光伏半懸浮載人飛行吊籃設計
——新能源創新應用之六

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，山西 太原030024；2.青島工學院，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 結構與控制電路設計

1.1 裝置外形結構

軌道由2根粗約D12～16 cm的鋼管配置，飛行吊籃整體結構如圖1所示。吊籃為D160 cm×210 cm的錐柱形，太陽能板尺寸為100 cm×200 cm×3 cm，位于鋼管兩側，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，其構形與轉向決定吊籃的行進方向，轉速決定其行進速度。運行時吊籃升起，鋼管軌道不承重（斷電時承重）。為安全起見，行進速度不超過3 m/s。

圖1 飛行吊籃整體結構

裝置機械骨架如圖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 裝置機械骨架示意圖

1.2 運行控制電路

正反轉控制接線如圖3所示。

圖3 正反轉控制接線圖

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

2 電機及其運行操作

螺旋槳電機為36 V、3 kW直流無刷電機，直流無刷電機是同步電機的一種，也就是說電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數影響，在轉子極數固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無刷電機是將同步電機加上電子式控制（驅動器），控制定子旋轉磁場的頻率并將電機轉子的轉速回授至控制中心反復校正，以期接近直流電機特性。也即直流無刷電機能夠在額定負載范圍內當負載變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。設定運行速度為0～10 000 r/min可調。

固定在軸上的2個限位圓柱塊間隔不超過20 cm，確保運行升降幅度在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量不超過300 kg。一般要求只載2個大人，或三口之家可以加1個小孩。

操控可以由乘坐人員自主執行，專設前進、停止、后退及緊急呼叫4個按鍵，啟動和停止時進行語音通告，由維修工人獨立維修按鍵，只能由鑰匙打開。

3 電池與光伏能量

軌道左右兩側的光伏板只要超過10塊，就可以驅動電機。50 m的路程就可以有50塊，足可達到所需能量的5倍，也足以給電池組充電。電池擬采用三元鋰電池組，吊籃內只放置100 AH的一組，其他數百AH的電池組擱置在地面由導線與電機連接。一般一個吊籃400AH足可以。

僅光伏能量滿足一個50 m距離的吊籃連續運行8 h不成問題，為確保任何情況下都能運營，建議最好與輸電網絡并聯運行，還可以免去地面電池組。

4 實施措施建議

本裝置雖已經在實驗室做過小型模擬運行實驗，但是為了確保載人后能穩定運行，最好在吊籃下部像飛機一樣設置一個直徑約50 cm的風洞，并安置2個風機保證風洞的導向與驅動力。帶導向風洞的裝置端面如圖4所示。

圖4 帶導向風洞的裝置端面

5 螺旋槳牽引力估算

基本參數：螺旋槳直徑D=2.0 m，漿寬度r=0.3 m，螺距d=0.55 m，轉速ω=8.7 rad/s，標準大氣壓為1，經驗系數為0.5。

拉力（kg）=直徑（m）×螺距（m）×漿寬度（m）×轉速2（弧度/s）×大氣壓力（1）（標準大氣壓）×經驗系數（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）。

風洞內2個風機的功率各設定為1 kW，就足以驅動吊籃以0.68 m/s的速度行進。

6 應用前景

它的優點是完全使用了可再生清潔能源，不僅具有遮陽擋雨的功效，而且可以提高景區或市區交通的檔次，社會效益遠大于經濟效益。

可以在景區代替索道纜車，也可以作為城市高架過街通道，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器械使用。

作為城市高架過街通道使用，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，需要設置往返行2條通道。