CN111472953B - 月球温差移动式持续发电装置及其控制方法 - Google Patents

月球温差移动式持续发电装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了月球温差移动式持续发电装置及其控制方法，所述发电装置包括：旋转装置、连接在所述旋转装置上的绝热板、设置在所述绝热板两侧的第一半球腔和第二半球腔、设置在所述绝热板上的双向发电机；所述旋转装置用于旋转所述第一半球腔或所述第二半球腔，使所述第一半球腔或所述第二半球腔正对太阳光线，所述双向发电机穿过所述绝热板，工质可从所述第一/二半球腔穿过所述双向发电机到所述第二/一半球腔以使所述双向发电机发电并输出电能。利用月昼光照面和背光面之间的温差实现上下半球腔压力差并通过双向发电机发电，具有更高的发电效率，并且发电装置不受蓄热能力的限制，可在月昼长时间持续工作，发电量大。

Description

月球温差移动式持续发电装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及的是月球温差移动式持续发电装置及其控制方法。
背景技术
随着我国航天事业的发展，月球探测愈发频繁，如何解决探月工程中的能源供应问题，已成为科学界的热门话题。月球表面无云层阻隔，接近真空，太阳辐射非常强烈，光照面与背光面温差可达100℃以上；并且，一个月昼时间长达14.75个地球日。因此，太阳能是人类在月球活动的巨大能量来源。
当前，探月工程的能量来源主要是太阳能发电。然而，仅依靠太阳能电池板所发出的电量难以维持探月工程的长期进行；并且，太阳能电池板需要持续接受太阳光照才能持续发电保证月表设备具有持续的电能供应；此外，单一发电方式抗风险能力较低。现有技术中提出了一种蓄热及温差发电的装置和方法，但是该发电方式仅能在月夜使用，并且受到装置蓄热能力的限制，发电量非常有限。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供月球温差移动式持续发电装置及其控制方法，旨在解决现有技术中发电装置发电量有限的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
月球温差移动式持续发电装置，其中，包括：旋转装置、连接在所述旋转装置上的绝热板、分别设置在所述绝热板两侧的第一半球腔和第二半球腔、设置在所述绝热板上的双向发电机；所述旋转装置用于旋转以使所述第一半球腔或所述第二半球腔正对太阳光线，所述双向发电机穿过所述绝热板，且两端分别位于所述第一半球腔内和所述第二半球腔内，所述第一半球腔和所述第二半球腔形成用于容纳工质的球形腔体，所述工质可从所述第一/二半球腔穿过所述双向发电机到所述第二/一半球腔以使所述双向发电机发电并输出电能。
所述的月球温差移动式持续发电装置，其中，所述旋转装置包括：底座、设置在所述底座上的定向轴、设置在所述定向轴上的支架以及设置在所述支架上的翻转轴；所述翻转轴与所述绝热板连接，所述翻转轴的旋转方向与所述定向轴的旋转方向垂直，所述定向轴和所述翻转轴可旋转以使所述第一半球腔或所述第二半球腔正对太阳光线。
所述的月球温差移动式持续发电装置，其中，所述旋转装置固定在探月工程的移动设备上，球形腔体的下半部分嵌入移动设备内部。
所述的月球温差移动式持续发电装置，还包括：设置在所述绝热板上的第一太阳能电池板，以及设置在所述第一半球腔和所述第二半球腔上的第二太阳能电池板；所述第一太阳能电池板和所述第二太阳能电池板用于产生电能并驱动所述翻转轴和所述定向轴转动。
所述的月球温差移动式持续发电装置，其中，所述双向发电机可为双向磁悬浮发电机、汽轮发电机、螺杆发电机中的一种。
所述的月球温差移动式持续发电装置，其中，所述第一半球腔内设置有若干个第一导热管，所述第二半球腔内设置有若干个第二导热管。当第一半球腔正对太阳光线时，第一导热管可将第一半球腔表面的热量快速传递到第一半球腔内的工质中，加速工质蒸发；第二导热管可将第二半球腔内的工质中的热量及时传递到第二半球腔表面，加速工质冷凝。球体翻转后同理。
所述的月球温差移动式持续发电装置，其中，所述球形腔体为高吸收率材料制腔体。
一种采用如上述任意一项所述的月球温差移动式持续发电装置的控制方法，其中，包括以下步骤：
通过感光元件探测，驱动旋转装置转动，使所述第一半球腔或所述第二半球腔正对太阳光线；
检测双向发电机两侧的压力差，当压差小于预设值时，驱动旋转装置切换所述第一半球腔和所述第二半球腔的位置。
有益效果：(1)本发明利用月昼光照面和背光面之间的温差实现上下半球腔压力差并通过发电机发电，并且发电装置不受蓄热能力的限制，可在月昼长时间持续工作，发电量大。(2)本发明结合太阳能电池板作为辅助电源，能够保证月昼期间装置持续且稳定发电，具有极强的抗风险能力。
附图说明
图1是本发明中月球温差移动式持续发电装置的第一结构示意图。
图2是本发明中月球温差移动式持续发电装置的第二结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1和图2，本发明提供了一种月球温差移动式持续发电装置的一些实施例。图1和图2中实心箭头为太阳光线照射方向，图1中空心箭头为旋转装置的旋转方向。
如图1所示，本发明的月球温差移动式持续发电装置，包括：旋转装置、转动连接在所述旋转装置上的绝热板、分别设置在所述绝热板两侧的第一半球腔和第二半球腔、设置在所述绝热板上的双向发电机；所述旋转装置用于旋转以控制球形装置旋转，使面光半球腔始终正对太阳光线，使之接受光照的面积最大，同时背光半球腔恰好完全处于背光状态，以及翻转所述绝热板，所述双向发电机穿过所述绝热板，且两端分别位于所述第一半球腔内和所述第二半球腔内，所述第一半球腔和所述第二半球腔形成用于容纳工质的球形腔体，所述工质可从所述第一/二半球腔穿过所述双向发电机到所述第二/一半球腔以使所述双向发电机发电并输出电能。
值得说明的是，月球温差移动式持续发电装置采用如下方法控制从而进行发电：
步骤S100、通过驱动旋转装置，使所述第一半球腔或所述第二半球腔正对太阳光线。面光半球腔(此处以第一半球腔作为球形腔体的面光半球腔进行说明)始终正对太阳光线，使之接受光照的面积最大，同时背光半球腔(当面光半球腔为第一半球腔时，背光板球为第二半球腔)恰好完全处于背光状态。
本发明的发电装置是利用月球上光照面和背光面的温差进行发电，由于发电系统安置在月表某一固定位置上，太阳高度以及太阳光线照射角度是时间的单值函数，因此为了保证面光半球腔接受足够的光照，通过感光元件的信号以及内设程序驱动旋转装置，使面光半球腔始终正对太阳光线，使之接受光照的面积最大，同时背光半球腔恰好完全处于背光状态；球形腔体的面光半球腔可以充分接收太阳光线，获得较高的温度；而球形腔体的背光半球腔(即第二半球腔)由于没有受到太阳光线直射且受到环形太阳能电池板的遮挡，加上绝热板的存在，面光半球腔的热量难以传导至背光半球腔，背光半球腔获得较低的温度，也就是说，增大了第一半球腔和第二半球腔之间的温差值。
第一半球腔内的工质受热蒸发，并处于高温高压状态；第二半球腔内的工质被隔离没有受热，则处于低温低压状态，两个半球腔存在压差，第一半球腔内的工质会流向第二半球腔，也就是说第一半球腔内的工质膨胀做功带动双向发电机发电，流到第二半球腔后气态工质会被冷凝成液态。
步骤S200、检测双向发电机两侧的压力差，当压差小于预设值时，驱动旋转装置切换所述第一半球腔和所述第二半球腔的位置。
在第一半球腔内的工质流向第二半球腔时，第一半球腔内的工质的质量减少，腔内压力也会减小，则两个半球腔的压差逐渐减小(即压力逐渐趋于平衡)，第一半球腔流向第二半球腔的工质流量会减小，则双向发电机的输出功率也会减小，当两侧压差减小到预设值时，内置程序自动启动并驱动旋转装置翻转绝热板/球体，第二半球腔变成球形腔体的面光半球腔，第一半球腔变成球形腔体的背光半球腔，由于太阳光照热辐射的影响，第二半球腔变成高温高压状态，第一半球腔变成低温低压状态，第二半球腔内的工质会反向流动至第一半球腔，双向发电机会继续发电并输出电能。重复以上的发电过程，可以实现不间断发电。
本发明具有如下优势：
不同于传统太阳能电池板的光电转换发电方式，本发明利用月昼光照面和背光面之间的温差并通过双向发电机发电，具有更高的发电效率。
不同于利用月壤与月表之间温差发电，本发明的发电装置的使用无需开挖月壤，仅需安置在月球表面即可工作；同时本发明的发电装置属于可移动式发电系统，便于在月球表面不同设备上安置使用；此外，不同于蓄热温差发电，本发明的发电装置不受蓄热能力的限制，可在月昼长时间持续工作，发电量大；
不同于月球环境太阳能温差联合发电，本发明的发电装置几乎不受环境的限制，无需寻找合适的山阴面，适用于大部分登月着陆区域。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，所述旋转装置包括：底座、设置在所述底座上的定向轴、设置在所述定向轴上的支架以及设置在所述支架上的翻转轴；所述翻转轴与所述绝热板连接，所述翻转轴的旋转方向与所述定向轴的旋转方向垂直，所述定向轴和所述翻转轴可旋转以使所述第一半球腔或所述第二半球腔正对太阳光线。简单来说，若太阳处于一个XY轴坐标系中，定向轴转动可确定太阳在X轴方向的位置，翻转轴转动可确定太阳在Y轴方向的位置，通过定向轴和翻转轴可以准确得到太阳的位置，从而使面光半球腔始终正对太阳光线，使之接受光照的面积最大，同时背光半球腔恰好完全处于背光状态。
具体地，为了更好将面光半球腔调整到始终正对太阳光照，可以通过感光元件检测太阳辐射最强的方向，通过内置程序来驱动定向轴对支架进行旋转，并自动调整支架与底座之间的夹角，使得面光半球腔始终正对太阳光线，使之接受光照的面积最大，同时嵌入移动设备中的背光半球腔恰好完全处于背光状态。
支架呈U形，绝热板位于U形支架的开口处，翻转轴连接在U形支架的两端，翻转轴的转动可实现绝热板的翻转以及两个半球腔的位置的切换，这里两个半球腔的位置的切换是指第一半球腔替代了第二半球腔的位置，同时第二半球腔替代了第一半球腔的位置。
通过电机驱动球形腔体向两个方向的旋转：一方面，可以保证面光半球腔始终正对太阳，实现最大辐射接收面积；另一方面，能使两个半球腔调换位置，实现不间断发电。
在本发明的一个较佳实施例中，如图2所示，月球温差移动式持续发电装置还包括：设置在所述绝热板上的第一太阳能电池板，以及设置在所述第一半球腔和所述第二半球腔上的第二太阳能电池板。第一太阳能电池板为设置在绝热板外围的环形太阳能电池板50a，环形太阳能电池板50a围绕所述第一半球腔和第二半球腔设置，也就是说，环形太阳能电池板50a位于绝热板上第一半球腔和第二半球腔的外围，所述环形太阳能电池板主要用于正常工作期间产生电能并驱动所述翻转轴和所述定向轴转动，多出的电能也可输出。
具体地，绝热板除了起到隔绝热量传递的作用外，还起到承压的作用。中间的绝热板将球形腔体分隔为上下两个半球腔体，在一个球体中造成上下压力不同的两个部分。同时，绝热板在腔体外部延展出较大的面积，即环形太阳能电池板，一方面保证绝热板能够完全遮挡任何角度照射过来的太阳光，不使其照射在背光半球腔体表面，另一方面，展开的环形太阳能电池板可以保证足够大的太阳能光伏发电功率。
在本发明的一个较佳实施例中，如图2所示，第二太阳能电池板设置在第一半球腔和第二半球腔上，第二太阳能电池板与第一太阳能电池板相垂直，第二太阳能电池板呈带状(即带状太阳能电池板50b)，且第二太阳能电池板有多条，如图2所示，具有4条第二太阳能电池板均匀分布在第一半球腔和第二半球腔上。当然第二太阳能电池板的数量不能过多，以防止影响第一半球腔和第二半球腔收到的太阳光线。带状太阳能电池板50b不仅可以在正常工作期间驱动旋转装置，也可以在装置偏离正常朝向期间产生电能并驱动所述翻转轴和所述定向轴转动至设定朝向，多出的电能也可输出。
具体地，带状太阳能板50b呈近似三角状附着在球形装置表面，结合环状太阳能电池板50a，使得无论太阳光线从什么角度照射过来，都有足够的太阳能电池的接收面积，从而保证驱动装置正常工作。另外，带状太阳能电池板采用高吸收率、高导热率的光伏材料，尽可能减小太阳能电池板对太阳辐射的阻挡作用。
翻转轴和定向轴主要由太阳能电池板输出的电能进行转动，此外，双向发电机输出的电能作为辅助电源对翻转轴和定向轴进行驱动，避免太阳能电池板因故障时无法输出电能以对翻转轴和定向轴进行驱动的问题。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，所述双向发电机采用双向磁悬浮发电机、汽轮发电机或螺杆发电机。具体地，双向磁悬浮发电机可以实现双向发电，不论第一半球腔在上还是第二半球腔在上，都可以进行发电，从而实现不间断输出电能。双向磁悬浮发电机的转子与定子间不相接触，能有效减小机械损失。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，所述第一半球腔内设置有若干个第一导热管，所述第二半球腔内设置有若干个第二导热管。
具体地，第一导热管的一端与第一半球腔的内壁连接并竖直设置，第一导热管的另一端靠近绝热板或者说与绝热板连接。同样的，第二导热管的一端与第二半球腔的内壁连接并竖直设置，第二导热管的另一端靠近绝热板或者说与绝热板连接。当然，第一导热管和第二导热管也可以采用径向设置。
在本发明的一个较佳实施例中，如图1所示，所述球形腔体为高吸收率材料制作的腔体。具体地，一方面，为了便于光照面球形腔体吸收太阳的辐射，球形腔体由高吸收率材料制成，这种材料对太阳辐射具有很大的吸收率，能够最大程度吸收太阳能热辐射；另一方面，为了便于背光面球形腔体将做工发电后工质的余热辐射出去以便冷却工质，球形腔体由高吸收率材料制成，这种材料使球形腔体表面与移动设备具有很高的换热效率，能够对做工发电后的工质进行辐射散热。
本发明还提供了一种采用如上述任意一实施例所述的月球温差移动式持续发电装置的控制方法的较佳实施例：
本发明实施例的月球温差移动式持续发电装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤S100、通过驱动旋转装置，使所述第一半球腔或所述第二半球腔正对太阳光线，具体如上所述。
步骤S200、检测双向发电机两侧的压力差，当压差小于预设值时，驱动旋转装置切换所述第一半球腔和所述第二半球腔的位置，具体如上所述。
综上所述，本发明所提供的，应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.月球温差移动式持续发电装置，其特征在于，包括：旋转装置、转动连接在所述旋转装置上的绝热板、分别设置在所述绝热板两侧的第一半球腔和第二半球腔、设置在所述绝热板上的双向发电机；所述旋转装置用于旋转以使所述第一半球腔或所述第二半球腔正对太阳光线，所述双向发电机穿过所述绝热板，且两端分别位于所述第一半球腔内和所述第二半球腔内，所述第一半球腔和所述第二半球腔形成用于容纳工质的球形腔体，所述工质可从所述第一/二半球腔穿过所述双向发电机到所述第二/一半球腔以使所述双向发电机发电并输出电能。
2.根据权利要求1所述的月球温差移动式持续发电装置，其特征在于，所述旋转装置包括：底座、设置在所述底座上的定向轴、设置在所述定向轴上的支架以及设置在所述支架上的翻转轴；所述翻转轴与所述绝热板连接，所述翻转轴的旋转方向与所述定向轴的旋转方向垂直，所述定向轴和所述翻转轴可旋转以使所述第一半球腔或所述第二半球腔正对太阳光线。
3.根据权利要求1所述的月球温差移动式持续发电装置，其特征在于，所述旋转装置固定在探月工程的移动设备上，球形腔体的下半部分嵌入移动设备内部。
4.根据权利要求2所述的月球温差移动式持续发电装置，其特征在于，其还包括：设置在所述绝热板上的第一太阳能电池板，以及设置在所述第一半球腔和所述第二半球腔上的第二太阳能电池板；所述第一太阳能电池板和所述第二太阳能电池板用于产生电能并驱动所述翻转轴和所述定向轴转动。
5.根据权利要求1所述的月球温差移动式持续发电装置，其特征在于，所述双向发电机是双向磁悬浮发电机、汽轮发电机、螺杆发电机中的一种。
6.根据权利要求5所述的月球温差移动式持续发电装置，其特征在于，所述双向磁悬浮发电机采用磁悬浮轴承减小摩擦损失，并通过设计的入口形式使得双向磁悬浮发电机允许工质双向流动。
7.根据权利要求1所述的月球温差移动式持续发电装置，其特征在于，所述第一半球腔内设置有若干个第一导热管，所述第二半球腔内设置有若干个第二导热管。
8.根据权利要求1所述的月球温差移动式持续发电装置，其特征在于，所述球形腔体为高吸收率材料制腔体。
9.根据权利要求1所述的月球温差移动式持续发电装置，其特征在于，所述球形腔体表面分布有若干感光元件。
10.一种采用如权利要求1-6任意一项所述的月球温差移动式持续发电装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过驱动旋转装置，使所述第一半球腔或所述第二半球腔正对太阳光线；
检测双向发电机两侧的压力差，当压差小于预设值时，驱动旋转装置切换所述第一半球腔和所述第二半球腔的位置。
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