CN117811485A - 一种火星车太阳能电池板除尘装置及除尘方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种火星车太阳能电池板除尘装置，它包括风能收集机构、摩擦纳米发电机和太阳能电池板静电除尘电极，所述摩擦纳米发电机包括电机转动轴和铜栅电极板，所述摩擦纳米发电机的电机转动轴上方末端与所述风能收集机构固定连接，所述太阳能电池板静电除尘电极与所述摩擦纳米发电机的铜栅电极板相连接。本发明还公开了一种火星车太阳能电池板除尘方法，用于火星车上的太阳能电池板，具有自驱动、可以将风能作为紧急备用能源和可以提高太阳能电池板性能的特点，能够解决火星车太阳能电池板尘埃吸附的问题，为火星车太阳能电池板的除尘提供一种新的潜在解决方案。

Description

一种火星车太阳能电池板除尘装置及除尘方法
技术领域
本发明涉及一种除尘装置及除尘方法，具体涉及一种火星车太阳能电池板除尘装置及除尘方法，属于静电除尘技术领域。
背景技术
太空探索给我们提供了了解宇宙和地球以外世界的机会。通过太空探索可以寻找太空资源，如水、氧气和稀有金属等，这些资源在未来的太空殖民和深空探索中具有很重要的价值。火星是太阳系内最接近地球的行星，因此火星是理想的太空探索研究目标。
但是火星上的环境和地球相差较大，火星大气稀薄，太阳辐射可以直接到达火星表面，火星表面的沙粒和尘埃因为紫外线的照射而带电，同时尘埃颗粒在火星表面相互摩擦或碰撞中会失去或获得电子，因此火星上存在大量的带电尘埃，这些带电尘埃会给探索活动带来严重的问题。尘埃由于其体积和质量都很小，在受到任何扰动时很容易被扬起，并且由于尘埃带电，导致其粘附在太阳能电池板、光学元件等其它设备上，会显著降低这些设备的性能，NASA已将尘埃问题视为其星球探索计划的优先事项。
太空探索需要能源提供维持其运行，太阳能是可再生的能源，只要有太阳光就能够不断产生电能，这对于仪器及设备的长期运行的极其重要。目前我国火星探测中应用的能源是太阳能，火星上的带电尘埃及尘暴附着在太阳能电池板上会严重影响太阳能电池板的发电效率。美国的勇气号和机遇号太阳能电池板因为尘埃的积累而导致发电效率受到严重影响，因此火星车太阳能电池板除尘意义重大。
发明内容
本发明为解决现有火星探测中火星上的带电尘埃及尘暴附着在太阳能电池板上严重影响太阳能电池板发电效率的问题，在火星环境下利用摩擦纳米发电机将风能转化为电能，在不借助太阳能的前提下，实现对火星车表面的自动除尘，进而提出一种火星车太阳能电池板除尘装置及除尘方法，可以提高太阳能电池板的性能。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
一种火星车太阳能电池板除尘装置，包括风能收集机构、摩擦纳米发电机和太阳能电池板静电除尘电极，所述摩擦纳米发电机包括电机转动轴和铜栅电极板，所述摩擦纳米发电机的电机转动轴上方末端与所述风能收集机构固定连接，所述太阳能电池板静电除尘电极与所述摩擦纳米发电机的铜栅电极板相连接。
进一步的，所述摩擦纳米发电机还包括轴承上盖板、法兰轴承、绝缘防尘罩、四个转子单元、四个定子单元和装置固定底板，轴承上盖板和装置固定底板由上至下依次通过法兰轴承安装在电机转动轴上，且轴承上盖板通过绝缘防尘罩与装置固定底板连接，转子单元位于定子单元的上方，四个转子单元和四个定子单元依次交错穿叉间隔布置于轴承上盖板和装置固定底板之间的电机转动轴上。
进一步的，定子单元包括定子底板，铜栅电极板固定安装在定子底板上，铜栅电极板上表面布设有PTFE薄膜后交叉排列分布有第一铜栅电极和第二铜栅电极，定子底板边缘上开设有定子底板定位孔和四个电极板定位孔，相邻两个电极板定位孔之间的角度为22.5°。
进一步的，第一铜栅电极为内环形阵列分布且相互连通的四个扇状电极，第二铜栅电极为外环形阵列分布且相互连通的四个扇状电极。
进一步的，转子单元包括转子底板，转子底板下表面设有四块扇形兔毛，四块扇形兔毛以转子底板的中心为圆心的同一圆周均匀分布在转子底板上。
进一步的，转子底板的下表面和铜栅电极板上表面之间的距离为6-7mm，扇形兔毛的厚度与转子底板的下表面和铜栅电极板上表面之间的距离相适形。
进一步的，装置固定底板上开设有底板固定孔和导线出口。
进一步的，所述风能收集机构为杯式风能收集机构，包括风杯、风杯旋转架、风杯法兰和联轴器，风杯安装在所述风杯旋转架上，风杯法兰与所述风杯旋转架相连接，联轴器设于所述风能收集机构的底端通过联轴器与电机转动轴上方末端固定连接。
进一步的，所述太阳能电池板静电除尘电极为多个透明电极，多个透明电极通过导线与铜栅电极板相连接。
一种火星车太阳能电池板除尘方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：所述风能收集机构将风速线性地变换成电机转动轴的转速；
S2：所述摩擦纳米发电机输出四项交变电压至四项电极；
S3：多个四项电极之间产生行波电场，完成除尘。
本发明的有益效果是：
1.本发明利用静电除去车体表面的尘埃和颗粒物，可以提高太阳能电池板的发电效率，增加火星车的能源供应，提高太阳能电池板性能。
2.本发明通过摩擦纳米发电机可以根据火星上的风能自动产生高压电，在不借助太阳能的前提下实现对火星车表面的自动除尘。
3.本发明通过摩擦纳米发电机利用风能产生电能，可以为静电除尘系统提供另一种收获能源的途径。同时风能也可以作为紧急能源，在火星车冬眠结束后更好的唤醒火星车。
附图说明
图1是本发明摩擦纳米发电机的一种实施方式的结构示意图。
图2是本发明定子单元的一种实施方式的结构示意图。
图3是本发明转子单元的一种实施方式的结构示意图。
图4是本发明装置固定底板的一种实施方式的结构示意图。
图5是本发明风能收集机构的一种实施方式的结构示意图。
图6是本发明透明电极接线示意图。
图7是图2中摩擦纳米发电机在不同转速下的输出的开路电压示意图。
图8是本发明火星车太阳能电池板除尘方法的流程示意图。
图中：11、风杯；12、风杯法兰；13、联轴器；21、轴承上盖板；22、法兰轴承；23、绝缘防尘罩；24、电机转动轴；25、转子单元；251、转子法兰；252、转子底板；253、扇形兔毛；26、定子单元；262、定子底板；263、定子底板定位孔；264、电极板定位孔；265、PTFE薄膜；266、第一铜栅电极；267、第二铜栅电极；27、螺纹杆；28、套筒；29、装置固定底板；291、底板固定孔；292、导线出口；31、透明电极；32、太阳能电池板。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，所有方向性指示(例如上、下等)为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
具体实施方式一：结合图1-8说明本实施方式，如图1-7所示，本实施方式所述一种火星车太阳能电池板除尘装置，包括风能收集机构、摩擦纳米发电机和太阳能电池板静电除尘电极，所述摩擦纳米发电机包括电机转动轴24和铜栅电极板，所述摩擦纳米发电机的电机转动轴24上方末端与所述风能收集机构固定连接，所述太阳能电池板静电除尘电极与所述摩擦纳米发电机的铜栅电极板相连接。风带动风能收集机构旋转，使风速线性转化为摩擦纳米发电机的电机轴转速，为太阳能电池板静电除尘电极进行供电，以产生驱动尘埃特定方向的行波电场。风能驱动摩擦纳米发电机工作产生行波电场对太阳能电池板32进行静电除尘。可以实现在火星环境下利用摩擦纳米发电机将风能转化为电能，在不借助太阳能的前提下，实现对火星车表面的自动除尘，解决现有火星探测中火星上的带电尘埃及尘暴附着在太阳能电池板32上严重影响太阳能电池板32发电效率的问题。
如图1-3所示，所述摩擦纳米发电机还包括轴承上盖板21、法兰轴承22、绝缘防尘罩23、四个转子单元25、四个定子单元26和装置固定底板29，轴承上盖板21和装置固定底板29由上至下依次通过法兰轴承22安装在电机转动轴24上，且轴承上盖板21通过绝缘防尘罩23与装置固定底板29连接。转子单元25位于定子单元26的上方，四个转子单元25和四个定子单元26依次交错穿叉间隔布置于轴承上盖板21和装置固定底板29之间的电机转动轴24上。定子单元26包括定子底板262，铜栅电极板固定安装在定子底板262上，铜栅电极板上表面布设有PTFE薄膜265后交叉排列分布有第一铜栅电极266和第二铜栅电极267，第一铜栅电极266为内环形阵列分布且相互连通的四个扇状电极，第二铜栅电极267为外环形阵列分布且相互连通的四个扇状电极，PTFE薄膜265的厚度优选为0.05mm。定子底板262边缘上开设有定子底板定位孔263和四个电极板定位孔264，定子底板定位孔263用于定子底板262的固定定位，优选的定子底板定位孔263的数量为若干个，若干个定子底板定位孔263沿以定子底板262的中心为圆心的同一圆周均匀分布在定子底板262上，最好为三个，便于定子底板262的安装及固定。电极板定位孔264用于铜栅电极板的固定定位，相邻两个电极板定位孔264之间的角度为22.5°，四个铜栅电极板用不同的电极板定位孔264定位，使得每个定子单元26之间输出的电压相位不一致，四个定子单元26按照相位的顺序组装在电机上。优选的装置固定底板29为最下方的定子底板262，使得装置结构更加简单，操作方便。转子单元25包括转子底板252，转子底板252下表面设有四块扇形兔毛253，四块扇形兔毛253以转子底板252的中心为圆心的同一圆周均匀分布在转子底板252上。优选转子底板252开有四个螺纹孔，通过四个内六角螺钉和转子法兰251相连接，转子法兰251径向开有四个螺纹孔，通过四个内六角螺钉将转子单元25固定在电机转动轴24上，便于电机转动轴24带动转子单元25转动。四块扇形兔毛253粘接在转子底板252上，便于扇形兔毛253的固定。转子底板252的下表面和下方相邻铜栅电极板上表面之间的距离为6-7mm，扇形兔毛253的厚度与转子底板252的下表面和铜栅电极板上表面之间的距离相适形(即扇形兔毛253厚度在6-7mm之间)。转子单元25转动时，扇形兔毛253与铜栅电极板上PTFE薄膜265产生摩擦后带正电荷，通过静电感应在第一铜栅电极266和第二铜栅电极267上产生交变电压。
如图4所示，装置固定底板29上开设有底板固定孔291和导线出口292。优选底板固定孔291的数量为若干个，若干个底板固定孔291沿以装置固定底板29的中心为圆心的同一圆周均匀分布在装置固定底板29上，底板固定孔291和定子底板定位孔263位置相对应，便于装置固定底板29及定子底板262的安装及固定。导线出口292的数量为若干个，若干个导线出口292便于所述太阳能电池板静电除尘电极与所述摩擦纳米发电机的铜栅电极板的连接。具体的可以通过螺纹杆27和套筒28对定子单元26进行固定，每个螺纹杆27通过三个套筒28和三个定子底板定位孔263，旋入装置固定底板29上的底板固定孔291，之后用螺母对每个螺纹杆27进行预紧。
如图5所示，所述风能收集机构为杯式风能收集机构，包括风杯11、风杯旋转架、风杯法兰12和联轴器13，风杯11安装在所述风杯旋转架上，风杯法兰12与所述风杯旋转架相连接，联轴器13设于所述风能收集机构的底端通过联轴器13与电机转动轴24上方末端固定连接。优选所述风能收集机构采用的为传统三杯旋转架结构，风杯11采用适用于火星的极端环境的轻质材料制成，可以减小启动风速。风杯11的结构可以更好的收集火星的风能。
如图6所示，所述太阳能电池板静电除尘电极为多个透明电极31，多个透明电极31通过导线与铜栅电极板相连接。优选所述透明电极31由ITO导电膜进行激光切割制备而成。第一铜栅电极266和第二铜栅电极267连接导线穿过装置固定板上的导线出口292，连接该除尘装置上的透明电极31。所述透明电极31按照可产生行波电场相应的顺序和间距分布在太阳能电池板32上。
如图7所示，为摩擦纳米发电机在不同转速下的开路电压示意图，实验结果显示本摩擦纳米发电机输出的开路电压信号幅值会随着电机转动轴24转速的提高而提高，并且在300rpm时其大小就已经超过2000V，满足静电除尘的高压需求。
如图8所示，一种火星车太阳能电池板除尘方法，包括如下步骤：
S1：所述风能收集机构将风速线性地变换成电机转动轴24的转速；风力驱动风能收集机构工作，将风速线性地变换成电机转动轴24的转速。
S2：所述摩擦纳米发电机输出四项交变电压至四项电极；电机转动轴24转动带动电机轴上四组转子单元25转动，转子单元25上的扇形兔毛253与定子单元26上的PTFE薄膜265摩擦失去电子，转动过程中不断地与第一铜栅电极266和第二铜栅电极267发生静电感应，输出交变电压。由于四个定子之间的铜栅电极板的相位角不同，故四组定子单元26输出四种相位不同的高压交流电，每种相位的电压通过导线输送到透明电极31上。
S3：多个四项电极之间产生行波电场，使带电尘埃定向移动至太阳能电池板32两侧，完成除尘。
该火星车太阳能电池板除尘方法用于火星车上的太阳能电池板32，具有自驱动、可以将风能作为紧急备用能源和可以提高太阳能电池板32性能的特点，能够解决火星车太阳能电池板32尘埃吸附的问题，为火星车太阳能电池板32的除尘提供一种新的潜在解决方案。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种火星车太阳能电池板除尘装置，其特征在于：包括风能收集机构、摩擦纳米发电机和太阳能电池板静电除尘电极，所述摩擦纳米发电机包括电机转动轴(24)和铜栅电极板，所述摩擦纳米发电机的电机转动轴(24)上方末端与所述风能收集机构固定连接，所述太阳能电池板静电除尘电极与所述摩擦纳米发电机的铜栅电极板相连接。
2.根据权利要求1所述的一种火星车太阳能电池板除尘装置，其特征在于：所述摩擦纳米发电机还包括轴承上盖板(21)、法兰轴承(22)、绝缘防尘罩(23)、四个转子单元(25)、四个定子单元(26)和装置固定底板(29)，轴承上盖板(21)和装置固定底板(29)由上至下依次通过法兰轴承(22)安装在电机转动轴(24)上，且轴承上盖板(21)通过绝缘防尘罩(23)与装置固定底板(29)连接，转子单元(25)位于定子单元(26)的上方，四个转子单元(25)和四个定子单元(26)依次交错穿叉间隔布置于轴承上盖板(21)和装置固定底板(29)之间的电机转动轴(24)上。
3.根据权利要求2所述的一种火星车太阳能电池板除尘装置，其特征在于：定子单元(26)包括定子底板(262)，铜栅电极板固定安装在定子底板(262)上，铜栅电极板上表面布设有PTFE薄膜(265)后交叉排列分布有第一铜栅电极(266)和第二铜栅电极(267)，定子底板(262)边缘上开设有定子底板定位孔(263)和四个电极板定位孔(264)，相邻两个电极板定位孔(264)之间的角度为22.5°。
4.根据权利要求3所述的一种火星车太阳能电池板除尘装置，其特征在于：第一铜栅电极(266)为内环形阵列分布且相互连通的四个扇状电极，第二铜栅电极(267)为外环形阵列分布且相互连通的四个扇状电极。
5.根据权利要求3所述的一种火星车太阳能电池板除尘装置，其特征在于：转子单元(25)包括转子底板(252)，转子底板(252)下表面设有四块扇形兔毛(253)，四块扇形兔毛(253)以转子底板(252)的中心为圆心的同一圆周均匀分布在转子底板(252)上。
6.根据权利要求5所述的一种火星车太阳能电池板除尘装置，其特征在于：转子底板(252)的下表面和下方相邻铜栅电极板上表面之间的距离为6-7mm，扇形兔毛(253)的厚度与转子底板(252)的下表面和铜栅电极板上表面之间的距离相适形。
7.根据权利要求3所述的一种火星车太阳能电池板除尘装置，其特征在于：装置固定底板(29)上开设有底板固定孔(291)和导线出口(292)。
8.根据权利要求1所述的一种火星车太阳能电池板除尘装置，其特征在于：所述风能收集机构为杯式风能收集机构，包括风杯(11)、风杯(11)旋转架、风杯法兰(12)和联轴器(13)，风杯(11)安装在所述风杯(11)旋转架上，风杯法兰(12)与所述风杯(11)旋转架相连接，联轴器(13)设于所述风能收集机构的底端通过联轴器(13)与电机转动轴(24)上方末端固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种火星车太阳能电池板除尘装置，其特征在于：所述太阳能电池板静电除尘电极为多个透明电极(31)，多个透明电极(31)通过导线与铜栅电极板相连接。
10.一种火星车太阳能电池板除尘方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：所述风能收集机构将风速线性地变换成电机转动轴(24)的转速；
S2：所述摩擦纳米发电机输出四项交变电压至四项电极；
S3：多个四项电极之间产生行波电场，完成除尘。
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