本實(shí)用新型涉及能量收集技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種轉(zhuǎn)動碰撞式月面能量收集裝置。

背景技術(shù)：

星際探測作為太空科學(xué)發(fā)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(jìn)行任何機(jī)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(dǎo)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(fā)動機(jī)是一種獨(dú)特的熱機(jī)，利用冷熱兩端的溫度差實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，其實(shí)際效率幾乎等于理論最大效率，被稱為卡諾循環(huán)效率。如何在月面上高效率利用太陽能來實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r的發(fā)電，一直以來都未能較好的解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種轉(zhuǎn)動碰撞式月面能量收集裝置。

本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種轉(zhuǎn)動碰撞式月面壓電能量收集裝置，包括固定輪、轉(zhuǎn)動輪、斯特林發(fā)動機(jī)和儲能模塊；

所述固定輪呈圓圈狀，固定在月球上；

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

所述固定輪和轉(zhuǎn)動輪上均設(shè)有若干壓電發(fā)電單元；

所述壓電發(fā)電單元包含直桿和附加質(zhì)量塊；所述直桿兩端分別為固定端和撞擊端，兩側(cè)均設(shè)有壓電陶瓷片；所述附加質(zhì)量塊設(shè)置在所述直桿的撞擊端；所述直桿兩側(cè)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(fā)電單元的固定端固定在固定輪的內(nèi)圈上，撞擊端朝內(nèi)，直桿所在直線經(jīng)過固定輪的圓心；

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

所述轉(zhuǎn)動輪旋轉(zhuǎn)時，固定輪上壓電發(fā)電單元的附加質(zhì)量塊與轉(zhuǎn)動輪上壓電發(fā)電單元的附加質(zhì)量塊相互撞擊后錯開；

所述斯特林發(fā)動機(jī)的熱端設(shè)置在月球表面，冷端埋放在月壤中，通過連桿帶動轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動。

作為本實(shí)用新型一種轉(zhuǎn)動碰撞式月面壓電能量收集裝置進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述斯特林發(fā)動機(jī)采用雙缸雙活塞式斯特林發(fā)動機(jī)，包括第一至第二氣缸、第一至第二活塞、連桿機(jī)構(gòu)和傳輸管道；

所述連桿機(jī)構(gòu)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(lián)通部、以及傳輸管道內(nèi)設(shè)有惰性氣體；

所述第一氣缸、第一活塞組成斯特林發(fā)動機(jī)的熱端，設(shè)置在月球表面；

所述第二氣缸、第二活塞組成斯特林發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)動輪鉸接，第二活塞的活塞桿通過第二連桿和轉(zhuǎn)動輪鉸接。

作為本實(shí)用新型一種轉(zhuǎn)動碰撞式月面壓電能量收集裝置進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述固定輪上壓電發(fā)電單元的固定端均勻設(shè)置在固定輪的內(nèi)圈上，轉(zhuǎn)動輪上壓電發(fā)電單元的固定端均勻設(shè)置在轉(zhuǎn)動輪的周邊上。

作為本實(shí)用新型一種轉(zhuǎn)動碰撞式月面壓電能量收集裝置進(jìn)一步的優(yōu)化方案，還包含太陽能集熱模塊，所述太陽能集熱模塊設(shè)置在月球表面，用于聚集太陽能對熱端進(jìn)行加熱升溫。

作為本實(shí)用新型一種轉(zhuǎn)動碰撞式月面壓電能量收集裝置進(jìn)一步的優(yōu)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(chǎn)生電能供給給電熱器，所述電熱器用于對熱端進(jìn)行加熱升溫。

該轉(zhuǎn)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(nèi)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(fā)動機(jī)產(chǎn)生推動力驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)連續(xù)運(yùn)動，從而帶動所述的轉(zhuǎn)動輪連續(xù)的旋轉(zhuǎn)；

轉(zhuǎn)動輪在連續(xù)轉(zhuǎn)動的過程中，固定輪上壓電發(fā)電單元的附加質(zhì)量塊與轉(zhuǎn)動輪上壓電發(fā)電單元的附加質(zhì)量塊不斷相互撞擊后錯開；

壓電發(fā)電單元進(jìn)行碰撞時，直桿發(fā)生形變，導(dǎo)致壓電陶瓷片產(chǎn)生彎曲形變；

壓電陶瓷片的彎曲形變使其在表面產(chǎn)生電荷；

儲能模塊收集壓電陶瓷片表面產(chǎn)生的電荷進(jìn)行儲存。

本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1. 結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高；

2. 利用月球表面與月壤之間的溫差能來實(shí)現(xiàn)斯特林發(fā)動機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動，基于壓電材料的壓電效應(yīng)在碰撞過程中來實(shí)現(xiàn)壓電發(fā)電，全天候?qū)崟r高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

附圖說明

圖1是轉(zhuǎn)動碰撞式月面壓電能量收集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是固定輪的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是轉(zhuǎn)動輪的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是壓電發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是斯特林發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是擊錘與壓電發(fā)電單元的在碰撞過程中的示意圖。

圖中，1-固定輪，2-壓電發(fā)電單元，2.1-直桿，2.2-壓電陶瓷片，2.3-附加質(zhì)量塊，3-轉(zhuǎn)動輪，4-斯特林發(fā)動機(jī)，4.1-熱端，4.2-冷端，4.3-傳輸管道，4.4-連桿機(jī)構(gòu)，5-太陽能集熱模塊，6-儲能模塊，7-軸承，8-惰性氣體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示， 本實(shí)用新型公開了一種轉(zhuǎn)動碰撞式月面壓電能量收集裝置，包括固定輪、轉(zhuǎn)動輪、斯特林發(fā)動機(jī)、太陽能集熱模塊和儲能模塊。

固定輪呈圓圈狀，固定在月球上，轉(zhuǎn)動輪的圓心通過軸承固定在固定輪的圓心處，使得轉(zhuǎn)動輪和固定輪同心并處于同一平面，且轉(zhuǎn)動輪能夠轉(zhuǎn)動。

如圖2和圖3所示，固定輪和轉(zhuǎn)動輪上均設(shè)有若干壓電發(fā)電單元。

如圖4所示，壓電發(fā)電單元包含直桿和附加質(zhì)量塊；直桿兩端分別為固定端和撞擊端，兩側(cè)均設(shè)有壓電陶瓷片；附加質(zhì)量塊設(shè)置在所述直桿的撞擊端；直桿兩側(cè)的壓電陶瓷片均與儲能模塊電氣相連。

固定輪上壓電發(fā)電單元的固定端固定在固定輪的內(nèi)圈上，撞擊端朝內(nèi)，直桿所在直線經(jīng)過固定輪的圓心；轉(zhuǎn)動輪上壓電發(fā)電單元的固定端固定在轉(zhuǎn)動輪的周邊上，撞擊端朝外，直桿所在直線經(jīng)過轉(zhuǎn)動輪的圓心。

轉(zhuǎn)動輪旋轉(zhuǎn)時，固定輪上壓電發(fā)電單元的附加質(zhì)量塊與轉(zhuǎn)動輪上壓電發(fā)電單元的附加質(zhì)量塊相互撞擊后錯開。

斯特林發(fā)動機(jī)的熱端設(shè)置在月球表面，冷端埋放在月壤中，通過連桿帶動轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動。

太陽能集熱模塊設(shè)置在月球表面，用于聚集太陽能對熱端進(jìn)行加熱升溫。

如圖5所示，斯特林發(fā)動機(jī)可以采用雙缸雙活塞式斯特林發(fā)動機(jī)，包括第一至第二氣缸、第一至第二活塞、連桿機(jī)構(gòu)和傳輸管道；連桿機(jī)構(gòu)第一至第二連桿；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(lián)通部、以及傳輸管道內(nèi)設(shè)有惰性氣體；第一氣缸、第一活塞組成斯特林發(fā)動機(jī)的熱端，設(shè)置在月球表面；第二氣缸、第二活塞組成斯特林發(fā)動機(jī)的冷端，埋放在月壤中；第一活塞的活塞桿通過第一連桿和轉(zhuǎn)動輪鉸接，第二活塞的活塞桿通過第二連桿和轉(zhuǎn)動輪鉸接。

為了達(dá)到比較好的效果，固定輪上壓電發(fā)電單元的固定端均勻設(shè)置在固定輪的內(nèi)圈上，轉(zhuǎn)動輪上壓電發(fā)電單元的固定端均勻設(shè)置在轉(zhuǎn)動輪的周邊上。

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(chǎn)生電能供給給電熱器，所述電熱器用于對熱端進(jìn)行加熱升溫。

斯特林發(fā)動機(jī)白天利用太陽能加熱熱端，使熱端內(nèi)部的惰性氣體由于溫度升高而受熱膨脹，并且通過傳輸管道進(jìn)入冷端；由于冷端處于月壤之中，升溫相對緩慢，與熱端具有溫度差，使得受熱膨脹的惰性氣體進(jìn)入冷端被壓縮，同時通過傳輸管道進(jìn)入熱端，因此冷端和熱端的溫度差不斷壓縮和膨脹惰性氣體從而產(chǎn)生連續(xù)的推動力驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)連續(xù)運(yùn)動，從而帶動所述的轉(zhuǎn)動輪旋轉(zhuǎn)；重復(fù)上述冷熱交替的過程，冷熱兩端的溫度差驅(qū)動斯特林發(fā)動機(jī)連續(xù)運(yùn)動，并帶動轉(zhuǎn)動輪繞同一個方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。

晚上無太陽直射時月面溫度迅速降低，而月壤的溫度略微降低，使得埋入月壤的冷端的溫度高于熱端，從而產(chǎn)生溫度差驅(qū)動斯特林發(fā)動機(jī)反向轉(zhuǎn)動并使轉(zhuǎn)動輪連續(xù)反向旋轉(zhuǎn)。只有當(dāng)熱端的溫度高于冷端，轉(zhuǎn)動輪才會再次反轉(zhuǎn)。

在轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)動輪上的壓電陶瓷單元持續(xù)不斷地敲擊均勻分布在固定輪上的壓電陶瓷單元從而使壓電陶瓷片發(fā)生彎曲變形，由于壓電材料的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷的彎曲變形將在其表面產(chǎn)生電荷，并通過導(dǎo)線導(dǎo)入儲能模塊被儲存起來。轉(zhuǎn)動輪以及固定輪上的壓電發(fā)電單元個數(shù)可以根據(jù)設(shè)計(jì)調(diào)整，以達(dá)到最高的能量轉(zhuǎn)換效率。同時轉(zhuǎn)動輪與固定輪上的壓電發(fā)電單元之間的配合，可以保證在壓電發(fā)電單元產(chǎn)生形變之后，轉(zhuǎn)動輪能夠繼續(xù)轉(zhuǎn)動，從而敲擊下一個固定輪上的壓電發(fā)電單元，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)不斷地產(chǎn)生電流，其運(yùn)動原理如圖6所示。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語（包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語）具有與本實(shí)用新型所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實(shí)施方式，對本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式而已，并不用于限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。