TWI620689B - 用於無人飛行器之太陽能電池模組 - Google Patents

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Abstract

一種用於無人飛行器之太陽能電池模組，其包含載具本體及太陽能電池單元。載具本體係設置於無人飛行器上。太陽能電池單元具有複數個太陽能電池片，且貼附配置於載具本體上。其中太陽能電池單元所提供的功率(P)與太陽能電池模組的重量(Wg)之比例至少大於或等於0.1(W/g)。

Description

用於無人飛行器之太陽能電池模組
本發明係有關於一種太陽能電池模組，特別是有關於一種用於無人飛行器之太陽能電池模組。
無人飛行器由於具有可用來進行空中拍攝、搬運物件等功能，因此近年來愈趨受到重視及廣泛運用。
然而，目前一般的無人飛行器大多係單一地藉由電池提供電力予以進行飛行，但由於電池的電力容量非常有限，進而往往侷限了無人飛行器的操控飛行時間，無法長時間地進行空拍紀錄攝影等功能，致使無人飛行器的運用及續航力受到大幅限制。
其次，雖然目前有一些無人飛行器採用太陽能電池作為飛行電力來源，但此為固定翼型式。在固定翼飛行器中，螺旋槳或引擎提供水平方向的前進動力，氣流方向較接近水平，透過飛行器的水平運動，讓機翼的上下方產生壓力差異來提供浮力，所以機翼本身有相當面積，且以水平為主，因此這上面有相當大的面積可以安裝太陽能片，而剛好陽光也是從上往下照射，此水平方向的太陽能片可以直接吸收太陽光。
其太陽能電池的配置係與飛行推進器係必須成垂直配置，以避免讓太陽能電池阻擋飛行推進器所產生的推進氣流。舉例而言，如第一圖所示之具有太陽能電池之無人飛行器，無人飛行器10包含無人飛行器本體12、無人飛行器機翼14、太陽能電池16及動力推進器18。其中，無人飛行器機翼14係設置固定於無人飛行器本體12之兩側。太陽能電池16則是設置於無人飛行器機翼14上方，而動力推進器18則設置無人飛行器機翼14下方，如此藉由太陽能電池16之電池表面與動力推進器18所產生的推進氣流方向的垂直錯開配置，以避免太陽能電池16之設置阻擋影響飛行推進器所產生的推進氣流。
鑑於上述傳統無人飛行器的機翼架構，其無法垂直起降，對於能夠垂直起降的旋翼飛行器，因為螺旋槳之槳面為水平旋轉，氣流為垂直方向流動來對抗重力，讓飛行器升起，此旋翼飛行器不需機翼，因此不能像前述固定翼那樣，能夠直接裝置太陽能片。因此亟需一種不同的架構，以及對應此架構的太陽能電池相關特性，以提供足夠電量來對抗重力為主的垂直氣流式動力，可以實際有效提升無人飛行器的續航力及運用操作。
本發明欲解決的問題為提供一種用於無人飛行器之太陽能電池模組，特別是可即時有效提供電力於無人飛行器，使無人飛行器於飛行或執行空拍或搬運等特定功能項目時，能夠有充足之飛行操控續航力。
為解決上述的問題，本發明提出一種用於無人飛行器之太陽能電池模組，其包含載具本體及太陽能電池單元。載具本體係設置於無人飛行器上。太陽能電池單元具有複數個太陽能電池片，且貼附配置於載具本體上。其中太陽能電池單元所提供的功率(P)與太陽能電池模組的重量(Wg)之比例至少大於或等於0.1(W/g)。
如此一來，本發明所揭示無人飛行器之太陽能電池模組，特別是太陽能電池的電池表面係與螺旋槳所產生的推進氣流方向，兩者間相互大致呈垂直配置，以提供作為無人飛行器之電力來源並且有效提升改善其於飛行或其操控應用的續航力。
請同時參照第二A圖與第二B圖，其係繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的立體圖與上視圖。如圖所示，一種用於無人飛行器130之太陽能電池模組100，其包含載具本體110及太陽能電池單元120。載具本體110係設置於無人飛行器130上。太陽能電池單元120具有複數個太陽能電池片122，且貼附配置於載具本體110上。其中太陽能電池單元120所提供的功率(P)與太陽能電池模組的重量(Wg)之比例至少大於或等於0.1(W/g)。如此一來，於正常標準太陽光強度下，亦即太陽光強度約為每平方公尺產生一千瓦的環境下，太陽能電池模組100將可有效率地提供無人飛行器130進行飛行所需之電力。
再者，於本實施例中，太陽能電池單元120中之太陽能電池片122的電池表面係與無人飛行器130之螺旋槳132所產生的推進氣流方向，兩者間大致呈垂直配置。其次，於本發明之一較佳實施例中，無人飛行器130的重量(Wt)與太陽能電池模組100的重量(Wg)之比例至少大於或等於1.5(Wt/Wg)，如此在此重量比例條件下，可避免太陽能電池模組100造成整體重量過重，反而影響飛人飛行器的飛行效果，抑或太陽能電池模組100所轉換產生的電力無法實際負荷以達到具有較佳的飛行續航力。
此外，於本發明之另一較佳實施例中，太陽能電池模組100的總功率(P)與其太陽能電池單元120中的太陽能電池片122之總表面積(A)之比例(P/A)至少大於或等於50(W/m2)。如此一來，於正常標準太陽光強度下，藉由較高太陽能電池片122之面積產出功率轉換率，以提供無人飛行器130進行長時間的飛行與執行空拍或運輸等應用。
再者，太陽能電池單元120中的太陽能電池片122之總表面積(A)與太陽能電池模組100的重量(Wg)之比例(A/Wg)至少大於或等於7(cm2/g)，進而讓裝載太陽能電池模組100之無人飛行器130的整體重量愈趨輕量，使其除了可提供電力來源以進行飛行外，亦可因輕量化而提供更佳的操控性能。
然而，更具體地說，於本發明之一實施例中，太陽能電池模組100之總面積係不超過100 m2。另一方面，關於本發明之太陽能電池模組100所提供的總功率P，其可依據實際需求而有其上下限制，舉例而言，於本發明之一實施例中，太陽能電池模組100所提供的總功率P可至少為1W；另一方面，於本發明之另一實施例中，太陽能電池模組100所提供的總功率P則不超過5kW。其次，更仔細地說，在標準太陽光強度下，亦即太陽光強度約為每平方公尺產生一千瓦的環境下，太陽能電池模組100所提供的總功率(P)與無人飛行器130的總重量(Wt)之比例則須至少大於或等於0.02 W/g，如此在上述面積、功率與重量及其對應比例範圍中，將可提供無人飛行器130之電力，且亦可避免無人飛行器130的整體重量過重而影響飛行續航力與操作流暢性。
於本發明之一實施例中，無人飛行器可為一多軸式無人飛行器，每一螺旋槳提供之力距（換言之，浮力乘上螺旋槳之槳臂長度）至少大於或等於其對應方向之重力所造成力距的0. 5倍，以足夠提供當無人飛行器傾斜時，使其調整恢復平衡狀態之力矩量。
接著請繼續參照第二B圖，太陽能電池單元120中的太陽能電池片122係可依據整體外觀設計而具撓曲性，以增加配置之多樣性。另外，太陽能電池片122亦可依據配置需求而為摺疊式，而使其太陽能電池模組100則可對應具有摺疊收納功能，因此當攜帶過程中將可大幅簡化無人飛行器130之體積，以具體增加使用便利性。
此外，太陽能電池單元120可包含複數個子太陽能電池單元121，並且每一子太陽能電池單元121係以串聯或並聯方式相互連接。更具體地說，倘若採用並聯連接方式，則所有子太陽能電池單元121並聯後的總電流等於無人飛行器130的輸入電流；相對而言，倘若採用串聯連接方式，則所有子太陽能電池單元121串聯後的總電壓等於無人飛行器130的輸入電壓。
更具體地說，如第二B圖所示，太陽能電池單元120可包含第一子太陽能電池單元121A、第二子太陽能電池單元121B、第三子太陽能電池單元121C及第四子太陽能電池單元121D。其中，第一子太陽能電池單元121A與第二子太陽能電池單元121B係連接環設無人飛行器130之周圍並形成一矩形，而第三子太陽能電池單元121C與第四子太陽能電池單元121D則對應連接交叉於第一子太陽能電池單元121A與第二子太陽能電池單元121B所形成之矩形中。
再者，第一子太陽能電池單元121A、第二子太陽能電池單元121B、第三子太陽能電池單元121C及第四子太陽能電池單元121D係分別具有複數個太陽能電池片122。舉例而言，於本發明之一實施例中，第一子太陽能電池單元121A的長寬尺寸為12.5公分與78公分，而太陽能電池片122的長寬尺寸為2.5公分與1.2公分，因此第一子太陽能電池單元121A可配置65個太陽能電池片122。以此類推，將第一子太陽能電池單元121A、第二子太陽能電池單元121B、第三子太陽能電池單元121C及第四子太陽能電池單元121D分別所具有太陽能電池片122所產生的電流或電壓，透過彼此間串聯或並聯的連接方式，將可整合產生無人飛行器130所需的適切輸入電壓或輸入電流。
此外，於本發明之一實施例中，每一子太陽能電池單元121係可具有一電源連接端，用以使子太陽能電池單元121可相互組裝拆卸，如此一來當欲變更太陽能電池單元120的配置或輸出功率時，即可透過單獨更換組裝部分的子太陽能電池單元121以進行調整，無須拆卸更換整個太陽能電池單元120，以有效提升使用便利性。
請參照第二C圖，其繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的上視圖。如圖所示，本發明亦可根據實際配置需求，而予以調整太陽能電池單元120的配置，而僅設置具有第三子太陽能電池單元121C及第四子太陽能電池單元121D。其中，第三子太陽能電池單元121C及第四子太陽能電池單元121D配置於無人飛行器130之機身上方，並且相互組接交叉於螺旋槳132之間。
再者，雖然本發明上述實施例及其圖示中，太陽能電池單元120中係與無人飛行器130之螺旋槳132兩者係設置於相同水平高度，惟本發明不以此為限。此外，太陽能電池單元120之配置亦可高於無人飛行器130之螺旋槳132，而使得太陽能電池單元120中的太陽能電池片122可部分重疊覆蓋於無人飛行器130之螺旋槳132的旋轉範圍。舉例而言，於一實施例中，太陽能電池單元120之太陽能電池片122與無人飛行器130之螺旋槳132之間的重疊面積比例，其不超過螺旋槳的旋轉涵蓋面積之20%。此外，在第二B圖中，無人飛行器130之螺旋槳132對照於太陽能電池模組100是較靠近中央的位置，而在第二C圖中，無人飛行器130之螺旋槳132對照於太陽能電池模組100是較接近四個角落。然而，在另一實施例，無人飛行器130的螺旋槳132位置是在太陽能電池模組100的中央與角落之間，而太陽能電池單元120設置於太陽能電池模組100的其餘位置。
請接續參照第二D圖，其繪示根據本發明之另一實施例之具有太陽能電池之無人飛行器的示意圖。由於為了讓無人飛行器130之螺旋槳132於飛行轉動時更流暢，以減少飛行過程中無人飛行器130周圍氣流的擾動不平衡，因此無人飛行器130之載具本體110亦可於以設計具有圓形外框、對稱多邊形或其他流線外框，且太陽能電池片122同時也對應依其外框予以裁切與配置。
請參照第二E圖，其繪示根據本發明之另一實施例之具有太陽能電池之無人飛行器的示意圖。由於多軸式無人飛行器之每一螺旋槳提供之力距（浮力乘上槳臂長度）須至少為對應方向之重力加上空氣阻力造成力距的0. 5倍，以足夠調整無人機傾斜時，恢復平衡狀態之力道，除了如第二C圖所示之將螺旋槳132的配置靠近整個無人飛行器130之載具本體110之外圍角落，亦可採折衷的方式，將螺旋槳132分別配置靠近無人飛行器130之載具本體110之外圍邊框中央處。這樣的好處是，角形邊緣離中心較遠，因此其對應力矩(承受力乘上載具本體中心至右邊角落的距離)較大，所以可能造成失去平衡的力距頗大，但是因為位於兩個螺旋槳之間，所以可以透過兩個螺旋槳合起來的力道，以提供足以恢復平衡狀態之力矩量。
第三圖繪示本發明一實施例一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的立體示意圖。在前述各實施例，太陽能電池片122為水平。在本實施例，太陽能電池片122和水平方向具有一事先設計好的角度。如第三圖所示，太陽能電池單元的第一子太陽能電池單元121A和第二子太陽能電池單元121B，其太陽能電池片122與水平方向具有一角度θ，此設計使得太陽能電池單元120接收足夠太陽光，但又不會像完全水平那樣大的空氣阻力。如果角度θ為固定，則角度θ的理想值在0度到45度之間。在另一實施例，角度θ可調整，並且在無人飛行器130起飛時調整角度θ較大，甚至到垂直90度或接近垂直90度，等到無人飛行器130上升至需要的高度時，調整角度θ到較小，可小至0度或接近0度。本實施例是應用於第二A圖太陽能電池模組100，但相同的原理，可應用於其他實施例的太陽能電池模組100。
請參照第四圖，其繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的功能方塊圖。如圖所示，太陽能電池模組100可更包含一切換單元140。當太陽能電池單元120之電量不足時，亦即例如當操控環境的太陽光不足，致使太陽能電池單元120無法有效轉換產生充足的電力，提供無人飛行器130進行飛行，切換單元140將自動切換至一備用蓄電池150，使備用蓄電池150提供其電力以繼續驅動維持無人飛行器130的飛行狀態。另一方面，當太陽能電池單元120之電量充足時，太陽能電池單元120所轉換產生的電力其中一部分，則將傳輸至備用蓄電池150予以儲存。
參閱第四圖，太陽能電池模組100可更包含一角度調整單元160，其用以藉由追蹤操作環境的太陽光之照射角度，並據以對應調整太陽能電池片122的角度，進而增加太陽能電池單元120之轉換電力，以提升無人飛行器130的飛行工作續航力。
角度調整單元160可根據無人飛行器130的飛行狀態而予以調整太陽能電池片122的角度，以減少飛行過程中的空氣阻力，舉例而言，當無人飛行器130在起飛時，角度調整單元160則對應調整太陽能電池片122與水平方向產生一傾斜角度，或甚至於兩者垂直，以減少無人飛行器130上升時之空氣阻力，而當無人飛行器130飛行至一特定高度後，使用者可透過角度調整單元160，及遙控調整無人飛行器130上的可調整機構，使太陽能電池片122調整為水平配置，或接近平行水平方向，以接受較多的太陽光。如此，透過角度調整單元160微調太陽能電池片122的傾斜角與方向，亦可以控制其飛行方向的流暢度及大幅降低空氣阻力，進而同時減少對電池動力的消耗與依賴。
上述本發明之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟悉此技藝之人士能了解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即凡其它未脫離本發明所揭示之精神所完成之等效的各種改變或修飾都涵蓋在本發明所揭露的範圍內，均應包含在下述之申請專利範圍內。
10‧‧‧無人飛行器
12‧‧‧無人飛行器本體
14‧‧‧無人飛行器機翼
16‧‧‧太陽能電池
18‧‧‧動力推進器
100‧‧‧太陽能電池模組
110‧‧‧載具本體
120‧‧‧太陽能電池單元
121‧‧‧子太陽能電池單元
121A‧‧‧第一子太陽能電池單元
121B‧‧‧第二子太陽能電池單元
121C‧‧‧第三子太陽能電池單元
121D‧‧‧第四子太陽能電池單元
122‧‧‧太陽能電池片
130‧‧‧無人飛行器
132‧‧‧螺旋槳
140‧‧‧切換單元
150‧‧‧備用蓄電池
160‧‧‧角度調整單元
θ‧‧‧角度
第一圖係繪示習知技術之具有太陽能電池之無人飛行器的示意圖。 第二A圖係繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的立體圖。 第二B圖分別係繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的上視圖。 第二C圖分別係繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的上視圖。 第二D圖分別係繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的上視圖。 第二E圖分別係繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的上視圖。 第三圖分別係繪示本發明一實施例之一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的立體圖。 第四圖繪示本發明一較佳實施例之一種用於無人飛行器之太陽能電池模組的功能方塊圖。

Claims (20)

  1. 一種用於可垂直起降無人飛行器之太陽能電池模組，包含：一載具本體，設置於該無人飛行器上；及一太陽能電池單元，具有複數個太陽能電池片，貼附配置於該載具本體上；其中該些太陽能電池片所提供的總功率(P)與該太陽能電池模組的重量(Wg)之比例至少大於或等於0.1(W/g)；其中該無人飛行器的動力皆來自該太陽能電池模組，該太陽能電池模組的表面積(A)與該太陽能電池模組的重量(Wg)之比例至少大於或等於7(cm2/g)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該些太陽能電池片之表面係與該無人飛行器之螺旋槳所產生的推進氣流方向，大致相互呈垂直配置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該無人飛行器的重量(Wt)與該太陽能電池模組的重量(Wg)之比例至少大於或等於1.5(Wt/Wg)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該太陽能電池模組的功率(P)與該太陽能電池模組的表面積(A)之比例至少大於或等於50(W/m2)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該太陽能電池模組提供的功率P至少為1W。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該太陽能電池模組提供的功率不超過5kW。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該無人飛行器為一多軸式無人飛行器，並且該無人飛行器之每一螺旋槳提供之力距至少大於或等於對應方向之重力所造成力距的0.5倍。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該些太陽能電池片是具撓曲性。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該些太陽能電池片是摺疊式。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該太陽能電池模組的功率(P)與該無人飛行器的重量(Wt)之比例至少大於或等於0.02(W/g)。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該太陽能電池模組之覆蓋面積與該無人飛行器之至少一螺旋槳之間的重疊比例，不超過該螺旋槳旋轉時的涵蓋面積之20%。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中包含一切換模組，用以當該太陽能模組之電量不足時，切換至一備用蓄電池。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中當該太陽能模組之電量充足時，該太陽能模組所產生的電力傳輸儲存至該備用蓄電池。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該太陽能電池模組之總面積不超過100(m2)。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該太陽能電池單元包含複數個子太陽能電池單元，其中每一該子太陽能電池單元係以串聯或並聯方式相互連接。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中每一該些子太陽能電池單元具有一電源連接端，用以相互組裝拆卸。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該些太陽能電池片與水平面之間具有一角度以減少上升時的空氣阻力。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該角度固定，其數值可以在0度到45度之間。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，其中該角度為可以調整的，該太陽能電池模組更包含一角度調整單元以調整該角度，當該無人飛行器起飛時該角度被調整為大於0度，最大可到90度或接近90度，等到該無人飛行器上升至需要的高度時，該角度被調整至較小角度，最小可為0度或接近0度。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之用於無人飛行器之太陽能電池模組，更包含一角度調整單元，用以藉由追蹤操作環境的太陽光之照射角度，或根據該無人飛行器的飛行狀態，並據以對應調整該角度。
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