CN210273870U

CN210273870U - 一种利用月尘静电发电装置

Info

Publication number: CN210273870U
Application number: CN201920954746.4U
Authority: CN
Inventors: 谢和平; 莫思特; 李碧雄; 高明忠; 李存宝
Original assignee: Sichuan University; Shenzhen University
Current assignee: Sichuan University; Shenzhen University
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2029-06-24

Abstract

本实用新型公开一种利用月尘静电发电装置，其包括电容器（10），月尘电荷收集器（20），用于壳体转动的重心变换机构；所述壳体（210）包括，第一壳体（211）、第二壳体（212），设置在第一壳体（211）与第二壳体（212）之间的绝缘部（213）；所述第一壳体（211）通过短路器（30）与所述电容器（10）的正极（110）连接或所述第二壳体（212）通过短路器（30）与所述电容器（10）的负极（120）连接；当所述第一壳体（211）通过短路器（30）与所述电容器（10）的正极（110）连接时或所述第二壳（212）体通过短路器（30）与所述电容器（10）的负极（120）连接时，所述利用月尘静电发电装置存储电能。上述装置，具有结构简单，维护方便，发电效率高，采用无源传感与控制方式，能够持续发电的特点。

Description

一种利用月尘静电发电装置

技术领域

本实用新型涉及月尘静电发电技术领域，尤其涉及一种利用月尘静电发电装置。

背景技术

随着科技的进步，人类对外太空的探索力度越来越大。目前，人类的探月工程中的能源供应主要依靠太阳能电池以及小型放射性同位素温差发电技术，仅仅依靠太阳能电池或小型放射性同位素温差发电将难以为月夜探月活动尤其是月球基地提供充足的能源供应。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种利用月尘静电发电装置，旨在解决现有依靠太阳能电池和小型放射性同位素温差发电技术难以为探月活动提供充足的能源供应的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种利用月尘静电发电装置，其中，包括：

电容器（10），以及

月尘电荷收集器（20），包括壳体（210）以及竖直设置在所述壳体内部用于壳体转动的重心变换机构；

所述壳体（210）包括，第一壳体（211）、第二壳体（212）以及设置在第一壳体（211）与第二壳体（212）之间的绝缘部（213）；

所述第一壳体（211）与所述第二壳体（212）的大小相等，均为半球面；

所述第一壳体（211）通过短路器（30）与所述电容器（10）的正极（110）连接或所述第二壳体（212）通过短路器（30）与所述电容器（10）的负极（120）连接；

当所述第一壳体（211）通过短路器（30）与所述电容器（10）的正极（110）连接时或所述第二壳（212）体通过短路器（30）与所述电容器（10）的负极（120）连接时，所述利用月尘静电发电装置储存电能。

所述的利用月尘静电发电装置，其中，所述重心变换机构包括：

外管（221），与所述外管（221）的一端套接的内管（222）以及设置在所述外管（221）套接一端上的重锤（223）；

所述外管（221）的另一端及所述内管（222）的另一端分别固定设置在所述壳体（210）上。

所述的利用月尘静电发电装置，其中，所述壳体（210）为中间由绝缘部（213）分离的两个半球形金属组合而成的球形空心壳体，两个半球形金属分别为第一壳体（211）和第二壳体（212）；绝缘部（213）由绝缘材料构成，用于使得第一壳体（211）和第二壳体（212）之间保持绝缘，并在壳体（210）的大圆上，壳体（210）的球心以及壳体（210）的重心为绝缘部（213）的圆心。

所述的利用月尘静电发电装置，其中，所述外管（221）的长度与所述内管（222）的长度相等，所述外管（221）的重量与所述内管（222）的重量相同，由热膨胀系数大于50×10^-6/℃的相同材料制作，表面做绝缘处理；外管（221）一端连接在第一壳体（211）大圆过球心的垂直线与第一壳体的交点上，并连接在第一壳体（211）内侧；内管（222）一端连接在第二壳体（212）大圆过球心的垂直线与第二壳体的交点上，并连接在第二壳体（212）内侧；外管（221）与内管（222）另一端呈直线套接，且外管与内管同轴，轴线穿过壳体（210）球心，且与绝缘部（213）所在大圆垂直；

在月昼，重锤(223)移向第二壳体（212）一侧，使得月尘电荷收集器（20）重心偏向第二壳体（212）一侧，第一壳体（211）朝上，第二壳体（212）朝下；

在月夜，重锤(223)移向第一壳体（211）一侧，使得月尘电荷收集器（20）重心偏向第一壳体（211）一侧，第一壳体（211）朝下，第二壳体（212）朝上；

月昼和月夜交替时间，重锤(223)穿过壳体（210）球心，使得壳体（210）翻转。

所述的利用月尘静电发电装置，其中，所述电容器（10）为圆柱形电容器；电容器在壳体（210）两端各连接一个，通过两端绝缘件（501，502）与壳体连接，壳体（210）、两端的电容器、连接壳体（210）和两端的电容器的绝缘材料的组合体的重心在壳体（210）的球心上；绝缘件（501，502）由绝缘材料制作。

所述的利用月尘静电发电装置，其中，还包括用于支撑所述月尘电荷收集器的第一支架（401）、第二支架（402），与所述绝缘部连接的绝缘件（501，502）；所述月尘电荷收集器通过所述绝缘件（501，502）分别与所述第一支架（401）以及第二支架（402）活动连接，使得重锤(223)穿过壳体（210）球心时，使月尘电荷收集器（20）和电容器（10）发生翻转。

所述的利用月尘静电发电装置，其中，还包括设置在所述第一支架（401）以及所述第二支架（402）之间的灰尘电荷清洗装置（60）。

所述的利用月尘静电发电装置，其中，所述灰尘电荷清洗装置（60）包括：清洗球面（621）设置在所述清洗球面上的金属毛刷（622）以及用于接地的接地导线（623）。

所述的利用月尘静电发电装置，其中，所述短路器（30）包括：本体（300），以及

设置在所述本体（300）一端用于与壳体接触的壳体触头（301）、与所述壳体触头一端固定连接的壳体触头栓（302）、与所述壳体触头栓连接的第一弹性件（303）；设置在所述本体（300）另一端的用于与电容器接触的电容触头（307）、与所述电容触头一端固定连接的电容触头栓（306）、与所述电容触头栓连接的第二弹性件（305）；以及

用于隔离所述第一弹性件（303）与所述第二弹性件（305）的隔离部（304）；

壳体触头（301）、壳体触头栓（302）、第一弹性件（303）、隔离部（304）、第二弹性件（305）、电容触头栓（306）、电容触头（307）由金属材料制作，彼此之间短路。

所述的利用月尘静电发电装置，其中，

所述电容器（10）的正极电位Vp计算公式如下：

；

其中， ρ_ds为月昼月球表面正电荷密度；R为月尘电荷收集器(20)半径；ε_d为月昼月尘介电常数；

所述电容器（10）的负极电位V _n计算公式如下：

；

其中，ρ_ns为月夜月球表面负电荷密度； R为月尘电荷收集器(20)半径； ε_n为月夜月尘介电常数；

所述电容器（10）储存能量W计算公式如下：

；其中， C1+C2为两边两个电容器(10)的电容值之和。

有益效果：本实用新型提供的利用月尘静电发电装置，利用月球上月尘带电的特性以及月尘所带电荷的变化规律进行发电，所提供的发电装置具有结构简单，安装、维护方便，发电效率高，采用无源传感与无源控制模式，能够持续发电的特点。从而很好地解决了现有发电技术难以为探月活动提供充足的能源供应问题。

附图说明

图1为本实用新型利用月尘静电发电装置的较佳实施例的结构示意图。

图2为本实用新型图1所示利用月尘静电发电装置中重心变换结构示意图。

图3为本实用新型图1所示利用月尘静电发电装置中短路器的结构示意图。

图4为本实用新型中灰尘电荷清洗装置结构示意图。

图5为本实用新型实施例1中月昼时，利用月尘静电发电装置的工作示意图。

图6为本实用新型实施例2中月夜时，利用月尘静电发电装置的工作示意图。

10:电容器； 20：月尘电荷收集器； 110：正极； 120：负极； 210：壳体； 211：第一壳体； 212：第二壳体； 213：绝缘部； 221：外管； 222：内管； 223：重锤； 30：短路器； 300：本体； 301：壳体触头； 302：壳体触头栓； 303：第一弹性件； 304：隔离部； 305：第二弹性件； 306：电容触头栓； 307：电容触头； 401：第一支架； 402：第二支架； 501（502）绝缘件； 60：灰尘电荷清洗装置； 621：清洗球面； 622：金属毛刷；623：接地导线。

具体实施方式

本实用新型提供一种利用月尘静电发电装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请结合图1至图6所示，本实用新型提供的利用月尘静电发电装置包括：电容器10，以及月尘电荷收集器20，所述月尘电荷收集器20包括壳体210以及竖直设置在所述壳体210内部用于使壳体210发生转动的重心变换机构220（图中未标出）；所述壳体210包括，第一壳体211、第二壳体212以及设置在第一壳体211与第二壳体212之间的绝缘部213；其中，所述电容器10为超大容量电容。

所述第一壳体211通过短路器30与所述电容器10的正极110连接或所述第二壳体212通过短路器30与所述电容器10的负极120连接。将月尘中的正、负电荷收集到电容器中，当电容器中收集足够多的电荷后，电容器可以带负载供电，进而实现发电的目的。

如图1所示，所述月尘电荷收集器20的主体为一个均匀的金属球面，所述金属球面的重心在球心处；所述金属球面的一半定义为正半球（对应于所述第一壳体211），用于收集月尘中的正电荷；另一半为定义负半球（对应于所述第二壳体212），用于收集月尘中的负电荷。在所述正半球与所述负半球之间还设置有用于防止正半球与所述负半球之间相互放电的绝缘部213，所述绝缘部213采用绝缘性能良好的绝缘材料制成，作为举例所述绝缘部材料可以是聚四氟乙烯。所述金属球面所用金属的种类包括但不限于，铂金，金，铜，铝等。

具体来说，在月球的受光面，主要受太阳辐射作用，月尘与光子作用发生光电效应向外发射带负电的光电子，月尘得到相应的正电荷，从而使月球表面上方形成一层电势为正的光电子鞘层; 在月球的背光面，由于没有太阳辐射，月球受太阳风的等离子体流的作用，由于电子的热运动速度远远大于离子的热运动速度，电子更容易被月球表面的月尘吸收，从而使月表形成一层电势为负的等离子体鞘层。

本实用新型通过将月尘中所带的静电荷进行收集，并将所收集到的电荷存储到电容器中用于发电。很好地解决了现有发电技术难以为探月活动提供充足的能源供应问题。

在一种优选的实施方式中，如图2所示，所述重心变换机构220包括：外管221，与所述外管221的一端套接的内管222以及设置在所述外管套接一端上的重锤223；所述外管221的另一端及所述内管222的另一端分别固定设置在所述壳体210上。

具体来说，所述重心变换机构220包括两根金属管（内管222、外管221）及重锤223，所述两根金属管通过套接的方式连接在一起，所述重锤223固定在所述外管221套接一端上，所述外管221可以沿所述内管222的外侧壁上下移动。所述重心变换机构经过所述金属球面的球心并竖直设置在所述金属球的中部。所述外管的另外一端（非套接端）以及所述内管的另一端（非套接端）可以通过诸如焊接的方式焊接在金属球面的内部。所述内管以及外管的长度是相等的，所述内管与所述外管的重量是相同的，目的是保持整体的重心还位于球心处，当设置重锤后，考虑到重锤的重量，整体的重心由球心偏向重心一侧。

进一步，所述内管222、外管221所用的材料是强度高、热膨胀系数大于50×10^-6/℃的材料制作、作为举例其可以是胶木材料。所述重锤所用材料为密度较高的金属，比如铅。

所述重心变换机构工作过程为，在月昼，随着环境温度的升高，所述重锤223移向所述第二壳体212一侧，使得所述第一壳体211朝上，所述第二壳体212朝下；在月夜，所述重锤223移向所述第一壳体211一侧，使得所述第一壳体211朝下，所述第二壳体212朝上；月昼和月夜交替时间，所述重锤223穿过所述壳体210球心，使得所述壳体210翻转。

在一种优选的实施方式中，如图5所示，所述利用月尘静电发电装置还包括，用于支撑所述月尘电荷收集器20的第一支架401、第二支架402，与所述绝缘部213连接的绝缘件501（502）；所述月尘电荷收集器20通过所述绝缘件501（502）分别与所述第一支架401以及第二支架402活动连接。所述第一支架401与所述第二支架402设置在月壤支撑支架上。其中，所述绝缘件可以是绝缘杆绝缘柱等，即所述绝缘件的形状在此不做限定。第一支架401、第二支架402由绝缘材料制作，作为举例其可以是陶瓷材料。

具体来说，所述月尘电荷收集器的绝缘部与电容器之间通过所述绝缘件固定连接在一起，所述第一支撑架401以及第二支撑架402将月尘电荷收集器以及超级电容器10支撑起来。所述超级电容器10为圆柱形，其轴心在所述绝缘件（如绝缘杆）上。所述月尘电荷收集器以及电容器可以围绕绝缘件做旋转运动。所述支架401（402）上设置有短路器30，所述短路器30用于与所述超级电容器10的正极或负极相连接。所述短路器的高度位于所述绝缘部的上方，即只有月尘电荷收集器的上半部分（绝缘部上方部分）才能通过所述短路器与所述电容器上的正极（负极连接）。

当短路器30与电容器10的正极相连接时，所述电容器10的正极电位Vp计算公式如下：

，其中， ρ_ds为月昼月球表面正电荷密度；R为月尘电荷收集器20半径；ε_d为月昼月尘介电常数；

当短路器30与电容器10的负极相连接时，负极电位V _n计算公式如下：

，其中，ρ_ns为月夜月球表面负电荷密度； R为月尘电荷收集器(20)半径； ε_n为月夜月尘介电常数；

所述电容器10储存能量W计算公式如下：

，其中， C1+C2为两边两个电容器(10)的电容值之和。

在一些实施方式中，如图3所示，所述短路器30包括本体300，所述本体300为一长条状，设置在所述本体300一端用于与壳体接触的壳体触头301、与所述壳体触头一端固定连接的壳体触头栓302、与所述壳体触头栓连接的第一弹性件303；设置在所述本体300另一端的用于与电容器接触的电容触头307、与所述电容触头一端固定连接的电容触头栓306、与所述电容触头栓连接的第二弹性件305；以及用于隔离所述第一弹性件303与所述第二弹性件305的隔离部304。其中，所述壳体触头301以及所述电容触头307可伸缩在所述本体300内。所述壳体触头301、壳体触头栓302、第一弹性件303、隔离部304；第二弹性件305；电容触头栓306以及电容触头307由金属材料制作，彼此之间短路。所述第一弹性件303以及所述第二弹性件305可以是金属弹簧。

在一种优选的实施方式中，如图4-6所示，所述利用月尘静电发电装置还包括，设置在所述第一支架401以及所述第二支架402之间的灰尘电荷清洗装置60。所述灰尘电荷清洗装置60用于将附着在金属球面上的月尘清理掉。

具体地，所述灰尘电荷清洗装置60外观为一个立方体形状，其长度和宽度略大于外壳210半径的两倍其高度略大于外壳210的半径；在朝向外壳210的一面，是个半径与外壳210半径相同的清洗球面621，向内凹；清洗球面621上设置有金属毛刷622；金属毛刷622与金属球面短路，并有接地导线623将金属球面短路连接到月球地表深处。

下面通过具体的实施例对本实用新型所提供的利用月尘静电发电装置做进一步的解释。

实施例1

如图5所示，其为月昼时，发电设备的工作示意图。月昼时，第一壳体211，即正半球朝上，此时电容器10的正极110朝上，正半球通过短路器30与超级电容器正极110连接。第二壳体212负半球在灰尘电荷清洗装置60中。正半球上的月尘中的正电荷通过短路器导入到电容器正极。当负半球由上翻转到下时，灰尘电荷清洗装置扫除负半球表面的灰尘，清除负半球上的负电荷。

实施例2

如图6所示，其为月夜时，发电装置的工作示意图。月夜时，第二壳体212负半球朝上，此时电容器10的负极120朝上，负半球通过短路器30与超级电容器10负极连接。正半球在灰尘电荷清洗装置60中。负半球上的月尘中的负电荷通过短路器导入到电容器负极。当正半球由上反转到下时，灰尘电荷清洗装置扫除正半球表面的灰尘，清除正半球上的正电荷。

本实用新型的电能储存在电容器中，当电容器通过开关与直流负载连接时，可以对直流负载供电。当电容器通过开关、逆变器与交流负载连接时，可以对交流负载供电。

综上所述，本实用新型提供的利用月尘静电发电装置，通过月尘电荷收集器与电容器进行配合，月昼时，将月尘中的正电荷导入到电容器的正极中，当月夜时，利用重力变换机构使月尘电荷收集器以及电容器发生转动，将月尘中的负电荷导入到电容器的负极中。在月昼、月夜转变过程中，利用灰尘电荷清洗装置将月尘电荷收集器位于其中的部分进行清理，上述过程循环交替。由于本实用新型所提供的利用月尘静电发电装置，利用了月球上月尘带电的特性以及月尘所带电荷的变化规律进行发电，所提供的发电装置具有结构简单，安装、维护方便，发电效率高，能够持续发电的特点。本实用新型所提供的利用月尘静电发电装置，很好地解决了现有发电技术难以为探月活动提供充足的能源供应问题。

应当理解的是，本实用新型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实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种利用月尘静电发电装置，其特征在于，包括：

电容器(10)，以及

月尘电荷收集器(20)，包括壳体(210)以及竖直设置在所述壳体内部用于壳体转动的重心变换机构；

所述壳体(210)包括，第一壳体(211)、第二壳体(212)以及设置在第一壳体(211)与第二壳体(212)之间的绝缘部(213)；

所述第一壳体(211)与所述第二壳体(212)的大小相等，均为半球面；

所述第一壳体(211)通过短路器(30)与所述电容器(10)的正极(110)连接或所述第二壳体(212)通过短路器(30)与所述电容器(10)的负极(120)连接；

当所述第一壳体(211)通过短路器(30)与所述电容器(10)的正极(110)连接时或所述第二壳体(212)通过短路器(30)与所述电容器(10)的负极(120)连接时，所述利用月尘静电发电装置储存电能。

2.根据权利要求1所述的利用月尘静电发电装置，其特征在于，所述重心变换机构包括：

外管(221)，与所述外管(221)的一端套接的内管(222)以及设置在所述外管(221)套接一端上的重锤(223)；

所述外管(221)的另一端及所述内管(222)的另一端分别固定设置在所述壳体(210)上。

3.根据权利要求2所述的利用月尘静电发电装置，其特征在于，所述壳体(210)为中间由绝缘部(213)分离的两个半球形金属组合而成的球形空心壳体，两个半球形金属分别为第一壳体(211)和第二壳体(212)；绝缘部(213)由绝缘材料构成，用于使得第一壳体(211)和第二壳体(212)之间保持绝缘，并在壳体(210)的大圆上，壳体(210)的球心以及壳体(210)的重心为绝缘部(213)的圆心。

4.根据权利要求2所述的利用月尘静电发电装置，其特征在于，所述外管(221)的长度与所述内管(222)的长度相等，所述外管(221)的重量与所述内管(222)的重量相同；外管(221)一端连接在第一壳体(211)大圆过球心的垂直线与第一壳体的交点上，并连接在第一壳体(211)内侧；内管(222)一端连接在第二壳体(212)大圆过球心的垂直线与第二壳体的交点上，并连接在第二壳体(212)内侧；外管(221)与内管(222)另一端呈直线套接，且外管与内管同轴，轴线穿过壳体(210)球心，且与绝缘部(213)所在大圆垂直。

5.根据权利要求1所述的利用月尘静电发电装置，其特征在于，所述电容器(10)为圆柱形电容器；电容器在壳体(210)两端各连接一个，通过两端绝缘件(501，502)与壳体连接，壳体(210)、两端的电容器、连接壳体(210)和两端的电容器的绝缘材料的组合体的重心在壳体(210)的球心上。

6.根据权利要求1至5任一所述的利用月尘静电发电装置，其特征在于，还包括用于支撑所述月尘电荷收集器的第一支架(401)、第二支架(402)，与所述绝缘部连接的绝缘件(501，502)；所述月尘电荷收集器通过所述绝缘件(501，502)分别与所述第一支架(401)以及第二支架(402)活动连接，使得重锤(223)穿过壳体(210)球心时，使月尘电荷收集器(20)和电容器(10)发生翻转。

7.根据权利要求6所述的利用月尘静电发电装置，其特征在于，还包括设置在所述第一支架(401)以及所述第二支架(402)之间的灰尘电荷清洗装置(60)。

8.根据权利要求7所述的利用月尘静电发电装置，其特征在于，所述灰尘电荷清洗装置(60)包括：清洗球面(621)设置在所述清洗球面上的金属毛刷(622)以及用于接地的接地导线(623)。

9.根据权利要求1所述的利用月尘静电发电装置，其特征在于，所述短路器(30)包括：本体(300)，以及

设置在所述本体(300)一端用于与壳体接触的壳体触头(301)、与所述壳体触头一端固定连接的壳体触头栓(302)、与所述壳体触头栓连接的第一弹性件(303)；设置在所述本体(300)另一端的用于与电容器接触的电容触头(307)、与所述电容触头一端固定连接的电容触头栓(306)、与所述电容触头栓连接的第二弹性件(305)；以及

用于隔离所述第一弹性件(303)与所述第二弹性件(305)的隔离部(304)；

壳体触头(301)、壳体触头栓(302)、第一弹性件(303)、隔离部(304)、第二弹性件(305)、电容触头栓(306)、电容触头(307)由金属材料制作，彼此之间短路。