光伏半悬浮载人飞行吊篮设计——新能源创新应用之六

赵 森，马 帅，马 腾，刘泽清，王昌盛，孙博轩，李建红

（1.太原理工大学，山西 太原030024；2.青岛工学院，山东 青岛266399；3.山西泽清鑫新能源科技有限公司，山西 太原030002）

1 结构与控制电路设计

1.1 装置外形结构

轨道由2根粗约D12～16 cm的钢管配置，飞行吊篮整体结构如图1所示。吊篮为D160 cm×210 cm的锥柱形，太阳能板尺寸为100 cm×200 cm×3 cm，位于钢管两侧，每块光伏板的功率为300 W。其核心部分是吊篮主体及上方螺旋桨，螺旋桨叶片尺寸为D200 cm×30 cm，其构形与转向决定吊篮的行进方向，转速决定其行进速度。运行时吊篮升起，钢管轨道不承重（断电时承重）。为安全起见，行进速度不超过3 m/s。

图1 飞行吊篮整体结构

装置机械骨架如图2所示。支撑立柱直径为30 cm，间距2 m；横管直径为20 cm，下附10 mm直角三角形钢板；灰色部分为光伏板支架，轻质铝合金材料。每组支柱间距20～50 m不等，视道路宽度决定。

图2 装置机械骨架示意图

1.2 运行控制电路

正反转控制接线如图3所示。

图3 正反转控制接线图

如图3所示，SB2与SB3为前进与后退按钮，自锁与互锁功能具备，SB1为停车按钮。为安全起见，欲改变行进方向，必须先停车。

2 电机及其运行操作

螺旋桨电机为36 V、3 kW直流无刷电机，直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数影响，在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机是将同步电机加上电子式控制（驱动器），控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期接近直流电机特性。也即直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。设定运行速度为0～10 000 r/min可调。

固定在轴上的2个限位圆柱块间隔不超过20 cm，确保运行升降幅度在5 cm左右，且与轨道是柔性接触。为了确保吊篮能顺利半悬浮，吊篮自重与载人的总质量不超过300 kg。一般要求只载2个大人，或三口之家可以加1个小孩。

操控可以由乘坐人员自主执行，专设前进、停止、后退及紧急呼叫4个按键，启动和停止时进行语音通告，由维修工人独立维修按键，只能由钥匙打开。

3 电池与光伏能量

轨道左右两侧的光伏板只要超过10块，就可以驱动电机。50 m的路程就可以有50块，足可达到所需能量的5倍，也足以给电池组充电。电池拟采用三元锂电池组，吊篮内只放置100 AH的一组，其他数百AH的电池组搁置在地面由导线与电机连接。一般一个吊篮400AH足可以。

仅光伏能量满足一个50 m距离的吊篮连续运行8 h不成问题，为确保任何情况下都能运营，建议最好与输电网络并联运行，还可以免去地面电池组。

4 实施措施建议

本装置虽已经在实验室做过小型模拟运行实验，但是为了确保载人后能稳定运行，最好在吊篮下部像飞机一样设置一个直径约50 cm的风洞，并安置2个风机保证风洞的导向与驱动力。带导向风洞的装置端面如图4所示。

图4 带导向风洞的装置端面

5 螺旋桨牵引力估算

基本参数：螺旋桨直径D=2.0 m，浆宽度r=0.3 m，螺距d=0.55 m，转速ω=8.7 rad/s，标准大气压为1，经验系数为0.5。

拉力（kg）=直径（m）×螺距（m）×浆宽度（m）×转速2（弧度/s）×大气压力（1）（标准大气压）×经验系数（0.5）。

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

P=FV=mgv（m=300 kg，g取9.8 m/s2）。

风洞内2个风机的功率各设定为1 kW，就足以驱动吊篮以0.68 m/s的速度行进。

6 应用前景

它的优点是完全使用了可再生清洁能源，不仅具有遮阳挡雨的功效，而且可以提高景区或市区交通的档次，社会效益远大于经济效益。

可以在景区代替索道缆车，也可以作为城市高架过街通道，还可以作为楼宇载人穿行通道，或作为消防专用通道使用，甚至可以作为徐徐飞行的儿童娱乐器械使用。

作为城市高架过街通道使用，最少需要举高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，需要设置往返行2条通道。