太陽(yáng)能飛機(jī)用光伏組件面功率特性研究

太陽(yáng)能飛機(jī)用光伏組件面功率特性研究

太陽(yáng)能飛機(jī)能夠捕獲并連續(xù)運(yùn)營(yíng)超過(guò)給定高度（10.30km）的太陽(yáng)輻射能量，并在環(huán)境、邊境檢測(cè)和數(shù)據(jù)交換等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。太陽(yáng)能飛機(jī)的性能參數(shù)一般有可持續(xù)飛行高度、緯度、可持續(xù)飛行時(shí)間,以及任務(wù)載荷的重量及其功耗等。而這些性能參數(shù)均取決于太陽(yáng)能飛機(jī)機(jī)載光伏組件的面功率特性(包括逐時(shí)面功率和日均面功率特性)。由文獻(xiàn)可知,光伏組件面功率特性取決于3個(gè)因子:太陽(yáng)總輻射能量,光伏組件轉(zhuǎn)換效率以及太陽(yáng)光線在光伏組件外法向上的垂直分量比例,并均與之成正比。其中,太陽(yáng)總輻射能量與飛行高度、緯度及飛行季節(jié)直接相關(guān),而這些因素都是由頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)決定的。另外,光伏組件轉(zhuǎn)換效率受其基準(zhǔn)光電轉(zhuǎn)換率、表面溫度影響較大。表面溫度主要由大氣環(huán)境參數(shù)、光伏組件自身屬性以及太陽(yáng)總輻射能量等參數(shù)決定;而且基準(zhǔn)光電轉(zhuǎn)換率也屬于光伏組件自身屬性。所以,當(dāng)頂層設(shè)計(jì)指標(biāo)和光伏電池自身特性參數(shù)給定時(shí),從前面兩個(gè)因子著手較難改善光伏組件的面功率特性。眾所周知,垂直于光伏組件的光輻射能量能被最佳地吸收。一般情況下,在現(xiàn)有太陽(yáng)能飛機(jī)中,光伏組件只是簡(jiǎn)單的鋪設(shè)于大尺度機(jī)翼的上表面。忽略翼型上表面曲率、機(jī)翼安裝角等,這些光伏組件可以認(rèn)為是水平放置的,其外法向豎直向上。不管是在地面還是在高空環(huán)境,一天的光照時(shí)間內(nèi)和一年四季范圍內(nèi),太陽(yáng)光在豎直方向上的垂直分量比例差異性很大。但是,陸基的跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)用“高度角/方位角”跟蹤方式可以顯著提高此垂直分量的比例。借鑒這種思想,在太陽(yáng)能飛機(jī)上適當(dāng)增設(shè)非主升力面的翼面,并鋪設(shè)以光伏組件。這些光伏組件可沿機(jī)體軸的平行軸滾偏或者通過(guò)全機(jī)的航向偏轉(zhuǎn)以實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng),被稱為“主動(dòng)式光伏組件(TrackingPVModules,TPM)”,而這種跟蹤方式可稱為“滾偏/偏航”跟蹤方式。因此,本文將著力于建立適應(yīng)于不同飛行高度(高空)、緯度、一年四季的主動(dòng)/被動(dòng)式光伏組件的面功率模型;然后再基于此模型,對(duì)比研究日均直射、水平面功率隨飛行高度、緯度和季節(jié)的變化規(guī)律;接著,再研究采用“滾偏/偏航”跟蹤方式的主動(dòng)式光伏組件的面功率特性。最后,分析基于“主動(dòng)式光伏組件”的太陽(yáng)能飛機(jī)的“凈”面功率特性,并驗(yàn)證主動(dòng)式光伏組件在高空駐留太陽(yáng)能飛機(jī)上的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)。1光伏組件功率pm基于“主動(dòng)式光伏組件”的太陽(yáng)能飛機(jī)布局如圖1所示。其中,灰顯區(qū)皆為已鋪設(shè)光伏組件的翼面,深灰色區(qū)即為主動(dòng)式光伏組件,其可繞機(jī)體軸Obxb旋轉(zhuǎn)。圖1中:Oswz為地面坐標(biāo)系;Obxbybzb為機(jī)體坐標(biāo)系;ns為日-地連線上的單位矢量,由地心指向日心(相對(duì)于太陽(yáng)來(lái)說(shuō),地球、飛機(jī)及其光伏組件可視為同一點(diǎn));npm為光伏組件外法向單位矢量;αs為太陽(yáng)高度角,即ns與地平面sOw之間的夾角,變化范圍為0°～90°;γs為太陽(yáng)方位角,即ns在地平面上的投影線與正南方Os之間的夾角,以正南為0°,向西取正,向東取負(fù),變化范圍為-180°～180°,其中γs=180°等價(jià)于γs=-180°。由圖1可知,任意某塊光伏組件的逐時(shí)面功率κpm可表示為κpm=ηpmIscos〈ns,npm〉(1)式中:ηpm為光伏組件轉(zhuǎn)換效率;Is為太陽(yáng)總輻射度;cos〈ns,npm〉即為太陽(yáng)光在光伏組件外法向上的垂直分量比例。1.1太陽(yáng)輻射試驗(yàn)結(jié)果太陽(yáng)輻射特性由總輻射度Is與入射單位矢量ns兩者決定。忽略高空環(huán)境下的太陽(yáng)反射輻射度的貢獻(xiàn)(云層稀薄、雜質(zhì)微顆粒少等),Is僅為直接輻射度Idir和散射輻射度Idif之和。其中,直接輻射度Idir可表示為Ιdir=Ιs0exp(-csexp(-hhs)(sinαs+αdep1+αdep/90)ss+hhb)(2)Ιs0=Gs(1+0.033cos360nd365)(3)αdep=0.57+arccos[RE/(RE+h)](4)式中:Gs=1353W/m2為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)輻射常數(shù);Is0為一年中第nd天的大氣層外的太陽(yáng)輻射度;cs和ss均為常數(shù),各取為0.357和0.678;hb和hs均為常數(shù),各取為40km和7km;h為太陽(yáng)能飛機(jī)飛行高度;αdep為αs相對(duì)于地平面的修正值;RE為地球半徑,取為6356.8km。另外,散射輻射度Idif可表示為Idif=0.1356Idirρ(5)式中:ρ為飛行高度h所對(duì)應(yīng)的大氣密度。接下來(lái),由圖1可知,ns可由αs和γs表示:ns=[cosαscosγscosαssinγs-sinαs]T(6)而αs和γs可由當(dāng)?shù)鼐暥圈誰(shuí)at、太陽(yáng)赤緯角δs和太陽(yáng)時(shí)角θh決定:sinαs=sinφl(shuí)atsinδs+cosφl(shuí)atcosδscosθh(7){sinγs=cosδssinθhcosαscosγs=sinαssinφl(shuí)at-sinδscosαscosφl(shuí)at(8)δs=23.45sin(360nd+284365)(9)另外,太陽(yáng)時(shí)角θh與太陽(yáng)時(shí)Hs之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為θh=15(Hs-12),變化范圍為-180°～180°。而任何地區(qū)的太陽(yáng)時(shí)Hs可直接通過(guò)式(10)計(jì)算:{Ηs=Ηct-(φst-φl(shuí)ong)15+Et60Et=9.87sin(2Νd)-7.53cosΝd-1.5sinΝdΝd=360(nd-81)364(10)式中:Hct為當(dāng)?shù)冂姳頃r(shí)間;φst為制定Hct所采用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度;φl(shuí)ong為當(dāng)?shù)亟?jīng)度;Et為地球繞日公轉(zhuǎn)引起的Hs與Hct之間的修正值。1.2光伏組件鋪設(shè)角光伏組件鋪設(shè)于飛機(jī)上,npm可由飛機(jī)姿態(tài)角和光伏組件鋪設(shè)角決定,即npm=LgbLbpm[00-1]T(Lgb為機(jī)體坐標(biāo)系Obxbybzb到地面坐標(biāo)系Oswz的轉(zhuǎn)換矩陣;Lbpm為光伏組件本體坐標(biāo)系到機(jī)體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣)。與地面坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的飛機(jī)姿態(tài)角有偏航角ψb、俯仰角θb及滾轉(zhuǎn)角φb;與機(jī)體坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的光伏組件鋪設(shè)角有側(cè)偏角ψpm、仰角θpm及滾偏角φpm。ψb以正南為0°基準(zhǔn),機(jī)頭向東偏為負(fù),向西偏為正,ψpm以機(jī)體對(duì)稱面xbObzb為0°基準(zhǔn),光伏組件前緣右偏為正,左偏為負(fù);θb為體軸Obxb與地平面的夾角,θpm為光伏組件與機(jī)體平面xbObyb的夾角,均以機(jī)頭和前緣抬頭為正,低頭為負(fù);φb為飛機(jī)對(duì)稱面xbObzb與包含Obxb軸在內(nèi)的鉛垂平面之間的夾角,右滾為正,左滾為負(fù),φpm以機(jī)體平面xbObyb為0°基準(zhǔn),繞機(jī)體Obxb軸右滾為正,左滾為負(fù)。上述各角度變化范圍均為-180°～180°。太陽(yáng)能飛機(jī)在定常平飛時(shí),俯仰角θb與滾轉(zhuǎn)角φb近似取為0°;同時(shí),為了避免增大迎風(fēng)面積,鋪設(shè)于各翼面上的光伏組件側(cè)偏角ψpm可近似取為0°。所以,npm可表示為npm=-[cosψbsinθpmcosφpm+sinψbsinφpmsinψbsinθpmcosφpm-cosψbsinφpmcosθpmcosφpm](11)1.3光伏組件對(duì)大氣熱輻射與兩相系統(tǒng)的分析光伏組件轉(zhuǎn)換效率ηpm受其表面溫度影響較大,基本呈線性相關(guān),表面溫度越高,ηpm越低。式(1)中的ηpm可表示為ηpm=ηpm0[1+CΤ(Τs-Τs0)](12)式中:CT為光伏組件溫度系數(shù);Ts為光伏組件表面溫度;Ts0為測(cè)得光伏組件基準(zhǔn)光電轉(zhuǎn)換率ηpm0時(shí)的基準(zhǔn)表面溫度,一般取為298.15K。鋪設(shè)于翼面上的光伏組件與輕質(zhì)的機(jī)體結(jié)構(gòu)一般為點(diǎn)連接或者線連接,比如翼肋或者結(jié)構(gòu)框等,故暫忽略光伏組件和機(jī)體的接觸傳熱。在光伏組件表面附近的能量傳遞平衡關(guān)系式為{dΤsdt=˙Ein-˙Eoutmpmcp.pm=q″sun-q″e(cuò)lec-q″rad-q″convρpmcp.pmq″sun-q″e(cuò)lec=(αpm-ηpm)Ιscos?ns,npm?q″rad+q″conv=εpmσ(Τ4s-Τ4a)+kΝucpm(Τs-Τa)(13)式中:mpm、ρpm分別為光伏組件質(zhì)量及其面密度;cp.pm為光伏組件比熱值;˙Ein、E˙out分別為光伏組件吸收、釋放的總能量;q″sun、q″e(cuò)lec、q″rad和q″conv分別為光伏組件吸收的太陽(yáng)輻射流量、完成光電轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)輻射流量、與大氣之間的熱輻射流量和與空氣之間的對(duì)流熱流量(這里的輻射流量與面功率的量綱一致);αpm、εpm分別為光伏組件對(duì)光輻射和大氣熱輻射的吸收率;σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),取為5.67×108W/(m2·K4);Ta為大氣環(huán)境溫度;k為大氣熱傳導(dǎo)系數(shù);cpm為光伏組件所在翼面的當(dāng)?shù)貛缀蜗议L(zhǎng);Nu為努賽爾數(shù),由自然對(duì)流傳熱系數(shù)Nufre和強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)Nufor決定:Nu7/2=Nufre7/2+Nufor7/2(14)Νufre={0.825+0.387Ra1/6[1+(0.492/Ρr)9/16]8/27}2(15){Νufor=Ρr1/3[0.037(Re4/5-Rex4/5)+0.664Rex1/2]Rex=rlamRe(16)式中:rlam為當(dāng)?shù)匾砻娴膶恿鲄^(qū)域比例;Ra、Rex和Pr分別為瑞利數(shù)、當(dāng)?shù)匾砻娴睦字Z數(shù)和普朗特?cái)?shù),可表示為{Ra=gρ2(Τs-Τa)cpm3Τaμ2Re=cpmμ2ρCL?WSΡr=cp.aμk(17)式中:μ和CL分別為大氣動(dòng)力黏性系數(shù)和平飛升力系數(shù);W/S為太陽(yáng)能飛機(jī)翼載荷,W為太陽(yáng)能飛機(jī)的全機(jī)重量,S為機(jī)翼參考面積;cp.a為大氣比熱值,取為1004J/(kg·K)。式(16)的適應(yīng)條件:馬赫數(shù)Ma≤0.3,0.6≤Pr≤60.0,Rex≤Re≤108。因?yàn)樘?yáng)能飛機(jī)可利用的能量有限,飛行速度很小,平飛時(shí)的雷諾數(shù)很低(約為2×105～1×106),所以式(16)可以用于太陽(yáng)能飛機(jī)的光伏組件對(duì)流換熱分析。到此為止,已完成建立主動(dòng)/被動(dòng)式光伏組件的面功率模型。在下面的分析中,光伏組件相關(guān)參數(shù)將根據(jù)大多數(shù)太陽(yáng)能飛機(jī)使用的單晶硅電池而選定;太陽(yáng)能飛機(jī)相關(guān)參數(shù)將根據(jù)文獻(xiàn)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)給定,以使分析結(jié)果更具有參考價(jià)值,如表1所示。在這里,考慮到中國(guó)地域范圍,將選定緯度范圍0°N～50°N進(jìn)行研究。2同季節(jié)、同坡度、同季節(jié)、同政府條件、地震資料的pmh.a檢測(cè)在研究主動(dòng)式光伏組件的面功率特性之前,先分析日均直射面功率κpmp.a(Perpendicular)、日均水平面功率κpmh.a(Horizontal)以及忽略表面溫度影響的日均水平面功率κpmh0.a(即ηpm=ηpm0)。由式(1)和式(12)可知,κpmh0.a能表征太陽(yáng)日均輻射度。另外,κpmh.a與κpmp.a分別對(duì)應(yīng)著npm=[00-1]T與cos〈ns,npm〉=1。首先,取高度為20km,緯度分別為0°N、30°N及50°N,研究緯度和季節(jié)對(duì)κpmp.a、κpmh.a的影響,如圖2所示。由圖2可知,在同高度、同緯度及同季節(jié)時(shí),κpmp.a可以超出κpmh.a約45%～317%;而且緯度越高,離冬至日越近(北半球),超出的幅值越顯著。同時(shí),在中高緯度地區(qū),冬至日附近的κpmp.a基本上接近,甚至超過(guò)同緯度、同高度的夏至日附近的κpmh.a。這些都?xì)w因于,在中高緯度地區(qū),水平鋪設(shè)的光伏組件的外法向矢量與太陽(yáng)光入射矢量的夾角的余弦值偏小,導(dǎo)致其對(duì)太陽(yáng)能的捕捉能力不足。所以,要提高太陽(yáng)能飛機(jī)全年范圍內(nèi)的光伏組件面功率,特別是在中高緯度地區(qū),采用實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)的主動(dòng)式光伏組件是十分必要的。接下來(lái),分析飛行高度和季節(jié)對(duì)日均面功率(僅研究水平鋪設(shè)的光伏組件)和光伏組件表面溫度的影響。選定中緯度30°N,高度分別取10,20,30km,全年范圍內(nèi)的κpmh.a和κpmh0.a的變化趨勢(shì)如圖3所示。由圖3中的κpmh0.a可知,隨著飛行高度的增加,太陽(yáng)總輻射度Is逐漸增加。但是h=30km處的κpmh.a反而比h=20km和h=10km處的κpmh.a在全年范圍內(nèi)都要低。經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算,在全年任意一天,0°N～50°N內(nèi)的任意緯度下,κpmh.a和κpmp.a大致在高度11～20km范圍內(nèi)取極大值,而且此高度范圍內(nèi)κpmh.a和κpmp.a的量值基本持平,差別很小。分析其原因:由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣手冊(cè)可知,在11～20km范圍內(nèi),Ta恒為216.65K;在21～30km范圍內(nèi),?Ta/?h約為1K/km;在10～30km范圍內(nèi),?ρ/?h約為-0.85kg/(m3·km)。由式(17)可知,大氣密度持續(xù)減小導(dǎo)致決定對(duì)流系數(shù)的Re和Ra均減小,大部分光伏組件散熱量下降,再加上大氣溫度在21～30km范圍內(nèi)不減反增,致使光伏組件表面溫度逐漸升高,從而降低光伏組件轉(zhuǎn)換效率。另外,Is隨著高度增加的增幅在10～30km內(nèi)呈指數(shù)衰減。所以在某一高度下,當(dāng)ηpm減小量大于Is的增幅時(shí),光伏組件面功率特性惡化。33跟蹤方式pm上述的“滾偏/偏航”跟蹤方式具體包括3類:“滾偏+偏航”、“滾偏”、“偏航”。在一天范圍內(nèi),跟隨太陽(yáng)高度角αs和太陽(yáng)方位角γs的實(shí)時(shí)變化,“滾偏+偏航”跟蹤方式同時(shí)改變?chǔ)譩和φpm;“滾偏”跟蹤方式僅改變?chǔ)誴m,即改變?nèi)珯C(jī)氣動(dòng)布局參數(shù);“偏航”跟蹤方式僅改變?chǔ)譩,即改變飛機(jī)航向軌跡。在一天范圍內(nèi),中緯度取為30°N,飛行季節(jié)取冬至日附近,飛行高度取為20km,對(duì)比研究直射、水平以及上述3種跟蹤方式下的光伏組件逐時(shí)面功率,如圖4所示。圖4中,κpmt為主動(dòng)式光伏組件的逐時(shí)面功率;下標(biāo)1代表“滾偏+偏航”跟蹤方式,下標(biāo)2代表“滾偏”跟蹤方式,飛機(jī)偏航角ψb取為45°或-135°,下標(biāo)3代表“偏航”跟蹤方式,光伏組件滾偏角φpm取為45°。由圖4(a)可知,采用“滾偏+偏航”跟蹤方式能捕捉到最大光輻射能量,此時(shí)(κpmt)1與逐時(shí)直射面功率κpmp相等;另由圖4(b)可知,此跟蹤方式下的φpm緊隨αs、ψb緊隨γs變化,其角度關(guān)系如式(18)所示。當(dāng)采用“滾偏”與“偏航”跟蹤方式時(shí),在能量短缺最為嚴(yán)重的黎明時(shí)間段的逐時(shí)面功率,以及全天范圍內(nèi)的日均面功率都有一定程度的提高,具體跟蹤角度關(guān)系分別如式(19)與式(20)所示。經(jīng)作者進(jìn)一步驗(yàn)算,雖然在跟蹤狀態(tài)2、3中取特定的ψb與φpm,但這并不影響上述結(jié)論?！皾L偏+偏航”跟蹤:φpm和ψb的變化規(guī)律{φpm=αs-90°;ψb=γs+90°(-180°≤γs≤90°)φpm=90°-αs;ψb=γs-90°(90°≤γs≤180°)(18)“滾偏”跟蹤:φpm的變化規(guī)律φpm=arctan[(sinγscosψb-cosγssinψb)/tanαs](19)“偏航”跟蹤:ψb的變化規(guī)律(ψb=180°等價(jià)于ψb=-180°,且φpm=0°時(shí),(κpmt)3等價(jià)于κpmh){ψb=γs+90°(-180°≤γs≤90°,φpm<0°)ψb=γs-270°(90°≤γs≤180°,φpm<0°)(20a){ψb=γs+270°(-180°≤γs≤-90°,φpm>0°)ψb=γs-90°(-90°≤γs≤180°,φpm>0°)(20b)接下來(lái),分析一年四季中飛行季節(jié)的影響。同樣,取定飛行高度為20km,中緯度30°N,全年范圍內(nèi)的日均面功率特性如圖5所示。圖5中,κpmt.a為主動(dòng)式光伏組件的日均面功率;下標(biāo)1～3和曲線編號(hào)中的2～3均與圖4(a)中的各曲線代表的意義相一致。針對(duì)第2、第3種跟蹤方式,選取了多個(gè)ψb與φpm的組合,如圖5所示。圖中:a(2):ψb=0°or180°,b(2):ψb=±45°or±135°,c(2):ψb=±60°or±120°,d(2):ψb=±90°;a(3):φpm=±45°,b(3):φpm=±90°。由圖5可知,在全年范圍內(nèi),“滾偏+偏航”跟蹤方式能轉(zhuǎn)換全部太陽(yáng)輻射能量。與日均水平面功率κpmh.a相比,所有ψb的取值范圍內(nèi),“滾偏”跟蹤方式都能不同程度地提高日均面功率;當(dāng)ψb∈[-60°,60°]或者|ψb|∈[120°,180°]的區(qū)域內(nèi),機(jī)頭指向越靠近正南或者正北,飛行季節(jié)越靠近夏至日,日均面功率增加量越多;特殊的是,當(dāng)機(jī)頭指向正東或者正西時(shí),反而冬至日附近的日均面功率增加量越多,整個(gè)春冬季節(jié)的日均面功率基本持平。而對(duì)于“偏航”跟蹤方式來(lái)說(shuō),φpm=0°時(shí),日均面功率取極小值,而極大值對(duì)應(yīng)的φpm值取決于緯度φl(shuí)at?？傊?在一天的光照時(shí)間內(nèi)或者一年四季范圍內(nèi),采用上述3種“滾偏/偏航”跟蹤方式都能有效地提高光伏組件面功率特性。下面將這一思想運(yùn)用到實(shí)際太陽(yáng)能飛機(jī)布局設(shè)計(jì)中。4光伏組件逐時(shí)面功率與日光溫度關(guān)系根據(jù)文獻(xiàn)中所統(tǒng)計(jì)的太陽(yáng)能無(wú)人機(jī)“Helios”和“Zephyr”的布局形式和總體參數(shù),初步設(shè)計(jì)出一種基于“主動(dòng)式光伏組件”的太陽(yáng)能飛機(jī),如圖6(b)所示,稱為“B構(gòu)型”。圖6(a)中的太陽(yáng)能飛機(jī)沒有采用“主動(dòng)式光伏組件”,與“B構(gòu)型”形成對(duì)比,稱為“A構(gòu)型”。經(jīng)初步設(shè)計(jì),“A構(gòu)型”的全機(jī)翼載荷為40N/m2;“B構(gòu)型”的全機(jī)翼載荷為49.4N/m2,其中各可偏轉(zhuǎn)翼面的面密度為1.7kg/m2,各主動(dòng)式光伏組件驅(qū)動(dòng)控制器重量為6kg。另外,各翼面具體尺寸參數(shù)如表2所示。表2中的變量xfp為各翼面相對(duì)機(jī)翼前緣點(diǎn)的距離;機(jī)翼內(nèi)翼段為42m,由4個(gè)機(jī)身等分成3等份;各翼面均為平直機(jī)翼,尖削比均取為1,且無(wú)扭轉(zhuǎn);垂尾和“主動(dòng)式光伏組件”的兩側(cè)均鋪設(shè)有光伏組件。在這里,太陽(yáng)能飛機(jī)的升力與阻力中的誘導(dǎo)阻力由渦格法計(jì)算,阻力中的零升阻力由部件構(gòu)成法估算。根據(jù)表2中的布局參數(shù)由部件構(gòu)成法得出零升阻力系數(shù):“A構(gòu)型”與“B構(gòu)型”分別為0.01533與0.01936(可知增加“主動(dòng)式光伏組件”會(huì)降低全機(jī)氣動(dòng)效率)。在全機(jī)上布置渦格,機(jī)翼共288個(gè)格子,平尾共128個(gè)格子,垂尾共128個(gè)格子,“主動(dòng)式光伏組件”共576個(gè)格子,全機(jī)總共1120個(gè)格子。選定飛行高度為20km,全機(jī)升力系數(shù)CL為1.2,由渦格法計(jì)算出全機(jī)升阻比:“A構(gòu)型”為36.21,“B構(gòu)型”為32.241～32.287(φpm在-90°～90°范圍內(nèi)變化)。其中,“B構(gòu)型”偏轉(zhuǎn)“主動(dòng)式光伏組件”跟蹤太陽(yáng)時(shí),全機(jī)力矩和力平衡可由升降舵、方向舵和分布式螺旋槳實(shí)現(xiàn)。對(duì)于以能量為中心的太陽(yáng)能飛機(jī)來(lái)說(shuō),在此引入“凈面功率”的概念,即光伏組件轉(zhuǎn)換的能量與配平飛行消耗的能量之間的差值。光伏組件的“凈面功率”越高,說(shuō)明剩余能量越多,便能增加太陽(yáng)能飛機(jī)的任務(wù)載荷重量及其功耗、飛行高度,或者緯度區(qū)域等,提高飛行性能。將太陽(yáng)能飛機(jī)多塊機(jī)載光伏組件的逐時(shí)面功率累加,可得全機(jī)光伏組件逐時(shí)面功率κpm.tot:κpm.tot=1S∑iΝpm(κpmSpm)i(21)式中:Npm為光伏組件總塊數(shù);Spm為每塊光伏組件的平面面積。另外,太陽(yáng)能飛機(jī)的全機(jī)逐時(shí)面功耗可表示為κlev=2ρCL?(WS)1.5LDηp(22)式中:L/D為全機(jī)升阻比;ηp為動(dòng)力系統(tǒng)組合效率,由前面“A構(gòu)型”與“B構(gòu)型”的升阻比特性分析可知,對(duì)于這兩個(gè)方案,可以近似取相同的ηp,由文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)值暫取為0.72。因此,全機(jī)光伏組件的逐時(shí)凈面功率可表示為κnet=κpm.tot-κlev(23)與前面類似,將一天24h范圍內(nèi)的κnet疊加平均后可得日均凈面功率κnet.a。接下來(lái),分析基于“主動(dòng)式光伏組件”的太陽(yáng)能飛機(jī)的日均凈面功率特性。跟蹤方式與上述3種類型相同,緯度分別取為0°N和30°N,如圖7所示。圖7中,曲線“●”代表“A構(gòu)型”,無(wú)“主動(dòng)式光伏組件”;曲線“▲”代表“B構(gòu)型”,其“主動(dòng)式光伏組件”的φpm取為±90°,且固定不偏轉(zhuǎn),充當(dāng)垂尾的作用;曲線“1～3”與圖4～圖5中的下標(biāo)“