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(cè)車輛。

1.2.2 201210533329.5 解決弱引力天體表面探測(cè)的問題,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,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(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(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)能所帶來的問題,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。