一种太阳能飞艇再生能量实时预测和能量动态分配方法

摘要

本发明公开了一种太阳能飞艇再生能量实时预测和能量动态分配方法，包括三个方法，方法1.1、方法1.2和方法1.3。方法1.1，根据实时测量的太阳直接辐射值，结合太阳直接辐射模型预测未来一段时间内太阳能飞艇再生的能量；方法1.2，根据飞艇任务的耗能负载、可能的运行时间来确定任务价值度；方法1.3，结合未来某一时间段内飞艇再生的能量值和任务价值度来动态分配飞艇能量，使得飞艇能量得到最有效的利用。本发明能够实现飞艇能量的实时合理分配。

说明书

技术领域

本发明涉及平流层飞艇能量动态分配方法，具体涉及一种太阳能飞艇再生能 量实时预测和能量动态分配方法。

背景技术

高空平台指的是距离地表17—22KM的一个平台，主要指的是充氦气飞艇。 高空平台一般具有廉价、延迟小、易于部署等优点最近几十年作为人类研究的热 点，在自然灾害监测、地面应急通信和气象监测等方面发挥了很重要的作用。

由于飞艇所处环境的特殊性，其能量主要来源于太阳直接辐射，因为太阳直 接辐射受时间、季节等外部因素的影响，导致飞艇接受能量时不稳定、有限，所 以如何合理解决其能量分配关系着整个系统的正常高效运行。现有的飞艇能源分 配方案中大部分比较模糊，没有从飞艇能源来源不断的动态实时变化和飞艇执行 任务所需要能源的实时动态变化去考虑，比如方丽娟在“平流层飞艇多能源的优 化管理系统”利用有限状态机根据能需和能源的状态分配能量，没有考虑能源未 来一段时间能够再生多少能量，她只考虑了能需大小，而没有从任务的价值度方 面考虑任务执行对飞艇系统的重要性。比如林星春的“基于小波网络的次日太阳 逐时总辐射预测技术研究”，他解决了太阳总辐射逐时的预测，但是没有充分利 用实际中太阳实时再生的辐射值作为实时预测的依据。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种太阳能飞艇再生能量实时预测和能量动态分配 方法，用以实现飞艇能量的实时合理分配。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种太阳能飞艇再生能量实 时预测和能量动态分配方法，其特征是所述方法包括下列三个方法，方法1.1、 方法1.2和方法1.3：

1.1、基于太阳直接辐射模型的一种实时预测未来一段时间内太阳所产生直接 辐射能量的方法，该方法根据实时测量的太阳直接辐射值，并综合利用太阳直接 辐射模型来进行预测；

1.2、基于飞艇任务价值度决定飞艇能量分配次序的方法，该方法通过飞艇任 务的耗能负载、可能的任务开始时间和结束时间这三个因素来确定任务价值度；

1.3、通过实时预测太阳能飞艇再生能量和任务价值度建立飞艇能量动态分配 方法。

而方法1.1包括以下步骤：

步骤1：利用太阳直接辐射模型计算出一天中太阳从日出到日落中每个时间 点所再生的太阳理论直接辐射值，通过最小二乘法进行拟合回归，得到这一天每 个时间点的太阳直接辐射值的计算式f(x)＝a*x²+b*x+c，其中x作为未来一个 时间点，a，b，c为计算式的系数；

步骤2：利用一个时间点实时测量的太阳直接辐射值和这个时间点通过多项 式计算出的理论值相除产的比值作为修正系数η，通过此方法对未来一个时间点 的实时测量值和预测值每隔T分钟修改一次修正系数η，得到实时预测模型 g(x)＝η*(ax²+bx+c)；

步骤3：利用y＝(λ_t*A_p)((1/3at₂³+1/2bt₂²+ct₂)-(1/3at₁³+1/2bt₁²+ct₁))预测飞艇 未来一段时间内的再生的能量值y，其中t₁，t₂代表这一段时间的开始和结束，λ_t代表飞艇太阳能电池的转换效率，A_p代表飞艇的有效辐射面积。

该方法充分利用每个时间点实时测量的辐射值对下一个时间点的预测值实 时修正能够提高预测准确率，为飞艇能量准确实时动态分配提供很好的基础。

方法1.2包括以下步骤：

步骤21：假设飞艇任务集合为T＝{t₁,t₂,t₃…,t_n}，每个任务有三种属性 t_i＝(S_i,F_i,L_i)，其中S_i表示任务的开始时间，F_i任务的结束时间，L_i任务的负载 耗能，利用V_i＝(F_i-S_i)*L_i得到任务价值度V_i；

步骤22：依据每个任务所计算出的价值度V_i，依次排列大小，V_i越大价值 度越高级别越大，能够优先分配到能量；

该方法有效的利用任务执行对系统再生价值的大小决定能量分配的先后次 序，合理的考虑了飞艇上每一种任务的执行对飞艇再生的作用。

方法1.3包括以下步骤：

步骤31：出于平流层飞艇自身能源结构特殊性，在有太阳直接辐射的情况 下优先使用太阳能，其次是燃料电池，最后是作为应急的锂离子电池，在没有太 阳辐射的时候优先使用燃料电池，其次是锂离子电池，为了保证电池的使用寿命， 锂离子电池在进行充电和放电的电荷状态值分别不能超过0.8和低于0.2；

步骤32：在执行系统任务之前系统首先检查各能源模块的工作情况，如果 任何一个能源模块不工作，则切换到能工作的模块，各能源模块根据需要进行组 合为系统供能，如果系统检测到系统总体能量总值小于系统总值的15％时，则需 要停止向运行或者等待运行的任务供能，这部分能量要用于系统紧急情况下的供 能；

步骤33：当任务需要执行的时候，系统首先对该任务所需的能量进行计算 的同时检测系统能源是否在运行其他任务的同时能满足该任务以及整个系统的 正常运转，如果不能满足该任务则需要考虑任务的价值度，如果是价值度高的任 务则在必要的时候在不影响系统安全运转的情况下对当前系统价值度相对低的 任务停止该任务的供能来满足价值度高的任务；

步骤34：首先需要预测该任务完成可能需要的能量L，然后判断飞艇剩余能 量是否大于当前任务对能量需求，如果大于，则直接分配即可，如果小于，则预 测未来一段时间内产生辐射值后的飞艇剩余能量，然后利用动态规划方法分配剩 余能量，使得飞艇中剩余能量产生的价值最大化。

该方法具体的提出了飞艇能量动态分配方法，主要在依据任务的价值度分配 能量的同时，加入了对能量的实时预测，使得能量的分配变得更加合理、实时。

本发明的特点：首先，在本发明中太阳直接辐射能量实时预测与其它预测方 法不同的是，充分利用实际中每一时刻实时采集到的直接辐射值来实时有规律的 修正自己的预测模型，这个间隔大约在T分钟左右修正一次，从而依据太阳能飞 艇的有效覆盖面积和太阳能电池的转换效率可以实时的预测飞艇这段时间内再 生辐射量的大小，基于实际预测值不断修正的目的就是提高预测精度；其次，本 发明在基于飞艇任务价值度能量分配的基础上结合了对未来一段时间再生能量 大小的实时预测，相对于其他分配方法能够更实时合理的分配能量。因此本发明 提出了一种太阳能飞艇再生能量实时预测和能量动态分配方法。

附图说明

图1为太阳能飞艇再生能量实时预测流程图

图2为20140322这一天6:00～18:00每个整时时间点的理论辐射值和拟合曲线图

图3为9:00‐10:00每隔六分钟预测太阳直接辐射再生能量值图

图4为飞艇能量动态分配方法流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明， 并非用于限定本发明的范围。

图1是太阳能飞艇再生能量实时预测流程图，具体的预测方法包括以下步骤：

步骤1：利用太阳直接辐射模型计算出一天中太阳从日出到日落中每个时间 点所再生的太阳理论直接辐射值，通过最小二乘法进行拟合回归，得到这一天每 个时间点的太阳直接辐射值的计算式f(x)＝a*x²+b*x+c，其中x作为未来一个 时间点，a，b，c为计算式的系数；

步骤2：利用一个时间点实时测量的太阳直接辐射值和这个时间点通过多项 式计算出的理论值相除产的比值作为修正系数η，通过此方法对未来一个时间点 的实时测量值和预测值每隔T分钟修改一次修正系数η，得到实时预测模型 g(x)＝η*(ax²+bx+c)；

步骤3：利用y＝(λ_t*A_p)((1/3at₂³+1/2bt₂²+ct₂)-(1/3at₁³+1/2bt₁²+ct₁))预测飞艇未来 一段时间内的再生的能量值y，其中t₁，t₂代表这一段时间的开始和结束，λ_t代 表飞艇太阳能电池的转换效率，A_p代表飞艇的有效辐射面积， 其中B太阳的入射角度，n＝L/d，L代表飞艇主轴的 长度，d飞艇的直径。为了保证能够对太阳直接辐射能量的实时预测，本发明通 过建立准确的太阳直接辐射能量计算模型，综合考虑了积日、纬度、平面的倾斜 角、方向角等因素。通过计算北纬32度，20140322这一天每个整点时刻的理论 辐射值，取早上六点到下午六点这段时间内每个时间点的辐射值，通过最小二乘 法进行拟合回归，得到基于这一段时间内的一元二次多项式 y＝-39.2944x²+950.3725x-4365.9691。具体的每个辐射值和拟合曲线见图2。本 发明取9:00这个时刻的理论辐射值967.644W和测量获得的实际值899.90W进行 相除得到比例因子0.93，作为修正系数再乘以这个一元二次多项式y，作为预 测下一个时间点的辐射值的模型。因此本发明为了体现实时预测，对9:00～10:00 这一个小时分为十份就是每隔6分钟对修正系数进行一次修正，然后得到预测值， 然后根据每隔6分钟的预测值，通过 $y=\underset{9}{\overset{9.1}{\int }}0.93*(-39.2944x^2+950.3725x-4365.9691)\mathrm{dx}$这个公式计算出9:00～9:06这段时 间内再生的辐射量为94.5400W，然后根据飞艇表面实际的太阳能薄膜实际覆盖 面积和效率计算出飞艇这段时间内再生的能量值。具体这一段时间内每隔六分钟 的预测这一段时间内再生的太阳直接辐射量见图3。

基于飞艇任务价值度决定飞艇能量分配次序的方法1.2，包括以下步骤：

步骤21：假设飞艇任务集合为T＝{t₁,t₂,t₃…,t_n}，每个任务有三种属性 t_i＝(S_i,F_i,L_i)，其中S_i表示任务预计的开始时间，F_i任务预计的结束时间，L_i任 务的负载耗能，利用公式V_i＝(F_i-S_i)*L_i得到任务价值度V_i；

步骤22：依据每个任务所计算出的价值度V_i，依次排列大小，V_i越大价值 度越高级别越大，能够优先分配到能量；

步骤23：根据任务的预计开始时间、结束时间和任务的负载可以估算出任 务的完成所需要的能量值L。

图4为飞艇能量动态分配方法，方法1.3的流程图，具体有以下四个步骤：

步骤31：出于平流层飞艇自身能源结构特殊性，在有太阳直接辐射的情况 下优先使用太阳能，其次是燃料电池，最后是作为应急的锂离子电池，在没有太 阳辐射的时候优先使用燃料电池，其次是锂离子电池，为了保证电池的使用寿命， 锂离子电池在进行充电和放电的电荷状态值分别不能超过0.8和低于0.2；

步骤32：在执行系统任务之前系统首先检查各能源模块的工作情况，如果 任何一个能源模块不工作，则切换到能工作的模块，各能源模块根据需要进行组 合为系统供能，如果系统检测到系统总体能量总值小于系统总值的15％时，则需 要停止向运行或者等待运行的任务供能，这部分能量要用于系统紧急情况下的供 能；

步骤33：当任务需要执行的时候，系统首先对该任务所需的能量进行计算 的同时检测系统能源是否在运行其他任务的同时能满足该任务以及整个系统的 正常运转，如果不能满足该任务则需要考虑任务的价值度，如果是价值度高的任 务则在必要的时候在不影响系统安全运转的情况下对当前系统价值度相对低的 任务停止该任务的供能来满足价值度高的任务；

步骤34：首先需要预测该任务完成可能需要的能量L，然后判断飞艇剩余能 量是否大于当前任务对能量需求，如果大于，则直接分配即可，如果小于，则预 测未来一段时间内产生辐射值后的飞艇剩余能量，然后利用动态规划方法分配剩 余能量，使得飞艇中剩余能量产生的价值最大化。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但是本发明的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想 到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围 应该以权力要求的保护范围为准。