星際太陽能板探測小車

謝帥 洪子淵 申振 戚新茹 李玉瑩 馬愷

(1、山東建筑大學(xué),山東 濟(jì)南 250101 2、山東工商學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

1 概述

1.1 設(shè)計(jì)背景

隨著科技不斷發(fā)展,人們對星際資源與星際探索的熱情不斷提高。在星際探索中,少不了的便是星際探測小車。在很多星際環(huán)境下,需要使用到星際探測小車進(jìn)行行走與探測,然而避免不了的,便是要提到星際探索小車的能源問題,很多小車雖然能夠采用太陽能等能源進(jìn)行功能,但是能量利用率太低,因而我們決定研究出一種星際探測小車,為了提高能量利用率,提供一種更合理的小車創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1.2 現(xiàn)有部分專利分析

我們根據(jù)一些專利的特點(diǎn)與相應(yīng)的問題進(jìn)行分析,更合理的研究出一款新型的星際探測小車。

以下為部分專利申請?zhí)柵c功能的介紹：

1.2.1 200710193788.2 解決車體的穩(wěn)定性問題, 避免使用差速器等裝置,還具有很好的通過性及載荷均衡能力,特別適合各種探測車輛。

1.2.2 201210533329.5 解決弱引力天體表面探測的問題,具有適應(yīng)弱引力環(huán)境,能有效實(shí)施表面探測,能自主管理和集成化、體積小、質(zhì)量輕等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

1.2.3 201620806569.1 能夠根據(jù)遙控信息進(jìn)行模擬操作,方便人們直觀的了解月球車在月球表面的探測過程,更容易的理解月球探測實(shí)驗(yàn),起到更好的普及科學(xué)知識的作用,具有很好的教育意義。

根據(jù)現(xiàn)有部分專利,我們可以看到,其對于在月球環(huán)境下的行走方式和行走穩(wěn)定性等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的改善,但是對于能源的利用率以及如何最大限度的使用和汲取能源并沒有提出合理的解決方案,因而在我們的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中,以能源的利用率和最大限度合理的汲取能源為方向進(jìn)行研究。

2 太陽能收集工作原理

2.1 設(shè)計(jì)靈感

向日葵總是向著太陽轉(zhuǎn),如果我們的太陽能電池板能夠一直向著光線的方向,那就可以使利用率達(dá)到最大,那么如何使太陽能電池板,向著光線的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。因而設(shè)計(jì)一款光線探測器結(jié)構(gòu)是一個(gè)四角星的形狀,該探測器可360°旋轉(zhuǎn)與調(diào)節(jié),如圖1。

圖1 光線探測器結(jié)構(gòu)視圖

2.2 光線探測器工作原理

光線探測器如何追蹤光線？當(dāng)一束光照射在光線探測器上時(shí),有兩種情況：

第一種情況,光線垂直照射在光線探測器上,此時(shí)光線探測器每一個(gè)棱上左右兩側(cè)的光強(qiáng)度一樣大,電路會產(chǎn)生一樣的電信號,經(jīng)過處理之后,光線探測器不動(dòng)。

第二種情況,光線斜著照射在光線探測器上,此時(shí)每個(gè)光線探測器的棱左右兩側(cè)的光強(qiáng)是不一樣的,左右分別會出現(xiàn)一明一暗的情況,由于光敏電阻受到光照強(qiáng)度不同,會產(chǎn)生不同的反應(yīng),進(jìn)而影響整個(gè)電路,經(jīng)過處理之后,控制中心會發(fā)出信號,讓光線探測器向光強(qiáng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

如果陽光是斜的照射,光線探測器每個(gè)棱的兩側(cè)都會產(chǎn)生一明一暗的效果,在左右兩個(gè)面上分別都裝有相同的光敏電阻,因?yàn)槭艿焦饩€的照射不同,光敏電阻,就會產(chǎn)生不同的反應(yīng),經(jīng)過電路的分析,濾波整形,最后可以得到,兩個(gè)相反的電信號,得到電信號后就會使探測器向,光線強(qiáng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)檫@個(gè)四角星有四個(gè)棱,因此左右上下都可以實(shí)現(xiàn)向光強(qiáng)的地方旋轉(zhuǎn)。最終,達(dá)到光線探測器一直向著光強(qiáng)的地方旋轉(zhuǎn)的效果。這就是光線探測器的工作原理。

2.3 光線探測器與太陽能板的創(chuàng)新結(jié)合

光線探測器向著光強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng),同時(shí),控制器控制太陽能板的旋轉(zhuǎn),由于太陽能板兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向是相互垂直的,可以實(shí)現(xiàn)向任意方向的多自由度旋轉(zhuǎn),因此,太陽能電池板可以追蹤著陽光進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),使得汲取太陽能效率最大化。

2.4 運(yùn)行過程與工作原理

太陽能板的中部連接有轉(zhuǎn)軸可以旋轉(zhuǎn),在空間的任何方向都可以旋轉(zhuǎn),經(jīng)過處理可實(shí)現(xiàn)太陽能板的所在的平面,與光線探測器所在的平面平行,也就是說,如果光線探測器朝向光線最強(qiáng)的方向,那么太陽能板也會朝向光線最強(qiáng)的地方。從而使最大限度的汲取太陽能,使太陽能的收集利用效率達(dá)到最大化,圖2。

圖2 傾斜光線下的太陽能板調(diào)節(jié)

當(dāng)陽光照射探測器,探測器張開接收器,開始利用后備能源打開接受器,進(jìn)而轉(zhuǎn)動(dòng)太陽能板使其朝向太陽接受太陽能,以達(dá)到追蹤太陽使其供電的功能,提高了能源的利用率與使用效率。

3 太陽能板的功能及其原理

3.1 組成及功能

當(dāng)前,晶體硅材料(包括多晶硅和單晶硅)是最主要的光伏材料,其市場占有率在90%以上,而且在今后相當(dāng)長的一段時(shí)期也依然是太陽能電池的主流材料。

1994 年全世界太陽能電池的總產(chǎn)量只有69MW,而2004 年就接近1200MW,在短短的10 年里就增長了17 倍。專家預(yù)測太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀(jì)前半期將超過核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。

3.2 工作原理

太陽光照在半導(dǎo)體p-n 結(jié)上,形成新的空穴-電子對,在pn 結(jié)電場的作用下,空穴由p 區(qū)流向n 區(qū),電子由n 區(qū)流向p區(qū),接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理,圖3。

圖3 太陽能板發(fā)電工作原理圖

太陽能發(fā)電方式太陽能發(fā)電有兩種方式,一種是光-熱-電轉(zhuǎn)換方式,另一種是光-電直接轉(zhuǎn)換方式。(1)光-熱-電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電,一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣,再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。前一個(gè)過程是光-熱轉(zhuǎn)換過程；后一個(gè)過程是熱-電轉(zhuǎn)換過程。(2)光-電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光電效應(yīng),將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能,光-電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件,是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管,當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí),光電二極管就會把太陽的光能變成電能,產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。

4 參數(shù)及數(shù)據(jù)

參數(shù)及數(shù)據(jù)計(jì)算：

首先應(yīng)計(jì)算出每天消耗的瓦時(shí)數(shù)(包括逆變器的損耗)：若逆變器的轉(zhuǎn)換效率為90%,則當(dāng)輸出功率為100W 時(shí),則實(shí)際需要輸出功率應(yīng)為100W/90%=111W；若按每天使用5 小時(shí),則耗電量為111W*5 小時(shí)=555Wh。

計(jì)算太陽能電池板：按每日有效日照時(shí)間為6 小時(shí)計(jì)算,再考慮到充電效率和充電過程中的損耗,太陽能電池板的輸出功率應(yīng)為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過程中,太陽能電池板的實(shí)際使用功率。

5 結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

5.1 總體結(jié)構(gòu)

圖4 星際探測小車結(jié)構(gòu)分析

圖4 中1 為太陽能板、2 為探測攝像頭、3 為光線探測器、4為行走輪、5 為箱體。通過太陽能板和光線探測器的共同作用,最大限度的收集太陽能并儲存,提供給探測攝像頭進(jìn)行探測記錄和小車運(yùn)行的作業(yè)。

5.2 行走輪的設(shè)計(jì)

考慮到在地外行星等環(huán)境下進(jìn)行探測作業(yè),因而為了適應(yīng)探測環(huán)境,對行走輪進(jìn)行了兩種方案的設(shè)定：對于一些環(huán)境需要大的抓地力和平穩(wěn)性,因而設(shè)置行走輪1,輪上有凸起增大抓地力,且輪子略寬,行走更為平穩(wěn)。對于一些狹小或者行走速度快的作業(yè)環(huán)境,設(shè)置行走輪2,上有帶紋理的車胎與車輪,運(yùn)行震動(dòng)更小,速度更快。

6 項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

6.1 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)

6.1.1 從大局觀角度,考慮到環(huán)境影響而設(shè)置不同的行走輪,適用于不同環(huán)境。

6.1.2 以光線探測器和太陽能板共同作用的方式,根據(jù)光線的傾斜度不同對太陽能板進(jìn)行不同角度的調(diào)節(jié),更好汲取太陽能,增加了能量的使用效率。

6.1.3 攝像頭和光線探測頭360°旋轉(zhuǎn),拍攝探測更方便。

6.1.4 下箱體采用耐磨材料,適用于多種特殊環(huán)境。

6.2 發(fā)展前景

該星球探測小車能夠集儲能供能、行走記錄與一體化作業(yè),簡化了供能儲能所帶來的問題,且光線探測器和太陽能板共同作用的方式,不僅可用于探測小車當(dāng)中,亦可以用于其他生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境,增加能源利用率。