CN105897049A - 一种转动碰撞式月面压电能量收集装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转动碰撞式月面压电能量收集装置及其工作方法，压电能量收集装置包括斯特林发动机、转动轮、固定轮和储能模块，固定轮和转动轮上分别安装了压电发电单元，斯特林发动机冷端设置在月面土壤中，热端设置在月面上。工作时，利用月面上下温差来压缩和膨胀设置在冷、热端中的惰性气体，从而驱动斯特林发动机并带动转动轮连续沿逆（顺）时针方向旋转。随着转动轮的旋转，压电发电单元之间发生碰撞导致压电陶瓷弯曲形变从而在表面产生电荷，并将电荷收集到储能模块实现发电。本发明利用月球上的温度差来实现压电发电，结构简单，工作效率高，且全天候收集能量。

Description

一种转动碰撞式月面压电能量收集装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及能量收集技术领域，尤其涉及一种转动碰撞式月面能量收集装置及其工作方法。
背景技术
星际探测作为太空科学发展的重要组成部分，一直以来都受到了世界各国的高度重视和大力投入。在外星球上进行任何机器活动或者人类活动都离不开能源，就月球而言，最方便、最直接利用的能源就是太阳能。由于月壤导热性能较差，因此造成了月面与月壤的温度差，尤其月壤在深度方向上存在较大的温度梯度，越深层的月壤其昼夜温差越小，且该温差受纬度的影响较小。例如在4.9cm的深度，在纬度由0°增加到80°的过程中，月壤的最大温差值降低了约87K；而对于14.7cm深度处的月壤，该温差值随纬度增加仅降低了约35K，说明月球有巨大的温差能可以利用。斯特林发动机是一种独特的热机，利用冷热两端的温度差实现热能与机械能之间的转换，其实际效率几乎等于理论最大效率，被称为卡诺循环效率。如何在月面上高效率利用太阳能来实现全天候实时的发电，一直以来都未能较好的解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种转动碰撞式月面能量收集装置及其工作方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种转动碰撞式月面压电能量收集装置，包括固定轮、转动轮、斯特林发动机和储能模块；
所述固定轮呈圆圈状，固定在月球上；
所述转动轮的圆心通过轴承固定在固定轮的圆心处，使得转动轮和固定轮同心并处于同一平面，且转动轮能够转动；
所述固定轮和转动轮上均设有若干压电发电单元；
所述压电发电单元包含直杆和附加质量块；所述直杆两端分别为固定端和撞击端，两侧均设有压电陶瓷片；所述附加质量块设置在所述直杆的撞击端；所述直杆两侧的压电陶瓷片均与所述储能模块电气相连；
所述固定轮上压电发电单元的固定端固定在固定轮的内圈上，撞击端朝内，直杆所在直线经过固定轮的圆心；
所述转动轮上压电发电单元的固定端固定在转动轮的周边上，撞击端朝外，直杆所在直线经过转动轮的圆心；
所述转动轮旋转时，固定轮上压电发电单元的附加质量块与转动轮上压电发电单元的附加质量块相互撞击后错开；
所述斯特林发动机的热端设置在月球表面，冷端埋放在月壤中，通过连杆带动转动轮转动。
作为本发明一种转动碰撞式月面压电能量收集装置进一步的优化方案，所述斯特林发动机采用双缸双活塞式斯特林发动机，包括第一至第二气缸、第一至第二活塞、连杆机构和传输管道；
所述连杆机构第一至第二连杆；
所述第一气缸通过传输管道和第二气缸相连，且第一气缸和第二气缸的联通部、以及传输管道内设有惰性气体；
所述第一气缸、第一活塞组成斯特林发动机的热端，设置在月球表面；
所述第二气缸、第二活塞组成斯特林发动机的冷端，埋放在月壤中；
所述第一活塞的活塞杆通过第一连杆和转动轮铰接，第二活塞的活塞杆通过第二连杆和转动轮铰接。
作为本发明一种转动碰撞式月面压电能量收集装置进一步的优化方案，所述固定轮上压电发电单元的固定端均匀设置在固定轮的内圈上，转动轮上压电发电单元的固定端均匀设置在转动轮的周边上。
作为本发明一种转动碰撞式月面压电能量收集装置进一步的优化方案，还包含太阳能集热模块，所述太阳能集热模块设置在月球表面，用于聚集太阳能对热端进行加热升温。
作为本发明一种转动碰撞式月面压电能量收集装置进一步的优化方案，所述太阳能集热模块包含太阳能光伏板和电热器，所述太阳能光伏板用于聚集太阳能产生电能供给给电热器，所述电热器用于对热端进行加热升温。
本发明还公开了基于该转动碰撞式月面压电能量收集装置的工作方法，包含以下过程：
白天，热端内部的惰性气体由于温度升高而受热膨胀，而冷端处于月壤之中，升温相对较缓慢，与热端具有温度差；
晚上，月面温度迅速降低，而月壤的温度仅略微降低，使得埋入月壤的冷端的温度高于热端；
冷端和热端的温度差使得使得斯特林发动机产生推动力驱动连杆机构连续运动，从而带动所述的转动轮连续的旋转；
转动轮在连续转动的过程中，固定轮上压电发电单元的附加质量块与转动轮上压电发电单元的附加质量块不断相互撞击后错开；
压电发电单元进行碰撞时，直杆发生形变，导致压电陶瓷片产生弯曲形变；
压电陶瓷片的弯曲形变使其在表面产生电荷；
储能模块收集压电陶瓷片表面产生的电荷进行储存。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 结构简单，工作效率高；
2. 利用月球表面与月壤之间的温差能来实现斯特林发动机的连续转动，基于压电材料的压电效应在碰撞过程中来实现压电发电，全天候实时高效运转。
附图说明
图1是转动碰撞式月面压电能量收集装置的结构示意图；
图2是固定轮的结构示意图；
图3是转动轮的结构示意图；
图4是压电发电单元的结构示意图；
图5是斯特林发动机的结构示意图；
图6是击锤与压电发电单元的在碰撞过程中的示意图。
图中，1-固定轮，2-压电发电单元，2.1-直杆，2.2-压电陶瓷片，2.3-附加质量块，3-转动轮，4-斯特林发动机，4.1-热端，4.2-冷端，4.3-传输管道，4.4-连杆机构，5-太阳能集热模块，6-储能模块，7-轴承，8-惰性气体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示， 本发明公开了一种转动碰撞式月面压电能量收集装置，包括固定轮、转动轮、斯特林发动机、太阳能集热模块和储能模块。
固定轮呈圆圈状，固定在月球上，转动轮的圆心通过轴承固定在固定轮的圆心处，使得转动轮和固定轮同心并处于同一平面，且转动轮能够转动。
如图2和图3所示，固定轮和转动轮上均设有若干压电发电单元。
如图4所示，压电发电单元包含直杆和附加质量块；直杆两端分别为固定端和撞击端，两侧均设有压电陶瓷片；附加质量块设置在所述直杆的撞击端；直杆两侧的压电陶瓷片均与储能模块电气相连。
固定轮上压电发电单元的固定端固定在固定轮的内圈上，撞击端朝内，直杆所在直线经过固定轮的圆心；转动轮上压电发电单元的固定端固定在转动轮的周边上，撞击端朝外，直杆所在直线经过转动轮的圆心。
转动轮旋转时，固定轮上压电发电单元的附加质量块与转动轮上压电发电单元的附加质量块相互撞击后错开。
斯特林发动机的热端设置在月球表面，冷端埋放在月壤中，通过连杆带动转动轮转动。
太阳能集热模块设置在月球表面，用于聚集太阳能对热端进行加热升温。
如图5所示，斯特林发动机可以采用双缸双活塞式斯特林发动机，包括第一至第二气缸、第一至第二活塞、连杆机构和传输管道；连杆机构第一至第二连杆；第一气缸通过传输管道和第二气缸相连，且第一气缸和第二气缸的联通部、以及传输管道内设有惰性气体；第一气缸、第一活塞组成斯特林发动机的热端，设置在月球表面；第二气缸、第二活塞组成斯特林发动机的冷端，埋放在月壤中；第一活塞的活塞杆通过第一连杆和转动轮铰接，第二活塞的活塞杆通过第二连杆和转动轮铰接。
为了达到比较好的效果，固定轮上压电发电单元的固定端均匀设置在固定轮的内圈上，转动轮上压电发电单元的固定端均匀设置在转动轮的周边上。
太阳能集热模块包含太阳能光伏板和电热器，所述太阳能光伏板用于聚集太阳能产生电能供给给电热器，所述电热器用于对热端进行加热升温。
斯特林发动机白天利用太阳能加热热端，使热端内部的惰性气体由于温度升高而受热膨胀，并且通过传输管道进入冷端；由于冷端处于月壤之中，升温相对缓慢，与热端具有温度差，使得受热膨胀的惰性气体进入冷端被压缩，同时通过传输管道进入热端，因此冷端和热端的温度差不断压缩和膨胀惰性气体从而产生连续的推动力驱动连杆机构连续运动，从而带动所述的转动轮旋转；重复上述冷热交替的过程，冷热两端的温度差驱动斯特林发动机连续运动，并带动转动轮绕同一个方向连续转动。
晚上无太阳直射时月面温度迅速降低，而月壤的温度略微降低，使得埋入月壤的冷端的温度高于热端，从而产生温度差驱动斯特林发动机反向转动并使转动轮连续反向旋转。只有当热端的温度高于冷端，转动轮才会再次反转。
在转动轮转动过程中，转动轮上的压电陶瓷单元持续不断地敲击均匀分布在固定轮上的压电陶瓷单元从而使压电陶瓷片发生弯曲变形，由于压电材料的正压电效应，压电陶瓷的弯曲变形将在其表面产生电荷，并通过导线导入储能模块被储存起来。转动轮以及固定轮上的压电发电单元个数可以根据设计调整，以达到最高的能量转换效率。同时转动轮与固定轮上的压电发电单元之间的配合，可以保证在压电发电单元产生形变之后，转动轮能够继续转动，从而敲击下一个固定轮上的压电发电单元，从而实现持续不断地产生电流，其运动原理如图6所示。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种转动碰撞式月面压电能量收集装置，其特征在于，包括固定轮（1）、转动轮（3）、斯特林发动机（4）和储能模块（6）；
所述固定轮（1）呈圆圈状，固定在月球上；
所述转动轮（3）的圆心通过轴承（7）固定在固定轮（1）的圆心处，使得转动轮（3）和固定轮（1）同心并处于同一平面，且转动轮（3）能够转动；
所述固定轮（1）和转动轮（3）上均设有若干压电发电单元（2）；
所述压电发电单元（2）包含直杆（2.1）和附加质量块（2.3）；所述直杆（2.1）两端分别为固定端和撞击端，两侧均设有压电陶瓷片（2.2）；所述附加质量块（2.3）设置在所述直杆（2.1）的撞击端；所述直杆（2.1）两侧的压电陶瓷片（2.2）均与所述储能模块（6）电气相连；
所述固定轮（1）上压电发电单元（2）的固定端固定在固定轮（1）的内圈上，撞击端朝内，直杆所在直线经过固定轮（1）的圆心；
所述转动轮（3）上压电发电单元（2）的固定端固定在转动轮（3）的周边上，撞击端朝外，直杆所在直线经过转动轮（3）的圆心；
所述转动轮旋转时，固定轮（1）上压电发电单元（2）的附加质量块（2.3）与转动轮（3）上压电发电单元（2）的附加质量块（2.3）相互撞击后错开；
所述斯特林发动机（4）的热端（4.1）设置在月球表面，冷端（4.2）埋放在月壤中，通过连杆带动转动轮（3）转动。
2.根据权利要求1所述的转动碰撞式月面压电能量收集装置，其特征在于，所述斯特林发动机（4）采用双缸双活塞式斯特林发动机，包括第一至第二气缸、第一至第二活塞、连杆机构（4.4）和传输管道（4.3）；
所述连杆机构（4.4）第一至第二连杆；
所述第一气缸通过传输管道（4.3）和第二气缸相连，且第一气缸和第二气缸的联通部、以及传输管道（4.3）内设有惰性气体（8）；
所述第一气缸、第一活塞组成斯特林发动机（4）的热端（4.1），设置在月球表面；
所述第二气缸、第二活塞组成斯特林发动机（4）的冷端（4.2），埋放在月壤中；
所述第一活塞的活塞杆通过第一连杆和转动轮（3）铰接，第二活塞的活塞杆通过第二连杆和转动轮（3）铰接。
3.根据权利要求1所述的转动碰撞式月面压电能量收集装置，其特征在于，所述固定轮（1）上压电发电单元（2）的固定端均匀设置在固定轮（1）的内圈上，转动轮（3）上压电发电单元（2）的固定端均匀设置在转动轮（3）的周边上。
4.根据权利要求1所述的转动碰撞式月面压电能量收集装置，其特征在于，还包含太阳能集热模块（5），所述太阳能集热模块（5）设置在月球表面，用于聚集太阳能对热端（4.1）进行加热升温。
5.根据权利要求4所述的转动碰撞式月面压电能量收集装置，其特征在于，所述太阳能集热模块（5）包含太阳能光伏板和电热器，所述太阳能光伏板用于聚集太阳能产生电能供给给电热器，所述电热器用于对热端（4.1）进行加热升温。
6.基于权利要求1所述的转动碰撞式月面压电能量收集装置的工作方法，其特征在于，包含以下过程：
冷端（4.2）和热端（4.1）的温度差使得使得斯特林发动机（4）产生推动力驱动连杆机构（4.4）连续运动，从而带动所述的转动轮（3）连续的旋转；
转动轮（3）在连续转动的过程中，固定轮（1）上压电发电单元（2）的附加质量块（2.3）与转动轮（3）上压电发电单元（2）的附加质量块（2.3）不断相互撞击后错开；
压电发电单元（2）进行碰撞时，直杆（2.1）发生形变，导致压电陶瓷片（2.2）产生弯曲形变；
压电陶瓷片（2.2）的弯曲形变使其在表面产生电荷；
储能模块（6）收集压电陶瓷片（2.2）表面产生的电荷进行储存。
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