CN108054822A - 一种内接多面体的能源自给球形装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内接多面体的能源自给球体装置。该装置克服了已有球体装置滚动和能源获取相互制约的矛盾，在球体滚动过程中，内接多面体上的几个能够接受太阳光的面太阳电池持续发电，支撑感知环境状况的传感器探测单元、信息处理单元、球体驱动装置持续工作，能够在滚动过程中兼顾发电与环境感知探测、信号发射、球体驱动等功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种内接多面体的能源自给球形装置。
背景技术
当前的无线监视监测装置一般无法同时兼备能源自给、自主移动、目标检测和集群协调移动等功能，现代的军事与民用都亟需一种能够具有上述四种功能的装置。能源自给是指装置自身收集外界能量并转换成电能供自己使用而不是靠外部输入电能或者带周期充电的储能电池。现实中，能源自给是造成这些器件失效或者根本无法实现的主要障碍。各种能量自给装置中，都希望能够利用太阳能这一自然界永恒能源作为来源转换成电能供给移动和监测器件使用，或者储存起来在需要使用的时候释放出来，有效利用太阳光的根本前提是受光面永远面对太阳，通常这一要求限制了该类装置的移动能力、隐蔽能力等性能。在所有的几何体中，球体具备能够最高效接受太阳光的集合形状，无论球体如何移动或者处于何种位置，总有面对阳光的地方。然而，太阳电池要高效工作的前提是入射太阳光的照射角度必须一致，否则会产生不均匀光照射所引起的器件发热损毁，即热斑效应。要将能够把太阳光转换成电能的太阳电池有效的贴装在球体表面并实现高效发电并不可行，这主要因为太阳光基本是平行的，而球体表面各处的曲率并不相同，导致入射太阳光与太阳电池表面各处的夹角各不相同，这就严重削弱了太阳电池效率同时引起器件发热烧毁，如图1。
发明内容
本发明涉及一种内接多面体的可移动能源自给球体装置，内接多面体的每个面上贴装有将入射太阳光转换成电能的太阳电池，该装置克服了太阳电池与球体无法有效集成并高效发电的缺点，实现了在每个面上的太阳电池确保入射的太阳光以同样的角度入射，同时内接多面体的支撑装置上集成有储能和信号处理装置，能够驱动信号处理和移动装置，进而能够保证球体在滚动前进中持续发电工作，同时由于球体的体积可以任意尺寸放大与缩小，因此该装置可以应用在隐蔽或者体积狭小处所。
为了达到上述目的，本发明提供了一种内接多面体的可移动能源自给球体装置，该可移动能源自给球体装置从外向内依次包括球形罩、内接多面体和多面体支撑结构三部分。
其中，所述的球形罩本身由轻质透明塑料材料组成，该塑料材料对300-1700纳米范围内的太阳光具有高达90％以上的透过率，球形罩的外面镀有光学膜。
其中，所述的球形罩还可以由电致变色材料组成，当需要隐蔽的时候，球体内储存的电施加在球形罩上，使其将颜色变换到外界不易察觉的程度。
其中所述的光学膜系通常由氧化物组成，对300-1700纳米范围的太阳光具有<10％的反射率，更进一步，所述的光学膜系表面有光学微结构球能够使300-1700纳米范围的太阳光具有适当的光线偏转，使其能够有效聚焦在内接多面体的每个表面上的太阳电池上。
其中，所述的内接多面体通常由五角十二面体、三角二十面体等正多面体或每个面为正三角形和正方形之一的不规则多面体组成，多面体的各个表面由收集外界能量(包括太阳光或者红外辐射能)并转换成电能的太阳电池组成，即面太阳电池，所述的组成多面体的面太阳电池的面积与球形罩的体积之间严格满足正多面体或不规则多面体的几何关联关系。
其中所述的面太阳电池由电池本体、栅线和汇流端组成，栅线包含环形与交叉连接两部分，环形部分该多面体的面图形类似，呈现从里向外的层层嵌套，交叉部分是从重心到边中点的线，将所有的环形部分连接起来以方便太阳电池电流的收集。以三角形面为例，分别是外面的三角形套内部的小三角形，每个三角形边的宽度与通常电池栅线的宽度一样，两个相邻三角形的距离取决于电池表面的迁移率和总的电流密度，从太阳电池的重心到三条边的中点存在三条直线链接，太阳电池的电流通过三角形的三个顶点的汇流端输出。
其中所述的太阳电池边缘用于集成传感器、探测器等感知单元，面太阳电池的背面可以用于集成储存能量的超级电容器的储能单元、信息处理单元等易于集成的功能器件，这在本发明的优选实例中提现。
其中所述的多面体支撑结构包含环形太阳电池托、支撑臂、内核等三部分。
其中所述的环形太阳电池托贴在面太阳电池的背面，用于链接支撑臂与面太阳电池本体，其圆心位在面太阳电池重心上，其半径小于面太阳电池重心到边的垂直距离。
其中所述的支撑臂用于链接太阳电池托与内核，支撑臂的长度与面太阳电池的尺寸满足正多面体或不规则多面体几何关系，支撑臂绝缘且内心中空，用来掩藏各种器件之间的连接导线。
其中所述的内核用于固定支撑臂位置，并可以用来存放储能单元或能源控制单元或信息处理单元等器件，其几何外形可以是立方体形、球体形等形状，尺寸满足存放储能控制和信息处理等单元空间尺寸。
其中所述的内核可以固定球体移动驱动器件，如偏心轮、微电机等，确保球体在需要的时候能够向某个特定目标方向适当滚动。
本发明所提供的内接多面体的可移动能源自给球体装置的设计能够确保在球体滚动过程中，总有几个面上的太阳电池高效能够将外界太阳光并转换成电能，用来感知环境状况的传感器探测器件阵列、信息处理单元可以集成在面太阳电池的边缘或者面天太阳电池的背面或者内核里，用来储存电能的储能单元可以集成在面太阳电池的背面或者内核里。
该装置克服了已有球体装置滚动和能源获取相互制约的矛盾，在球体滚动过程中，内接多面体上的几个能够接受太阳光的面太阳电池持续发电，支撑用来感知环境状况的传感器探测器件阵列、信息处理单元、球体驱动单元持续工作，这样能够在滚动过程中兼顾发电与环境感知探测、信号发射、球体驱动等功能，具有以下优点：
在球体滚动过程中，总有几个面能够接受到太阳光，且受到太阳光照射的每个面上的所有地方确保太阳光线入射角度相同，不会产生所谓的热斑效应。外面球形罩的表面有减反射膜系能够有效降低太阳光的反射，外面球形罩的表面有表面光学超材料，能够适当将表面入射光线汇聚在太阳电池。多面体的面太阳电池的电极和栅线图形经过特殊设计能够最大的利用收集电流支撑臂中空且绝缘，方便连接太阳电池与内核中的储能单元与信息处理单元。本发明所提供的内接多面体的可移动能源自给球体装置，能够根据应用需求的差异，提供了储能单元、信息处理单元了多种组合选择，传感探测单元和信息处理单元可以集成在面太阳电池的边缘或者面天太阳电池的背面或者内核里，储能单元可以集成在面太阳电池的背面或者内核里。同时球体驱动单元可以固定在内核上以方便在需要的时候驱动球体向特定目标抵近探测。
附图说明
图1为球体表面不同处太阳光入射角度分布示意图
图2为本发明中的内接多面体的可移动能源自给球体装置剖面示意图
图3为本发明中的球形罩组成示意图
图4为本发明中的面太阳电池表面示意图
图5为本发明提供的内接多面体的可移动能源自给球体装置的优选实施例结构示意图。
图6为本发明提供的内接多面体的可移动能源自给球体装置的优选实施例结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图2所示，本发明提供了一种内接多面体的可移动能源自给球体装置，该可移动能源自给球体装置从外向内依次包括球形罩(10)、内接多面体(20)和多面体支撑结构(30)三部分。
其中，所述的球形罩(10)本身由轻质透明塑料材料组成，该塑料材料对300-1700纳米范围内的太阳光具有高达90％以上的透过率，球形罩的外面镀有光学膜(11)。
其中所述的光学膜系(11)通常由氧化物组成，对300-1700纳米范围的太阳光具有<10％的反射率，更进一步，所述的球形罩表面或者镀有超材料(12)，能够使300-1700纳米范围的太阳光具有适当的光线偏转，使其能够有效聚焦在内接多面体的每个表面上的太阳电池上。
其中，所述的球形罩(10)还可以由电致变色材料组成，当需要隐蔽的时候，球体内储存的电施加在球形罩上，使其将颜色变换到外界不易察觉的程度。
其中，所述的内接多面体(20)通常由五角十二面体、三角二十面体等正多面体或每个面为正三角形和正方形之一的不规则多面体组成，内接多面体(20)的各个表面(21)由收集外界能量(包括太阳光或者红外辐射能)并转换成电能的太阳电池组成，即面太阳电池(22)，所述的组成多面体的面太阳电池(22)的面积与球形罩(10)的体积之间严格满足正多面体或不规则多面体的几何关联关系。
其中，所述的面太阳电池(21)由电池本体(22)、栅线(23)和汇流端(26)组成组成，栅线(23)包含环形(24)与交叉(25)连接两部分，环形部分(24)该多面体的面图形类似，呈现从里向外的层层嵌套，交叉部分(25)是从重心到边中点的线，将所有的环形部分(24)连接起来以方便太阳电池电流的收集。以三角形为例，分别是外面的三角形套内部的小三角形，每个三角形边的宽度与通常电池栅线的宽度一样，两个相邻三角形的距离取决于电池表面的迁移率和总的电流密度，从太阳电池的重心到三条边的中点存在三条直线链接，太阳电池的电流通过三角形的三个顶点的汇流端(26)输出。
其中，所述的面太阳电池(21)边缘可以用于集成传感器、探测器等感知单元(41)，面太阳电池(21)的背面可以用于集成传感器、探测器等感知单元(41)、储能单元(42)、能源控制单元(43)、信息处理单元(44)等。
其中，所述的多面体支撑结构(30)包含环形太阳电池托(31)、支撑臂(32)、内核(33)等三部分。
其中，所述的环形太阳电池托(31)贴在面太阳电池(22)的背面，用于链接支撑臂与面太阳电池本体，其圆心位在面太阳电池重心上，其半径小于面太阳电池重心到边的垂直距离。
其中，所述的支撑臂(32)用于链接太阳电池托(31)与内核(33)，支撑臂(32)的长度与面太阳电池的尺寸满足正多面体或不规则多面体几何关系，支撑臂(32)绝缘且内心中空，用来掩藏各种连接导线。
其中所述的内核(33)用于固定支撑臂(32)位置，并存放储能单元(42)、能源控制单元(43)、信息处理单元(44)等器件，其几何外形可以是立方体形、球体形等形状，尺寸满足存放储能控制和信息处理等各种单元空间尺寸。
其中所述的内核(33)可以固定球体移动驱动器件(45)，如偏心轮、微电机等，确保球体在需要的时候能够向某个特定目标方向适当滚动。
实施例1
图3是一种用于战场环境红外军事目标感知的可移动能源自给球体装置，能够探测某特定目标红外特征的传感器集成在面太阳电池的边缘，储能单元和信息处理单元集成在面太阳电池的背面，朝向太阳的面太阳电池始终工作产生电能供给储能储存和探测器件使用，当满足红外特征的目标经过时，探测器感知信号并把特征目标位置信息通过信号处理单元发射给某接受单位，同时发射信号给周围的球体一同向异常信息位置移动抵近进行详细扫描或者多个球体成阵列扫描。整个装置包括球形罩1、红外探测单元2、储能单元3、信息处理单元4、面太阳电池5、环形太阳电池托6、支撑臂7、内核8和移动驱动装置9。
实施例2
图4是一种用于建筑物断裂应力扫描感知的可移动能源自给球体装置，所携带的微波超声波扫描单元能够持续探测某特定建筑物的应力分布，微波超声波扫描单元集成在面太阳电池的边缘，储能单元和信息处理单元放在内核里，球体驱动装置固定在内核上，朝向太阳的面太阳电池始终工作产生电能供给储能储存和扫描单元使用，当该建筑物应力应分出现异常时时，扫描单元感知信号并把位置信息以及异常信息通过信号处理单元发射给某接受单位，同时发射信号给周围的球体一同向异常信息位置移动抵近进行详细扫描或者多个球体成阵列扫描。整个装置包括球形罩1、微波超声波扫描单元2、面太阳电池3、环形太阳电池托4、支撑臂5、内核6、储能单元7、信息处理单元8和移动驱动装置9。
综上所述，本发明公开了一种内接多面体的能源自给球体。该装置克服了已有球体装置滚动和能源获取相互制约的矛盾，在球体滚动过程中，内接多面体上的几个能够接受太阳光的面太阳电池持续发电，支撑感知环境状况的传感器探测器件阵列、信息处理单元、球体驱动单元持续工作，能够在滚动过程中兼顾发电与环境感知探测、信号发射、球体驱动等功能。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种内接多面体的能源自给球形装置，其特征在于，该能源自给球体装置从外向内依次包括球形罩(10)、内接多面体(20)和多面体支撑结构(30)三部分；
所述的球形罩(10)从内向外依次由球形罩本体(11)、光学膜(12)和光学微结构(13)组成；
所述的内接多面体(20)由正多面体，或每个面为正三角形和正方形之一的不规则多面体组成；
所述的多面体支撑结构(30)包含环形太阳电池托(31)、支撑臂(32)、内核(33)三部分。
2.根据权利要求1所述的内接多面体的能源自给球形装置，其特征在于，球形罩本体(11)由轻质透明塑料材料组成，在300-1700纳米范围内的太阳光具有高达90％以上的透过率；球形罩本体(11)的外面镀有光学膜(12)，该光学膜系(12)通常由氧化物组成，对300-1700纳米范围的太阳光具有<10％的反射率，光学膜(12)表面有光学微结构(13)，能够使300-1700纳米范围的太阳光具有适当的光线偏转，使其能够有效聚焦在内接多面体的每个表面上的太阳电池上。
3.根据权利要求1所述的内接多面体的能源自给球形装置，其特征在于，所述的球形罩(11)由电致变色材料组成，当需要隐蔽的时候，球体内储存的电施加在球形罩上，使其将颜色变换到外界不易察觉的程度。
4.根据权利要求1所述的内接多面体的能源自给球形装置，其特征在于，所述的内接多面体(20)由正多面体，或每个面为正三角形和正方形之一的不规则多面体组成，内接多面体(20)的各个表面由面太阳电池(21)组成，所述的面太阳电池(21)的面积与球形罩(10)的体积之间严格满足正多面体或不规则多面体的几何关联关系。
5.根据权利要求1所述的内接多面体的能源自给球形装置，其特征在于，所述的面太阳电池(21)由电池本体(22)、栅线(23)与汇流端(26)组成，栅线(23)包含环形(24)与交叉(25)连接两部分，环形部分(24)该多面体的面图形类似，呈现从里向外的层层嵌套，交叉部分(25)是从重心到边中点的线，将所有的环形部分(24)连接起来以方便太阳电池电流的收集。整个面太阳电池(21)的电流通过位于顶点的汇流端(26)输出。
6.根据权利要求1所述的内接多面体的能源自给球形装置，其特征在于，所述的面太阳电池(21)边缘用于集成传感器、探测器等感知单元(41)，面太阳电池(21)的背面用于集成传感器、探测器等感知单元(41)、储能单元(42)、能源控制单元(43)、信息处理单元(44)。
7.根据权利要求1所述的内接多面体的能源自给球形装置，其特征在于，所述的环形太阳电池托(31)贴在面太阳电池(21)的背面，用于链接支撑臂与面太阳电池本体，其圆心位在面太阳电池(21)重心上，其半径小于面太阳电池重心到边的垂直距离。
8.根据权利要求1所述的内接多面体的能源自给球形装置，其特征在于，所述的支撑臂(32)用于链接太阳电池托(31)与内核(33)，支撑臂(32)的长度与面太阳电池(21)的尺寸满足正多面体或不规则多面体几何关系，支撑臂(32)绝缘且内心中空，用来掩藏各种连接导线。
9.根据权利要求1所述的内接多面体的能源自给球形装置，其特征在于，所述的内核(33)用于固定支撑臂(32)位置，并存放储能单元(42)、能源控制单元(43)、信息处理单元(44)，其几何外形可以是立方体形、球体形等形状，尺寸满足存放储能控制和信息处理等各种单元空间尺寸。
10.根据权利要求1所述的内接多面体的能源自给球形装置，其特征在于，所述的内核(33)固定球体移动驱动器件(45)，确保球体在需要的时候能够向某个特定目标方向适当滚动。
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