[發明專利]一種轉動碰撞式月面壓電能量收集裝置及其工作方法

有效

• 申請號: 201610398586.0
• 申請日: 2016-06-06
• 公開（公告）號: CN105897049B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: 王亮;蔣正;金家楣
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02S10/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及能量收集技術領域，尤其涉及一種轉動碰撞式月面能量收集裝置及其工作方法。

背景技術

星際探測作為太空科學發展的重要組成部分，一直以來都受到了世界各國的高度重視和大力投入。在外星球上進行任何機器活動或者人類活動都離不開能源，就月球而言，最方便、最直接利用的能源就是太陽能。由于月壤導熱性能較差，因此造成了月面與月壤的溫度差，尤其月壤在深度方向上存在較大的溫度梯度，越深層的月壤其晝夜溫差越小，且該溫差受緯度的影響較小。例如在4.9cm的深度，在緯度由0°增加到80°的過程中，月壤的最大溫差值降低了約87K；而對于14.7cm深度處的月壤，該溫差值隨緯度增加僅降低了約35K，說明月球有巨大的溫差能可以利用。斯特林發動機是一種獨特的熱機，利用冷熱兩端的溫度差實現熱能與機械能之間的轉換，其實際效率幾乎等于理論最大效率，被稱為卡諾循環效率。如何在月面上高效率利用太陽能來實現全天候實時的發電，一直以來都未能較好的解決。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種轉動碰撞式月面能量收集裝置及其工作方法。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種轉動碰撞式月面壓電能量收集裝置，包括固定輪、轉動輪、斯特林發動機和儲能模塊；

所述固定輪呈圓圈狀，固定在月球上；

所述轉動輪的圓心通過軸承固定在固定輪的圓心處，使得轉動輪和固定輪同心并處于同一平面，且轉動輪能夠轉動；

所述固定輪和轉動輪上均設有若干壓電發電單元；

所述壓電發電單元包含直桿和附加質量塊；所述直桿兩端分別為固定端和撞擊端，兩側均設有壓電陶瓷片；所述附加質量塊設置在所述直桿的撞擊端；所述直桿兩側的壓電陶瓷片均與所述儲能模塊電氣相連；

所述固定輪上壓電發電單元的固定端固定在固定輪的內圈上，撞擊端朝內，直桿所在直線經過固定輪的圓心；

所述轉動輪上壓電發電單元的固定端固定在轉動輪的周邊上，撞擊端朝外，直桿所在直線經過轉動輪的圓心；

所述轉動輪旋轉時，固定輪上壓電發電單元的附加質量塊與轉動輪上壓電發電單元的附加質量塊相互撞擊后錯開；

所述斯特林發動機的熱端設置在月球表面，冷端埋放在月壤中，通過連桿帶動轉動輪轉動。

作為本發明一種轉動碰撞式月面壓電能量收集裝置進一步的優化方案，所述斯特林發動機采用雙缸雙活塞式斯特林發動機，包括第一至第二氣缸、第一至第二活塞、連桿機構和傳輸管道；

所述連桿機構包含第一至第二連桿；

所述第一氣缸通過傳輸管道和第二氣缸相連，且第一氣缸和第二氣缸的聯通部、以及傳輸管道內設有惰性氣體；

所述第一氣缸、第一活塞組成斯特林發動機的熱端，設置在月球表面；

所述第二氣缸、第二活塞組成斯特林發動機的冷端，埋放在月壤中；

所述第一活塞的活塞桿通過第一連桿和轉動輪鉸接，第二活塞的活塞桿通過第二連桿和轉動輪鉸接。

作為本發明一種轉動碰撞式月面壓電能量收集裝置進一步的優化方案，所述固定輪上壓電發電單元的固定端均勻設置在固定輪的內圈上，轉動輪上壓電發電單元的固定端均勻設置在轉動輪的周邊上。

作為本發明一種轉動碰撞式月面壓電能量收集裝置進一步的優化方案，還包含太陽能集熱模塊，所述太陽能集熱模塊設置在月球表面，用于聚集太陽能對熱端進行加熱升溫。

作為本發明一種轉動碰撞式月面壓電能量收集裝置進一步的優化方案，所述太陽能集熱模塊包含太陽能光伏板和電熱器，所述太陽能光伏板用于聚集太陽能產生電能供給給電熱器，所述電熱器用于對熱端進行加熱升溫。

本發明還公開了基于該轉動碰撞式月面壓電能量收集裝置的工作方法，包含以下過程：

白天，熱端內部的惰性氣體由于溫度升高而受熱膨脹，而冷端處于月壤之中，升溫相對較緩慢，與熱端具有溫度差；

晚上，月面溫度迅速降低，而月壤的溫度僅略微降低，使得埋入月壤的冷端的溫度高于熱端；

冷端和熱端的溫度差使得使得斯特林發動機產生推動力驅動連桿機構連續運動，從而帶動所述的轉動輪連續的旋轉；

轉動輪在連續轉動的過程中，固定輪上壓電發電單元的附加質量塊與轉動輪上壓電發電單元的附加質量塊不斷相互撞擊后錯開；

壓電發電單元進行碰撞時，直桿發生形變，導致壓電陶瓷片產生彎曲形變；

壓電陶瓷片的彎曲形變使其在表面產生電荷；

儲能模塊收集壓電陶瓷片表面產生的電荷進行儲存。