件1021的辐照强度的差值不大于预设差值阈值。在这里，最好的情况是各行光伏组件1021的辐照强度没有差值，但是可能做不到，故只要控制差值在预设差值阈值范围内即可，预设差值阈值可以根据实际情况(经验)确定。

在一些实施例中，如图2所示，串并联构建电路包括与光伏组件1021一一对应的多个开关组件，各开关组件连接在光伏组件1021与重构控制模块301之间，串并联构建电路根据重构信号控制各开关组件的连接关系。

其中，每个光伏组件1021分别对应一个开关组件，从而，每个光伏组件1021可以单独控制，即光伏阵列102的串并联拓扑可以灵活配置。

在一些实施例中，如图2所示，开关组件包括第一开关306、第二开关305和复合开关触点304；第一开关306与光伏组件1021的正极相连，第二开关305与光伏组件1021的负极相连，复合开关触点304包括多个正极触点和多个负极触点以及一个公共触点；第一开关306和第二开关305分别响应重构信号与复合开关的不同触点的连接，构建光伏组件1021重构后的串并联结构。

其中，每个光伏组件1021正极输出端均连接一个第一开关306(正极开关)，负极输出端均连接一个第二开关305(负极开关)，第一开关306和第二开关305均为单刀多掷开关，通过第一开关306(正极开关)和第二开关305(负极开关)在复合开关触点304上的切换实现光伏组件1021在正极母线302和负极母线303之间任意行的切换。若光伏组件1021总数为N，则开关矩阵使用的开关总数为2N。此设计在满足光伏组件1021任意行切换的同时，使用的总开关数最少，重构装置复杂度和重量最低，且装置体积可压缩至最小，易于在飞艇本体上搭载。

在一些实施例中，根据复合开关触点304的数量与最大串联的光伏组件1021电路中光伏组件1021的数量正相关，其中，复合开关触点304的数量为2X+1，包括X个正极触点，X个负极触点和1个正负极公共触点，最大串联的光伏组件1021电路中光伏组件1021的数量为X。

其中，复合开关触点304数量由光伏阵列102的组件串联数决定，若串联组件数为X，则开关触点数为2X+1。图3中光伏阵列102串联数为4则复合开关触点304的数量为7，其中的前3触点为正极触点，后3触点为负极触点，中间触点为正负极公用触点，触点编号依序为1～7。重构控制模块301通过通讯线缆获得重构计算模块103得到的最优配置控制信号，将信号解算为每个光伏组件1021正负极对应的控制信号，通过内部通讯线缆，将控制信号传递给正极开关和负极开关，通过开关与对应触点的连接实现光伏组件1021在阵列中任意行间地移动-。例如通过计算的光伏组件1021应移动至光伏阵列102的第三行，则重构控制模块301输出的光伏组件1021开关控制量为[3，4]。

在一应用场景中，如图3所示，光伏阵列102的TCT结构有的行数为4，在这种情况下，有5根母线，复合开关触点304的每个触点都和一根母线相连(一个复合开关的多个触点可能与同一根母线相连)，通过第一开关306和第二开关305分别与复合开关触点304的不同触点接触，实现光伏组件1021在不同行切换。如图3中，光伏组件1021上的数字(820、700、800、500、440等)是指光伏组件1021的辐照强度，例如，串并联结构重构之前，辐照强度为820W/m

在一些实施例中，串并联构建电路与光伏组件1021通过功率输出线缆相连。

其中，艇载光伏阵列102中的各光伏组件1021通过功率输出线缆与串并联构建电路直连，串并联构建电路的功率输出端通过供电通讯复合线缆105连接至飞艇吊舱106内的逆变器为艇载设备供电。

在一些实施例中，飞艇的能源装置还包括储能电池组202和DC/DC变换器201，储能电池组202通过DC/DC变换器201与串并联构建电路相连。

其中，串并联构建电路的输出端通过供电通信复合线缆105输出至位于飞艇吊舱106中的DC/DC变换器201，通过DC/DC变换器201进行变压输出，通过高压母线实现为负载203的供电，并将多余电能储存于储能电池组202中。

在一些实施例中，飞艇本体的光伏装置还包括储能电池组202，储能电池组202与光伏阵列重构模块104的输出端相连，用于存储光伏阵列102输出的电能。

其中，串并联构建电路的输出端通过供电通信复合线缆105输出至位于飞艇吊舱106中的DC/DC变换器201，通过DC/DC变换器201进行变压输出，通过高压母线实现为负载203的供电，并将多余电能储存于储能电池组202中。

在一实施例中，重构计算模块103，用于以预设周期获取太阳辐照强度和飞艇本体的飞行状态；

将当前周期的太阳辐照强度与上一周期的太阳辐照强度进行差异对比，将当前周期的飞行状态与上一周期的飞1行状态进行差异对比；

如果太阳辐照强度进行差异对比结果大于预设的第一阈值和/或飞行状态的差异对比结果大于第二预设阈值，则根据当前周期的太阳辐照强度，当前周期的飞行状态和当前周期预设的光伏阵列102的输出特性曲线，生成重构控制模块301的控制指令。

其中，当重构计算模块103检测到飞艇姿态角发生大幅变化或随飞行时间推进辐照强度发生变化后，则会重复进行以上过程，持续输出最优控制信号至串并联构建电路并进行实时开关阵列重构操作，完成光伏阵列102实时拓扑结构更新，保证光伏阵列102实时处于最优输出状态。

例如，飞艇本体的航向角短时改变90°或当地时间从上午10：00至12：00，导致光伏组件1021最优串并联结构变化。

如此，可以根据实际场景，通过串并联构建电路控制光伏组件1021之间的连接关系实现光伏组件1021的串联、并联的拓扑结构，从而使得光伏阵列102的光伏组件1021能够充分利用，使光伏阵列102有最优串并联配置，输出功率达到最佳状态。

在一实施例中，重构优化后的光伏阵列102的P-V曲线呈现单MPP点特性，理论输出功率最大。

可见，在上述方案中，重构计算模块将飞艇的飞行状态和光伏阵列102的辐照强度数据作为输入，通过优化程序计算得到光伏组件1021的最优串并联配置，并将最优串并联配置通过通信复合线缆传输至光伏阵列重构模块104。光伏阵列重构模块104对最优串并联配置进行解算，并完成内部开关矩阵的切换操作。多个光伏组件1021功率输出端通过功率线缆与光伏阵列重构模块104输入端连接，光伏组件1021的串并联拓扑结构随着当光伏阵列重构模块104内部的开关阵列切换完成拓扑结构更新。此时的艇载光伏阵列102即为当前飞艇飞行状态下的最优串并联配置，输出功率达到最佳状态，且阵列的P-V曲线呈现单MPP点特性。通过上述方案中的能源系统可解决在飞艇飞行过程中光伏阵列102因辐照分布不均匀产生的“失配损失”，提高光伏阵列102的整体输出能力和输出稳定性，并优化阵列的输出特性，消除P-V曲线中的多MPP点效应和对MPPT搜索算法的误导；该重构装置仅使用有限个单刀多掷开关即可实现任意光伏组件1021的排列和重组，电路和结构设计简洁，不需要额外的大型动部件增加能源系统的复杂度，同时付出的重量代价最小，可有效提升飞艇本体循环能源系统的供电能力。若部分光伏组件1021发生故障，还可通过重构系统对故障模组进行再配置或隔离，进一步提高循环能源系统的可靠性和鲁棒性。

请参阅图4所示，图4为本发明实施例提供的一种飞艇，包括：

飞艇本体101；

飞艇本体101上设有：

辐照强度采集模块107，用于采集光伏组件1021上的辐照强度；

组合惯导108，用于采集飞艇的飞行状态；

以及，上述的可自主重构的飞艇的能源系统。

其中，光伏阵列102随形布置于飞艇本体101的囊体上表面，辐照强度采集模块107布置在光伏阵列102中部，用于监测太阳辐照强度变化。光伏阵列重构模块104布置于光伏阵列102前部，光伏阵列102中的各光伏组件1021通过功率输出线缆与光伏阵列重构模块104直连，光伏阵列重构模块104的功率输出端通过供电通讯复合线缆连接至飞艇吊舱106内的逆变器为艇载设备供电。组合惯导108和重构计算模块103布置于飞艇吊舱106内，组合惯导108用于获得飞艇本体101的飞行状态，飞行状态包括俯仰角、偏航角、滚转角、地速等信息。重构计算模块103用于接收和发送飞艇各设备的数据。

辐照强度采集模块107通过供电通信复合线缆105将电压信号传输至重构计算模块103解算为数字信号。组合惯导108将俯仰角、偏航角、滚转角等姿态角信息通过通讯线缆传输至重构计算模块103。重构计算模块103将以上两设备获得的数据作为输入，通过机载优化程序获得光伏组件1021的最优串并联配置，并将最优控制信号通过通信复合线缆传输至串并联构建电路。串并联构建电路对控制信号进行解算，并完成内部开关矩阵的切换操作。多个光伏组件1021功率输出端通过功率线缆与串并联构建电路输入端连接，光伏组件1021的串并联拓扑结构随着当串并联构建电路内部的开关阵列切换完成拓扑结构更新。此时的光伏阵列102即为当前飞艇飞行状态下的最优串并联配置，输出功率达到最佳状态，且阵列的P-V曲线呈现单MPP点特性。串并联构建电路的输出端通过供电通信复合线缆105输出至位于飞艇吊舱106中的DC/DC变换器201，通过DC/DC变换器201进行变压输出，通过高压目前实现为负载203的供电，并将多余电能储存于储能电池组202中。

可以理解的是，本实施例飞艇的技术方案包括上述能源系统，因此，本实施例中的飞艇包括上述可自主重构的飞艇的能源系统的全部优点。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。