CN113148248A - 人造卫星温差发电系统的太空环境模拟平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种人造卫星温差发电系统的太空环境模拟平台及方法，能够实现对温差发电系统在人造卫星上的各种工作状态进行等效模拟和收集实验数据，进而对人造卫星温差发电系统进行优化设计。研究者利用本发明可以在实验室环境中模拟人造卫星上温差发电系统的发电情况，研究多种不同结构人造卫星和温差发电片的工作情况，寻找能实现最高能量转换效率的组合安装方式；可以在真实实验中采集数据，有效观察仿真中可能会忽略的问题。

Description

人造卫星温差发电系统的太空环境模拟平台及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种人造卫星温差发电系统的太空环境模拟平台及方法。

背景技术

由于太空环境是一种近真空状态，没有大气遮挡，人造卫星在太空中飞行时会直接接受太阳光的照射。向阳面的温度可以达到100℃以上，而背阳面的温度可以达到-100℃以下。这种巨大的温度差异令温差发电技术在卫星供能装置的设计中得以发展。

在现有技术中，有不少针对各种太空环境和卫星模型设计的系统或仿真，但对温差发电技术在人造卫星模型中的模拟平台却鲜有人提及。温差发电片在人造卫星中的安装部位和数量，以及温差发电片材料和形状的设计，对人造卫星表面温度的影响等都是会影响温差发电效果的变量，并且由于太空环境与平时生活环境的差异巨大，需要设计特殊的实验平台去学习这些变量，从而设计出具有更高效率的人造卫星温差发电系统。

发明内容

为解决上述现有问题，本发明提出了一种人造卫星温差发电系统的太空环境模拟平台及方法，能够实现对温差发电系统在人造卫星上的各种工作状态进行等效模拟和收集实验数据，进而对人造卫星温差发电系统进行优化设计。

为实现上述目的，本发明的一种人造卫星温差发电系统的太空环境模拟平台，包括太阳模型、人造卫星模型、温差发电片、底座、导轨、导线封装管、内层箱体、外层箱体、遮光板、电机、电机控制模块、实验数据采集模块、环境监测模块以及真空抽气泵；

内层箱体和外层箱体组成一个带夹层的透明结构，在夹层中间安装有遮光板和各个模块的布线；

内层箱体上设有可关闭的透气孔；

底座连接在外层箱体底部；底座留有导线封装接口，实验箱体内部导线均从该封装接口引出，与外界终端连接；

电机和导轨安装在所述底座中；人造卫星模型通过导线封装管与导轨连接；所述电机在电机控制模块控制下控制人造卫星模型运动；所述电机控制模块用于控制人造卫星模型在箱体内的位置以及旋转角度，实现对人造卫星模型向阳面和背阳面的调整，以及与太阳模型距离远近的调整；

所述导线封装管内安装有各类传感器引线和电机控制线，用于人造卫星模型的实验数据采集；

太阳模型安装在远离人造卫星模型的位置，所述太阳模型为加热源，用于模拟太空中太阳对人造卫星的加热情况；

温差发电片安装在人造卫星模型上；

所述实验数据采集模块用于对温差发电片电压、电流、压强、冷和热端温度的采集，以及对人造卫星模型各重要部位在实验过程中的温度采集；

所述环境监测模块用于对箱体内部温度监测、对人造卫星模型向阳面和背阳面的温度监测、对太阳模型加热的控制以及对箱体遮光强度的控制以及对真空情况的监测与控制；

所述真空抽气泵在环境监测模块控制下对所述内层箱体进行真空抽气。

其中，所述底座可拆卸。

其中，所述温差发电片根据实验需求有多组串或并联模式，并且可拆卸替换。

其中，所述环境监测模块的具体控制方式为：实验预热时控制箱体放下遮光板，调整遮光板角度和颜色深浅，启动真空抽气泵缓慢排空箱体内的空气，根据箱内真空情况实时调控真空抽气泵的开启与关闭，逼近真实太空环境，控制太阳模型的加热功率，使人造卫星模型向阳面和背阳面温度达到真实太空环境中的温度，当实验结束时控制箱体收起遮光板，关闭真空泵，关闭太阳模型的加热。

其中，还包括摄像头以及摄像控制模具，所述摄像控制模块用于对箱内环境进行实时视频传输，方便研究者能实时观察到实验箱内的实验情况。

其中，还包括摄像头以及摄像控制模具，所述摄像控制模块用于对箱内环境进行实时视频传输，方便研究者能实时观察到实验箱内的实验情况。

本发明的一种人造卫星温差发电系统的太空环境模拟方法，采用本发明所述的模拟平台进行模拟，包括如下步骤：

完成模拟平台搭建，开始进行模拟实验；模拟实验步骤具体如下：

利用电机控制模块控制人造卫星模型按照设定的角度发生旋转变化，按照设定的运动轨迹和速度在导轨上移动；

实验数据采集模块开始工作，采集温差发电片的电压、电流、压强、冷热端温度等数据，最终通过导线封装接口将传感器与外部终端连接，进行数据的传输；

在实验过程中，环境监测模块一直持续工作，实时监测箱体内特定位置的温度、光强以及真空情况，对遮光板、太阳模型和真空抽气泵做出调整，使实验过程中实验箱体内的实验环境维持在设定的状态；当一次实验结束，通过现有实验数据考虑是否需要更换温差发电片的安装位置、选择不同尺寸的温差发电片、选择更换不同造型的人造卫星模型、更换实验环境或者依照当前实验设置继续进行实验。

其中，如果不需要更换设置，实验箱体继续运行；

如果需要更换实验环境的设定，重新调整实验环境各项参数，摄像控制和实验数据采集模块暂时关闭，环境监测模块对实验箱体内的环境进行重新调整控制，当重新达到新的实验环境后，重新开启摄像控制和实验数据采集模块，进行实验；

如果需要更换新的硬件设备，摄像控制和实验数据采集模块关闭，环境监测模块控制遮光板收起，关闭太阳模型的加热功能，关闭真空抽气泵，打开设置在内层箱体上的透气孔使空气缓慢流入箱体内，人造卫星模型回到初始角度和初始位置；待箱体内压强回复正常，打开可拆卸底座，更换新的硬件设备，重新连接底座，环境监测模块重新按照设定对箱体内环境进行调控，重新进行实验；

如果停止实验，采用更换新的硬件设备相同的步骤，待箱体内压强回复正常后即关闭环境监测模块，实验结束。

其中，搭建模拟平台的具体步骤为：

当实验开始前，打开可拆卸底座，安装连接人造卫星模型，安装温差发电片；安装完毕后连接可拆卸底座和实验箱体，环境监测模块开始工作；按照对实验环境的设定逐步调整实验箱体内的温度、真空情况和光照情况；

环境监测模块实时监测箱体内部温度、人造卫星模型向阳面和背阳面温度，并调节太阳模型的加热功率，控制箱体内实验温度；环境监测模块控制遮光板的收放、角度和颜色深浅，尽可能接近真实太空中光照强度；环境监测模块控制真空抽气泵开启，排出箱体内空气，根据箱体内的真空情况实时控制真空抽气泵的抽气速度，尽可能使箱体内的真空环境接近太空环境；当环境监测模块所测箱体内环境达到研究人员设定标准后，完成模拟平台搭建。

有益效果：

本发明实现对温差发电系统在人造卫星上的各种工作状态进行等效模拟和收集实验数据，进而对人造卫星温差发电系统进行优化设计。

研究者利用本发明可以在实验室环境中模拟人造卫星上温差发电系统的发电情况，研究多种不同结构人造卫星和温差发电片的工作情况，寻找能实现最高能量转换效率的组合安装方式；可以在真实实验中采集数据，有效观察仿真中可能会忽略的问题。

附图说明

图1为本发明实施例模拟平台内部结构示意图。

图2为本发明实施例模拟平台外部结构示意图。

其中，1-摄像头，2-太阳模型，3-人造卫星模型，4-温差发电片，5-可拆卸底座，6-导轨，7-导线封装接口，8-导线封装管，901-内层箱体，902-外层箱体，10-遮光板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1展示本实施例的模拟平台内部示意结构，图2展示了本实施例模拟平台外部示意结构。所述模拟平台包括摄像头1、太阳模型2、人造卫星模型3、温差发电片4、可拆卸底座5、导轨6、导线封装管8、内层箱体901、外层箱体902、遮光板10、电机、电机控制模块、实验数据采集模块、环境监测模块以及摄像控制模块；

内层箱体901和外层箱体902组成一个带夹层的透明结构，在夹层中间安装有遮光板10和各个模块的布线。

摄像头1至少为8个，分别安装在实验箱体各个位置，用于在实验进行时对实验箱体内部实验情况进行实时观察和监视。

可拆卸底座5连接在外层箱体902底部。可拆卸底座5留有导线封装接口7，实验箱体内部导线均从该封装接口7引出，与外界终端(例如电源或笔记本电脑)连接。通过拆卸可拆卸底座5可以打开实验箱体，更换箱体中的设备或者进行日常维护。

电机和导轨6安装在所述可拆卸底座5中；人造卫星模型3通过导线封装管8与导轨6连接，受电机控制发生移动和旋转，有多种不同造型的人造卫星模型，可以根据实验需要进行拆卸更换。所述电机在电机控制模块控制下控制人造卫星模型3运动。其中。所述电机控制模块用于控制人造卫星模型在箱体内的位置以及旋转角度，实现对人造卫星模型向阳面和背阳面的调整，以及与太阳模型距离远近的调整。

所述导线封装管8内安装有各类传感器引线和电机控制线，用于人造卫星模型3的实验数据采集，但不局限于数据采集。

太阳模型2安装在远离人造卫星模型3的位置，所述太阳模型2为加热源，用于模拟太空中太阳对人造卫星的加热情况。

温差发电片4安装在人造卫星模型3上，根据实验需求可以有多组串、并联模式，并且可以拆卸替换不同尺寸结构的温差发电片。

所述实验数据采集模块用于对温差发电片电压、电流、压强、冷和热端温度的采集，以及对人造卫星模型各重要部位在实验过程中的温度采集；

所述环境监测模块用于对箱体内部温度监测、对人造卫星模型向阳面和背阳面的温度监测、对太阳模型加热的控制以及对箱体遮光强度的控制以及对真空情况的监测与控制，具体为：当实验预热时控制箱体放下遮光板，调整遮光板角度和颜色深浅，启动真空抽气泵缓慢排空箱体内的空气，根据箱内真空情况实时调控真空抽气泵的开启与关闭，尽可能逼近真实太空环境，控制太阳模型的加热功率，使人造卫星模型向阳面和背阳面温度尽可能达到真实太空环境中的温度，当实验结束时控制箱体收起遮光板，关闭真空泵，关闭太阳模型的加热。

进一步地，所述摄像控制模块用于对箱内环境进行实时视频传输，方便研究者能实时观察到实验箱内的实验情况。

本发明还提供了一种人造卫星温差发电系统的太空环境模拟方法，包括如下步骤：

搭建模拟平台：

当实验开始前，打开可拆卸底座5，由研究人员选择一款设计好的人造卫星模型3进行安装连接，同时选择合适的位置和数量安装温差发电片4；安装完毕后连接可拆卸底座5和实验箱体，环境监测模块开始工作；按照研究人员对实验环境的设定逐步调整实验箱体内的温度、真空情况和光照情况。

环境监测模块实时监测箱体内部温度，人造卫星模型3向阳面和背阳面温度，并调节太阳模型2的加热功率，控制箱体内实验温度。环境监测模块控制遮光板10的收放、角度和颜色深浅，尽可能接近真实太空中光照强度。环境监测模块控制真空抽气泵开启，缓慢排出箱体内空气，根据箱体内的真空情况实时控制真空抽气泵的抽气速度，尽可能使箱体内的真空环境接近太空环境。当环境监测模块所测箱体内环境达到研究人员设定标准后，完成模拟平台搭建，开始进行模拟实验。

模拟实验步骤具体如下：

开启摄像控制摄像头8，对箱体内实验进行全方位实时记录。

利用电机控制模块控制人造卫星模型3按照研究人员设定的角度发生旋转变化，按照研究人员设定的运动轨迹和速度在导轨6上移动。

实验数据采集模块开始工作，采集温差发电片4的电压、电流、压强、冷热端温度等数据，最终通过导线封装接口7将传感器与外部终端连接，进行数据的传输。

在实验过程中，环境监测模块一直持续工作，实时监测箱体内特定位置的温度、光强、真空等情况，对遮光板10、太阳模型2、真空抽气泵等工作设备做出调整，使实验过程中实验箱体内的实验环境能够维持在研究人员设定的状态。

当一次实验结束，研究人员可以通过现有实验数据考虑是否需要更换温差发电片4的安装位置、选择不同尺寸的温差发电片4、选择更换不同造型的人造卫星模型3、更换实验环境(例如人造卫星模型3距离太阳模型2的相对位置)或者依照当前实验设置继续进行实验。

如果不需要更换设置，实验箱体将会继续运行。

如果需要更换实验环境的设定，研究人员只需重新调整实验环境各项参数，摄像控制和实验数据采集模块将会暂时关闭，环境监测模块对实验箱体内的环境进行重新调整控制，当重新达到新的实验环境后，重新开启摄像控制和实验数据采集模块，进行实验。

如果需要更换新的硬件设备，摄像控制和实验数据采集模块将会关闭，环境监测模块控制遮光板10收起，关闭太阳模型2的加热功能，关闭真空抽气泵，打开设置在内层箱体上的透气孔使空气缓慢流入箱体内，人造卫星模型3回到初始角度和初始位置。待箱体内压强回复正常，打开可拆卸底座5，更换新的硬件设备，重新连接可拆卸底座5，环境监测模块重新按照设定对箱体内环境进行调控，重新进行实验。

如果停止实验，采用更换新的硬件设备相同的步骤，待箱体内压强回复正常后即关闭环境监测模块，实验结束。

优选的，可以将传感器与上位机连接，通过电脑记录所得到的实验数据。

在该实施案例中提到的更换新的硬件设备只是一种举例，包括但并不局限于更换不同造型的人造卫星模型3、将温差发电片4安装在不同位置以及更换不同尺寸的温差发电片4，进行故障检修排除等操作。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种人造卫星温差发电系统的太空环境模拟平台，其特征在于，包括太阳模型、人造卫星模型、温差发电片、底座、导轨、导线封装管、内层箱体、外层箱体、遮光板、电机、电机控制模块、实验数据采集模块、环境监测模块以及真空抽气泵；

内层箱体和外层箱体组成一个带夹层的透明结构，在夹层中间安装有遮光板和各个模块的布线；

内层箱体上设有可关闭的透气孔；

底座连接在外层箱体底部；底座留有导线封装接口，实验箱体内部导线均从该封装接口引出，与外界终端连接；

电机和导轨安装在所述底座中；人造卫星模型通过导线封装管与导轨连接；所述电机在电机控制模块控制下控制人造卫星模型运动；所述电机控制模块用于控制人造卫星模型在箱体内的位置以及旋转角度，实现对人造卫星模型向阳面和背阳面的调整，以及与太阳模型距离远近的调整；

所述导线封装管内安装有各类传感器引线和电机控制线，用于人造卫星模型的实验数据采集；

太阳模型安装在远离人造卫星模型的位置，所述太阳模型为加热源，用于模拟太空中太阳对人造卫星的加热情况；

温差发电片安装在人造卫星模型上；

所述实验数据采集模块用于对温差发电片电压、电流、压强、冷和热端温度的采集，以及对人造卫星模型各重要部位在实验过程中的温度采集；

所述环境监测模块用于对箱体内部温度监测、对人造卫星模型向阳面和背阳面的温度监测、对太阳模型加热的控制以及对箱体遮光强度的控制以及对真空情况的监测与控制；

所述真空抽气泵在环境监测模块控制下对所述内层箱体进行真空抽气。

2.如权利要求1所述的模拟平台，其特征在于，所述底座可拆卸。

3.如权利要求1或2所述的模拟平台，其特征在于，所述温差发电片根据实验需求有多组串或并联模式，并且可拆卸替换。

4.如权利要求1所述的模拟平台，其特征在于，所述环境监测模块的具体控制方式为：实验预热时控制箱体放下遮光板，调整遮光板角度和颜色深浅，启动真空抽气泵缓慢排空箱体内的空气，根据箱内真空情况实时调控真空抽气泵的开启与关闭，逼近真实太空环境，控制太阳模型的加热功率，使人造卫星模型向阳面和背阳面温度达到真实太空环境中的温度，当实验结束时控制箱体收起遮光板，关闭真空泵，关闭太阳模型的加热。

5.如权利要求1、2或4所述的模拟平台，其特征在于，还包括摄像头以及摄像控制模具，所述摄像控制模块用于对箱内环境进行实时视频传输，方便研究者能实时观察到实验箱内的实验情况。

6.如权利要求3所述的模拟平台，其特征在于，还包括摄像头以及摄像控制模具，所述摄像控制模块用于对箱内环境进行实时视频传输，方便研究者能实时观察到实验箱内的实验情况。

7.一种人造卫星温差发电系统的太空环境模拟方法，其特征在于，采用如权利要求3所述的模拟平台进行模拟，包括如下步骤：

完成模拟平台搭建，开始进行模拟实验；模拟实验步骤具体如下：

利用电机控制模块控制人造卫星模型按照设定的角度发生旋转变化，按照设定的运动轨迹和速度在导轨上移动；

实验数据采集模块开始工作，采集温差发电片的电压、电流、压强、冷热端温度等数据，最终通过导线封装接口将传感器与外部终端连接，进行数据的传输；

在实验过程中，环境监测模块一直持续工作，实时监测箱体内特定位置的温度、光强以及真空情况，对遮光板、太阳模型和真空抽气泵做出调整，使实验过程中实验箱体内的实验环境维持在设定的状态；当一次实验结束，通过现有实验数据考虑是否需要更换温差发电片的安装位置、选择不同尺寸的温差发电片、选择更换不同造型的人造卫星模型、更换实验环境或者依照当前实验设置继续进行实验。

8.如权利要求7所述的模拟方法，其特征在于，如果不需要更换设置，实验箱体继续运行；

如果需要更换实验环境的设定，重新调整实验环境各项参数，摄像控制和实验数据采集模块暂时关闭，环境监测模块对实验箱体内的环境进行重新调整控制，当重新达到新的实验环境后，重新开启摄像控制和实验数据采集模块，进行实验；

如果需要更换新的硬件设备，摄像控制和实验数据采集模块关闭，环境监测模块控制遮光板收起，关闭太阳模型的加热功能，关闭真空抽气泵，打开设置在内层箱体上的透气孔使空气缓慢流入箱体内，人造卫星模型回到初始角度和初始位置；待箱体内压强回复正常，打开可拆卸底座，更换新的硬件设备，重新连接底座，环境监测模块重新按照设定对箱体内环境进行调控，重新进行实验；

如果停止实验，采用更换新的硬件设备相同的步骤，待箱体内压强回复正常后即关闭环境监测模块，实验结束。

9.如权利要求7或8所述的模拟方法，其特征在于，搭建模拟平台的具体步骤为：

当实验开始前，打开可拆卸底座，安装连接人造卫星模型，安装温差发电片；安装完毕后连接可拆卸底座和实验箱体，环境监测模块开始工作；按照对实验环境的设定逐步调整实验箱体内的温度、真空情况和光照情况；

环境监测模块实时监测箱体内部温度、人造卫星模型向阳面和背阳面温度，并调节太阳模型的加热功率，控制箱体内实验温度；环境监测模块控制遮光板的收放、角度和颜色深浅，尽可能接近真实太空中光照强度；环境监测模块控制真空抽气泵开启，排出箱体内空气，根据箱体内的真空情况实时控制真空抽气泵的抽气速度，尽可能使箱体内的真空环境接近太空环境；当环境监测模块所测箱体内环境达到研究人员设定标准后，完成模拟平台搭建。

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