星際太陽(yáng)能板探測(cè)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(duì)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(cè)小車。在很多星際環(huán)境下,需要使用到星際探測(cè)小車進(jìn)行行走與探測(cè),然而避免不了的,便是要提到星際探索小車的能源問(wèn)題,很多小車雖然能夠采用太陽(yáng)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(cè)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(wèn)題進(jìn)行分析,更合理的研究出一款新型的星際探測(cè)小車。

以下為部分專利申請(qǐng)?zhí)柵c功能的介紹：

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

1.2.2 201210533329.5 解決弱引力天體表面探測(cè)的問(wèn)題,具有適應(yīng)弱引力環(huán)境,能有效實(shí)施表面探測(cè),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(cè)過(guò)程,更容易的理解月球探測(cè)實(shí)驗(yàn),起到更好的普及科學(xué)知識(shí)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(duì)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(duì)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(méi)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(yáng)能收集工作原理

2.1 設(shè)計(jì)靈感

向日葵總是向著太陽(yáng)轉(zhuǎn),如果我們的太陽(yáng)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(yáng)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(cè)器結(jié)構(gòu)是一個(gè)四角星的形狀,該探測(cè)器可360°旋轉(zhuǎn)與調(diào)節(jié),如圖1。

圖1 光線探測(cè)器結(jié)構(gòu)視圖

2.2 光線探測(cè)器工作原理

光線探測(cè)器如何追蹤光線？當(dāng)一束光照射在光線探測(cè)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(cè)器上,此時(shí)光線探測(cè)器每一個(gè)棱上左右兩側(cè)的光強(qiáng)度一樣大,電路會(huì)產(chǎn)生一樣的電信號(hào),經(jīng)過(guò)處理之后,光線探測(cè)器不動(dòng)。

第二種情況,光線斜著照射在光線探測(cè)器上,此時(shí)每個(gè)光線探測(cè)器的棱左右兩側(cè)的光強(qiáng)是不一樣的,左右分別會(huì)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(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng),進(jìn)而影響整個(gè)電路,經(jīng)過(guò)處理之后,控制中心會(huì)發(fā)出信號(hào),讓光線探測(cè)器向光強(qiáng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

如果陽(yáng)光是斜的照射,光線探測(cè)器每個(gè)棱的兩側(cè)都會(huì)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(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng),經(jīng)過(guò)電路的分析,濾波整形,最后可以得到,兩個(gè)相反的電信號(hào),得到電信號(hào)后就會(huì)使探測(cè)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(cè)器一直向著光強(qiáng)的地方旋轉(zhuǎn)的效果。這就是光線探測(cè)器的工作原理。

2.3 光線探測(cè)器與太陽(yáng)能板的創(chuàng)新結(jié)合

光線探測(cè)器向著光強(qiáng)的方向運(yùn)動(dòng),同時(shí),控制器控制太陽(yáng)能板的旋轉(zhuǎn),由于太陽(yáng)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(yáng)能電池板可以追蹤著陽(yáng)光進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),使得汲取太陽(yáng)能效率最大化。

2.4 運(yùn)行過(guò)程與工作原理

太陽(yáng)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(guò)處理可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能板的所在的平面,與光線探測(cè)器所在的平面平行,也就是說(shuō),如果光線探測(cè)器朝向光線最強(qiáng)的方向,那么太陽(yáng)能板也會(huì)朝向光線最強(qiáng)的地方。從而使最大限度的汲取太陽(yáng)能,使太陽(yáng)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(yáng)能板調(diào)節(jié)

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

3 太陽(yáng)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(chǎng)占有率在90%以上,而且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期也依然是太陽(yáng)能電池的主流材料。

1994 年全世界太陽(yáng)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(zhǎng)了17 倍。專家預(yù)測(cè)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀(jì)前半期將超過(guò)核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。

3.2 工作原理

太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n 結(jié)上,形成新的空穴-電子對(duì),在pn 結(jié)電場(chǎng)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(yáng)能電池的工作原理,圖3。

圖3 太陽(yáng)能板發(fā)電工作原理圖

太陽(yáng)能發(fā)電方式太陽(yáng)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(guò)利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電,一般是由太陽(yáng)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(guò)程是光-熱轉(zhuǎn)換過(guò)程；后一個(gè)過(guò)程是熱-電轉(zhuǎn)換過(guò)程。(2)光-電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光電效應(yīng),將太陽(yáng)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(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽(yáng)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(yáng)光照到光電二極管上時(shí),光電二極管就會(huì)把太陽(yáng)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(lái)就可以成為有比較大的輸出功率的太陽(yáng)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(yáng)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(guò)程中的損耗,太陽(yáng)能電池板的輸出功率應(yīng)為555Wh/6h/70%=130W。其中70%是充電過(guò)程中,太陽(yáng)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(cè)小車結(jié)構(gòu)分析

圖4 中1 為太陽(yáng)能板、2 為探測(cè)攝像頭、3 為光線探測(cè)器、4為行走輪、5 為箱體。通過(guò)太陽(yáng)能板和光線探測(cè)器的共同作用,最大限度的收集太陽(yáng)能并儲(chǔ)存,提供給探測(cè)攝像頭進(jìn)行探測(cè)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(cè)作業(yè),因而為了適應(yīng)探測(cè)環(huán)境,對(duì)行走輪進(jìn)行了兩種方案的設(shè)定：對(duì)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(duì)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(cè)器和太陽(yáng)能板共同作用的方式,根據(jù)光線的傾斜度不同對(duì)太陽(yáng)能板進(jìn)行不同角度的調(diào)節(jié),更好汲取太陽(yáng)能,增加了能量的使用效率。

6.1.3 攝像頭和光線探測(cè)頭360°旋轉(zhuǎn),拍攝探測(cè)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(cè)小車能夠集儲(chǔ)能供能、行走記錄與一體化作業(yè),簡(jiǎn)化了供能儲(chǔ)能所帶來(lái)的問(wèn)題,且光線探測(cè)器和太陽(yáng)能板共同作用的方式,不僅可用于探測(cè)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。