CN110601654A - 一种空间太阳能电站电池板结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间太阳能电站电池板结构，其包括能够展开的太阳能电池板组件，太阳能电池板组件至少包括电路连接并可沿转动轴线(3)折叠的第一电池板(1)和第二电池板(2)，第一电池板(1)边缘处固定有中心块(11)，在第二电池板(2)边缘处安装具有两个侧块(22)的底板(21)，两个侧块(22)置于中心块(11)的两侧并与枢轴(23)共同形成铰接结构，底座上设有通孔，紧固螺栓(4)穿过通孔将底座固定在第二电池板(2)的边缘处，由于两块相邻的电池板通过铰接结构连接，一块电池板大部的应力和热变形并不会对相邻的电池板传递，因此很好的解决了热震变形的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间太阳能电站，特别是一种包括根据空间太阳能电站电池板结构温差变形及时警示变形过大的紧固装置。
背景技术
随着全球经济的不断发展，能源与环境问题已成为当今最引人注目的两大课题。自从1968年美国人GLASER首次提出建立空间太阳能电站的设想以来，空间太阳能电站吸引着许多国家和科研机构的关注。美、日、欧等相继提出了20多种概念，并开展了一系列探索性的研究工作。空间太阳能电站处于太空环境中，在地球的同步轨道上运行时，会有很多外界因素的扰动，尤其是太阳光产生的热福射影响。由于电站系统结构巨大，且结构具有刚度低、阻尼小等特点，任何外界干扰将会对系统产生重要影响。由于绳系空间太阳能电站是超大型柔性空间结构，因此其结构振动极其容易影响能量传输到指定地面接收站的准确性,具体可见发明人之前发表的论文“绳系空间太阳能电站动力学响应分析，魏乙等，宇航学报，第37卷第9期，2016年9月”。
发明人还发现，空间太阳能电站系统在运行过程中，吸收光能，将一部分能量转化为电能，通过WPT技术传向地球，另一部分则转化为热能。由于电池板上下表面的吸收率及福射率的不同，板上下表面存在一定的温差，而又频繁的出入日照区和阴影区，电池板在突加热流的作用下，产生时变的温差，在时变的温度梯度作用下甚至会发生热振动，因此，相应的紧固结构会因此发生变形甚至断裂。如果在太空时发生紧固件断裂的情况，视觉检查很难发现相应的失效缺陷，如何有效的防止由于空间太阳能电站由于温差产生的各种结构变形带来的安全隐患是本领域长期希望解决的问题，特别是对于电池板组件的不期望的振动的防范与监控，是本领域长期希望解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出一种能够对空间太阳能电站的电池板结构更好的紧固并在结构变形过大时提出警示的装置。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
一种空间太阳能电站电池板结构，其包括能够展开的太阳能电池板组件，太阳能电池板组件至少包括电路连接并可沿转动轴线折叠的第一电池板和第二电池板，其特征在于，第一电池板边缘处固定有中心块，在第二电池板边缘处安装具有两个侧块的底板，两个侧块置于中心块的两侧并与枢轴共同形成铰接结构，底座上设有通孔，紧固螺栓穿过通孔将底座固定在第二电池板的边缘处。空间太阳能电站结构在轨运行期间会频繁的经受冷热交替的环境，太阳能电池板上下表面会出现高低温的剧烈变化，这种温度变化不仅会引起太阳能板及相应铰接结构发生热变形，但由于两块相邻的电池板通过铰接结构连接，一块电池板大部的应力和热变形并不会对相邻的电池板传递，因此很好的解决了热振变形的问题。
本发明重要的发明构思在于提出适应于空间太阳能电站的电池板的紧固结构，用于防松及工作异常时的预警，特别是，紧固螺栓包括头部和螺杆，头部一侧中心处设有沉槽，另一侧为螺杆，头部周向上、靠向螺杆侧设有法兰；弹性扣、弹性垫圈依次套设在螺杆上；紧固螺栓在正常工作状态时，法兰下表面将弹性扣压向安装面，紧固螺栓失效或异常时，弹性扣变形并将紧固螺栓推向远离安装面方向。弹性扣包括平整区及其外侧的放射状均匀分布的弯臂，在平整区受到压紧力不足时，弯臂向弹性扣底侧弯折，弯臂的自由端释放法兰的上表面，并在弯臂弧形外表面的作用下将头部推向远离安装面的方向；在弹性扣上表面受到足够压力时，弯臂与平整区变形为平滑过度，且弯臂的自由端向上向内收拢并能够按压法兰的上表面。由于弹性垫圈在任何情况下均为平整状，弹性扣位于弹性垫圈上，其在正常工作中可以沿螺栓轴线向螺纹方向扣紧螺栓头部，由于其是平整弹性体，在施加力的方向上严格的保持沿着螺栓轴线不偏移。
而且，如果紧固螺栓因为螺孔或螺栓本身发生热变形导致提供的紧固力量不足，或者更严重的发生螺杆受到剪应力而断裂，弯臂会向弹性扣底侧弯折并将螺栓头部推向远离安装面的方向，而弯臂也会像花朵一样绽开，与其他正常工作状态的紧固作发生明显的视觉上的差异，从而发出警示。这样，可以利用视觉来发现工作异常的螺钉，进行更换或者维护，从而消除不期望的电池板组件的振动异常。
弹性扣下表面靠近中心螺钉孔还设有压止环，弹性垫圈过盈配合的套设在螺杆根部的锥形区段，在弹性扣平整区压紧弹性垫圈时，压止环能够与安装面配合使弹性垫圈在相应区域发生更大形变。形变越大就代表着弹性垫与安装面之间的摩擦力更大，由于压止环的作用，弹性垫圈不会相对于安装面发生沿表面移动的位移，因此，在过盈配合的作用下，弹性垫圈能够一直保持对螺栓的径向支撑作用，并能缓冲螺栓受到的振动。
压止环的直径小于通孔的内径，弹性垫圈的部分区域被压止环和通孔内壁夹紧，且弹性垫圈的内圈与螺杆根部的锥形区段过盈配合。压止环的直径小于通孔的内径，即正常工作状态下，压止环至少部分会进入到通孔内、安装面之下，弹性垫圈的至少部分区域被压止环和通孔内壁夹紧，且弹性垫圈的内圈与螺杆根部的锥形区段过盈配合。此时，不但压止环能够防止螺栓的非安装轴线的偏移，通孔的内壁也能参与到防止螺栓的非安装轴线的偏移效果中，进一步提高支撑和减振的效果。
沉槽包括中心的内十字槽，和内十字槽外侧与之相通的定位槽，定位槽包括向内向下倾斜的导向斜面，导向斜面在底部通过向内向上倾斜的斜底与内十字槽相连。
中心块与侧块之间设有垫片，枢轴两侧设有防止其从孔中脱出的卡簧。
附图说明
图1为本发明的空间太阳能电站的电池板组件局部结构示意图；
图2为本发明的电池板组件铰接结构示意图；
图3为本发明的紧固螺栓第一结构示意图；
图4为本发明的紧固螺栓第二结构示意图；
图5为本发明的紧固螺栓被压紧状态时俯视图。
附图标记说明：
第一电池板1，中心块11，第二电池板2，底板21，通孔211，侧块22，枢轴23，卡簧24，限位块25，垫片26，转动轴线3，紧固螺栓4，头部41，螺杆42，法兰43，弹性扣44，压止环441，弯臂442，平整区443，间隔444，沉槽45，内十字槽451，定位槽452，导向斜面453，斜底454，弹性垫圈46。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
延伸并不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
空间太阳能电站，其包括能够展开的太阳能电池板组件，太阳能电池板组件至少包括电路连接并可沿转动轴线3折叠的第一电池板1和第二电池板2，空间太阳能电站被发射时其太阳能电池板组件处于折叠状态，星箭分离后打开并在飞行过程中不断调整方向，使太阳能电池板对准太阳，为其工作提供能量。在本实施例中，第一电池板1边缘处固定有中心块11，在第二电池板2边缘处安装具有两个侧块22的底板21，两个侧块22置于中心块11的两侧并与枢轴23共同形成铰接结构，底座上设有通孔，紧固螺栓4穿过通孔将底座固定在第二电池板2的边缘处，因此，本实施例中，太阳能电池板组件的翼展开机构为铰接可展机构，铰接可展机构的展开过程由铰链活动实现，展开过程中机构扫过的空间要大于机构最终占据的空间，空间太阳能电站结构在轨运行期间会频繁的经受冷热交替的环境，太阳能电池板上下表面会出现高低温的剧烈变化，这种温度变化不仅会引起太阳能板及相应铰接结构发生热变形，但由于两块相邻的电池板通过铰接结构连接，一块电池板大部的应力和热变形并不会对相邻的电池板传递，因此很好的解决了热振变形的问题。
出于应对铰接结构的变形，本实施例采用了紧固螺栓4，其包括头部41和螺杆42，头部41一侧中心处设有沉槽，另一侧为螺杆42，螺杆42外侧设有根据需要加工的外螺纹，这些是螺栓的常规结构，头部41周向上、靠向螺杆42侧设有法兰43；还设有弹性扣44、弹性垫圈46依次套设在螺杆42上；工作状态时，头部41的法兰的下表面依次压向弹性扣44、弹性垫圈46从而作用在安装面上，将部件一和部件二紧固，紧固螺栓4在正常工作状态时，法兰43下表面将弹性扣44压向安装面，紧固螺栓4失效或异常时，弹性扣44变形并将紧固螺栓4推向远离安装面方向。在现有技术中，通常采用螺栓加弹簧垫圈的形式来紧固，但弹簧垫圈首先不能施加给螺栓向螺纹方向的力，只有预紧防松的作用，另外，弹簧垫圈一般为螺旋状的开口结构，其本身就不是一个平整结构，这种结构容易使螺栓发生安装轴线上的偏移，特别是在空间太阳能电站这种恶劣工况下使用的紧固结构，螺栓本身就受形变的干扰，如果复合了弹簧垫圈的非平衡的弹力，更加大了螺栓断裂的风险。本实施例中弹性垫圈46在任何情况下均为平整状，弹性扣44位于弹性垫圈上，其在正常工作中可以沿螺栓轴线向螺纹方向扣紧螺栓头部，其中弹性垫圈46的作用类似现有技术的弹簧垫圈能够起到防松和预紧的作用，但由于其是平整弹性体，在施加力的方向上严格的保持沿着螺栓轴线不偏移。
一个较优的实施例中，弹性扣44包括平整区443及其外侧的放射状均匀分布的弯臂442，在平整区443受到压力不足时，弯臂442向弹性扣44底侧弯折，弯臂442的自由端释放法兰43的上表面，并在弯臂442弧形外表面的作用下将头部推向远离安装面的方向；在弹性扣44上表面受到足够压力时，弯臂442与平整区443变形为平滑过度，且弯臂442的自由端向上向内收拢并能够按压法兰43的上表面。弹性扣44在本实施例中极为重要，考虑到在太空中，太阳能电池板组件使用的螺栓较多，另外也无法像在平时那种随时的防松检测，在对太阳能电池板组件螺栓进行工作状态检测时，需要以简单明了的方式进行，本实施例中，如果该紧固螺栓因为螺孔或螺栓本身发生热变形导致提供的紧固力量不足，或者更严重的发生螺杆受到剪应力而断裂，弯臂442会向弹性扣44底侧弯折并将螺栓头部推向远离安装面的方向，而弯臂也会像花朵一样绽开，与其他正常工作状态的紧固作发生明显的视觉上的差异，从而发出警示。
对于正常工作状态的紧固螺栓来说，紧固的同时起到抗振缓冲的作用是更加有益的，因此，更优的，弹性扣44下表面靠近中心螺钉孔还设有压止环441，压止环441可以一体形成在弹性扣44上，弹性垫圈46过盈配合的套设在螺杆根部的锥形区段，在弹性扣44平整区443压紧弹性垫圈46时，压止环441能够与安装面配合使弹性垫圈46在相应区域发生更大形变，此时，由于压止环441的作用，弹性垫圈46不会相对于安装面发生沿表面移动的位移，因此，在过盈配合的作用下，弹性垫圈46能够一直保持对螺栓的径向支撑作用，并能缓冲螺栓受到的振动。
一种可行的较优的方案为，压止环441的直径小于通孔211的内径，即正常工作状态下，压止环441至少部分会进入到通孔211内、安装面之下，弹性垫圈46的至少部分区域被压止环441外侧表面和通孔211内壁夹紧，且弹性垫圈46的内圈与螺杆根部的锥形区段过盈配合。此时，不但压止环441能够防止螺栓的非安装轴线的偏移，通孔211的内壁也能参与到防止螺栓的非安装轴线的偏移效果中，进一步提高支撑和减振的效果。
对于一种更优的，沉槽45包括中心的内十字槽451，和内十字槽451外侧与之相通的定位槽452，定位槽452包括向内向下倾斜的导向斜面453，导向斜面453在底部通过向内向上倾斜的斜底454与内十字槽451相连，维修人员将使用与沉槽底部形状相适用的驱动头来驱动螺栓的旋转，该驱动头在周向上为平直圆筒状，与导向斜面453间隙配合；由于存在定位槽，可以使驱动头在进入沉槽时先被导向，再被导向斜面453与斜底454夹角区域定位，防止现有技术中的驱动头容易相对于沉槽发生偏角并脱出。
在一个更优实施例中，在法兰上表面设有防转块，防转块位于两个相邻弯臂442之间，如位于间隙444处，当紧固螺栓受到预紧力达到阈值时，弹性扣的弯臂自由端向内扣住法兰上表面并被防转块限位。
延伸并不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (8)
1.一种空间太阳能电站电池板结构，其包括能够展开的太阳能电池板组件，太阳能电池板组件至少包括电路连接并可沿转动轴线(3)折叠的第一电池板(1)和第二电池板(2)，其特征在于，第一电池板(1)边缘处固定有中心块(11)，在第二电池板(2)边缘处安装具有两个侧块(22)的底板(21)，两个侧块(22)置于中心块(11)的两侧并与枢轴(23)共同形成铰接结构，底座上设有通孔，紧固螺栓(4)穿过通孔将底座固定在第二电池板(2)的边缘处。
2.根据权利要求1所述的一种空间太阳能电站电池板结构，其特征在于：紧固螺栓(4)包括头部(41)和螺杆(42)，头部(41)一侧中心处设有沉槽，另一侧为螺杆(42)，头部(41)周向上、靠向螺杆(42)侧设有法兰(43)；弹性扣(44)、弹性垫圈(46)依次套设在螺杆(42)上，弹性垫圈为平整弹性体；紧固螺栓(4)在正常工作状态时，法兰(43)下表面将弹性扣(44)压向安装面，紧固螺栓(4)失效或异常时，弹性扣(44)变形并将紧固螺栓(4)推向远离安装面方向。
3.根据权利要求2所述的空间太阳能电站，其特征在于：弹性扣(44)包括平整区(443)及其外侧的放射状均匀分布的弯臂(442)，在平整区(443)受到压紧力不足时，弯臂(442)向弹性扣(44)底侧弯折，弯臂(442)的自由端释放法兰(43)的上表面，并在弯臂(442)弧形外表面的作用下将头部推向远离安装面的方向；在弹性扣(44)上表面受到足够压力时，弯臂(442)与平整区(443)变形为平滑过度，且弯臂(442)的自由端向上向内收拢并能够按压法兰(43)的上表面。
4.根据权利要求3所述的一种空间太阳能电站电池板结构，其特征在于：弹性扣(44)下表面靠近中心螺钉孔还设有压止环(441)，弹性垫圈(46)过盈配合的套设在螺杆根部的锥形区段，在弹性扣平整区(443)压紧弹性垫圈(46)时，压止环(441)能够与安装面配合使弹性垫圈(46)在相应区域发生更大形变。
5.根据权利要求4所述的一种空间太阳能电站电池板结构，其特征在于：压止环(441)的直径小于通孔(211)的内径，弹性垫圈(46)的部分区域被压止环(441)和通孔(211)内壁夹紧，且弹性垫圈(46)的内圈与螺杆根部的锥形区段过盈配合。
6.根据权利要求2所述的一种空间太阳能电站电池板结构，其特征在于：沉槽(45)包括中心的内十字槽(451)，和内十字槽外侧与之相通的定位槽(452)，定位槽包括向内向下倾斜的导向斜面(453)，导向斜面(453)在底部通过向内向上倾斜的斜底(454)与内十字槽(451)相连。
7.根据权利要求1所述的一种空间太阳能电站电池板结构，其特征在于：中心块11与侧块(22)之间设有垫片(26)，枢轴(23)两侧设有防止其从孔中脱出的卡簧(24)。
8.根据权利要求3所述的一种空间太阳能电站电池板结构，其特征在于：在法兰上表面设有防转块，防转块位于两个相邻弯臂(442)之间，当紧固螺栓受到预紧力达到阈值时，弯臂自由端向内扣住法兰上表面并被防转块限位。
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