光伏半懸浮載人飛行吊籃設(shè)計(jì)
——新能源創(chuàng)新應(yīng)用之六

趙 森，馬 帥，馬 騰，劉澤清，王昌盛，孫博軒，李建紅

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原030024；2.青島工學(xué)院，山東 青島266399；3.山西澤清鑫新能源科技有限公司，山西 太原030002）

1 結(jié)構(gòu)與控制電路設(shè)計(jì)

1.1 裝置外形結(jié)構(gòu)

軌道由2根粗約D12～16 cm的鋼管配置，飛行吊籃整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。吊籃為D160 cm×210 cm的錐柱形，太陽(yáng)能板尺寸為100 cm×200 cm×3 cm，位于鋼管兩側(cè)，每塊光伏板的功率為300 W。其核心部分是吊籃主體及上方螺旋槳，螺旋槳葉片尺寸為D200 cm×30 cm，其構(gòu)形與轉(zhuǎn)向決定吊籃的行進(jìn)方向，轉(zhuǎn)速?zèng)Q定其行進(jìn)速度。運(yùn)行時(shí)吊籃升起，鋼管軌道不承重（斷電時(shí)承重）。為安全起見(jiàn)，行進(jìn)速度不超過(guò)3 m/s。

圖1 飛行吊籃整體結(jié)構(gòu)

裝置機(jī)械骨架如圖2所示。支撐立柱直徑為30 cm，間距2 m；橫管直徑為20 cm，下附10 mm直角三角形鋼板；灰色部分為光伏板支架，輕質(zhì)鋁合金材料。每組支柱間距20～50 m不等，視道路寬度決定。

圖2 裝置機(jī)械骨架示意圖

1.2 運(yùn)行控制電路

正反轉(zhuǎn)控制接線如圖3所示。

圖3 正反轉(zhuǎn)控制接線圖

如圖3所示，SB2與SB3為前進(jìn)與后退按鈕，自鎖與互鎖功能具備，SB1為停車(chē)按鈕。為安全起見(jiàn)，欲改變行進(jìn)方向，必須先停車(chē)。

2 電機(jī)及其運(yùn)行操作

螺旋槳電機(jī)為36 V、3 kW直流無(wú)刷電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)影響，在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無(wú)刷電機(jī)是將同步電機(jī)加上電子式控制（驅(qū)動(dòng)器），控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期接近直流電機(jī)特性。也即直流無(wú)刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。設(shè)定運(yùn)行速度為0～10 000 r/min可調(diào)。

固定在軸上的2個(gè)限位圓柱塊間隔不超過(guò)20 cm，確保運(yùn)行升降幅度在5 cm左右，且與軌道是柔性接觸。為了確保吊籃能順利半懸浮，吊籃自重與載人的總質(zhì)量不超過(guò)300 kg。一般要求只載2個(gè)大人，或三口之家可以加1個(gè)小孩。

操控可以由乘坐人員自主執(zhí)行，專設(shè)前進(jìn)、停止、后退及緊急呼叫4個(gè)按鍵，啟動(dòng)和停止時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音通告，由維修工人獨(dú)立維修按鍵，只能由鑰匙打開(kāi)。

3 電池與光伏能量

軌道左右兩側(cè)的光伏板只要超過(guò)10塊，就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。50 m的路程就可以有50塊，足可達(dá)到所需能量的5倍，也足以給電池組充電。電池?cái)M采用三元鋰電池組，吊籃內(nèi)只放置100 AH的一組，其他數(shù)百AH的電池組擱置在地面由導(dǎo)線與電機(jī)連接。一般一個(gè)吊籃400AH足可以。

僅光伏能量滿足一個(gè)50 m距離的吊籃連續(xù)運(yùn)行8 h不成問(wèn)題，為確保任何情況下都能運(yùn)營(yíng)，建議最好與輸電網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)運(yùn)行，還可以免去地面電池組。

4 實(shí)施措施建議

本裝置雖已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室做過(guò)小型模擬運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，但是為了確保載人后能穩(wěn)定運(yùn)行，最好在吊籃下部像飛機(jī)一樣設(shè)置一個(gè)直徑約50 cm的風(fēng)洞，并安置2個(gè)風(fēng)機(jī)保證風(fēng)洞的導(dǎo)向與驅(qū)動(dòng)力。帶導(dǎo)向風(fēng)洞的裝置端面如圖4所示。

圖4 帶導(dǎo)向風(fēng)洞的裝置端面

5 螺旋槳牽引力估算

基本參數(shù)：螺旋槳直徑D=2.0 m，漿寬度r=0.3 m，螺距d=0.55 m，轉(zhuǎn)速ω=8.7 rad/s，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為1，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0.5。

拉力（kg）=直徑（m）×螺距（m）×漿寬度（m）×轉(zhuǎn)速2（弧度/s）×大氣壓力（1）（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）×經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（0.5）。

拉力F=2.0×0.55×0.3×（8.7×8.7）×1×0.5=12.5 kg，顯然有些小。

P=FV=mgv（m=300 kg，g取9.8 m/s2）。

風(fēng)洞內(nèi)2個(gè)風(fēng)機(jī)的功率各設(shè)定為1 kW，就足以驅(qū)動(dòng)吊籃以0.68 m/s的速度行進(jìn)。

6 應(yīng)用前景

它的優(yōu)點(diǎn)是完全使用了可再生清潔能源，不僅具有遮陽(yáng)擋雨的功效，而且可以提高景區(qū)或市區(qū)交通的檔次，社會(huì)效益遠(yuǎn)大于經(jīng)濟(jì)效益。

可以在景區(qū)代替索道纜車(chē)，也可以作為城市高架過(guò)街通道，還可以作為樓宇載人穿行通道，或作為消防專用通道使用，甚至可以作為徐徐飛行的兒童娛樂(lè)器械使用。

作為城市高架過(guò)街通道使用，最少需要舉高5 m以上，上下行部分也完全可由光伏能量完成提升和降落，需要設(shè)置往返行2條通道。