可拆卸式太陽能遮陽傘

武漢大學(xué) ■ 顧昌 呂天健 尹家波 韓典成 孟泊良 游杰宇

一 引言

人在戶外工作狀態(tài)下，經(jīng)常遭遇電子設(shè)備電量不足的情況，因用電設(shè)備電量不足引發(fā)事故的事件也時有發(fā)生。例如交通警察在路口執(zhí)勤通訊工具電量不足、野外宿營時易出現(xiàn)通訊工具電量不足的情況；許多戶外工作人員也常受手機(jī)、筆記本電腦、MP3等電子設(shè)備斷電的困擾。目前人們解決此類問題的方案有三種。方案一，隨身攜帶太陽能充電器。這類充電器一般使用傳統(tǒng)太陽能板發(fā)電，發(fā)電效率低，而且該類充電器體積較大、不方便攜帶，對于外出人員來說，攜帶此類厚重的太陽能充電器將對外出活動造成干擾。方案二，攜帶大功率蓄電池。例如增加手機(jī)待機(jī)時間、增大筆記本電腦電池容量、增大用電器蓄電池功率等均屬于此類方案，大功率電池雖然可在一定程度上緩解用電需求，但是不能滿足外出使用的所有用電設(shè)備的需求，且電量不可持續(xù)供給，并未有效解決戶外用電難題；方案三，在戶外尋找供電接口解決用電需求。該方案在一定場合適用，例如在道路維修或道路執(zhí)勤時可通過較長接線板連接供電接口實(shí)施供電，但是在野外工作情況下，此方法難以奏效。

以上三種方案均有弊端，為此我們考慮設(shè)計(jì)一種遮陽傘，不僅便于攜帶、還能解決實(shí)時供電難題。以往也有人將太陽能發(fā)電應(yīng)用到傘中，但是該類設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的太陽能板，質(zhì)量較大，大部分均在15kg以上；體積較大，下部握柄處直徑大于10cm，設(shè)計(jì)無法滿足人性化需求；不便攜帶且使用不便、發(fā)電效率低、功能比較單一(僅為臨時為電器提供充電電源或者作為自動開閉系統(tǒng)的電源)，綜合效益較低。同時，也存在占用空間較大，不便于移動的問題。

為了解決傳統(tǒng)太陽傘設(shè)計(jì)的不足，我們將該傘設(shè)計(jì)成可拆卸可伸縮式，傘面和傘架可分離，可滿足攜帶要求，同時采用目前世界上技術(shù)最先進(jìn)、工業(yè)化生產(chǎn)最成熟的第二代光伏產(chǎn)品的銅銦鎵硒(CIGS)太陽能薄膜，光電轉(zhuǎn)換效率居各種薄膜太陽能電池之首，接近晶體硅太陽電池，且成本則是晶體硅電池的1/3。

具體設(shè)計(jì)為：傘面為圓錐型，底部半徑為1.5m，高0.3m，母線長1.53m，傘面面積7m2，實(shí)際鋪設(shè)太陽能薄膜電池的面積5 m2，傘柄外徑范圍設(shè)計(jì)約為5cm，在逆變器部分可有突出，輸出功率在315～473W之間。

二 元器件定型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

銅銦鎵硒(CIGS)薄膜，重量輕、柔軟，具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率，目前非晶硅薄膜生產(chǎn)工藝成熟，在傘面采用CIGS薄膜吸收太陽能。將傘面和傘柄設(shè)計(jì)為可組合式結(jié)構(gòu)，以便攜帶；傘柄采用內(nèi)外筒嵌套式構(gòu)造，可伸縮，以便滿足不同高度的使用狀態(tài)。太陽能控制器、蓄電池、逆變器均使用微型結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)在傘柄中，傘柄下端設(shè)計(jì)USB和接線孔，可對用電器實(shí)施充電。

1 嵌壓式雙層傘面

傘面設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，外層為透明聚酯薄膜，具有良好的透光率，且對里層結(jié)構(gòu)有保護(hù)作用；里層為CIGS薄膜。與其他類型薄膜相比，非晶硅薄膜還具有成本低、對環(huán)境污染小等特點(diǎn)。為了方便攜帶，兩層傘面均采用小片拼接結(jié)構(gòu)，使用時，將其小片薄膜拼接成面狀結(jié)構(gòu)；攜帶時，可將其拆卸。

在普通的遮陽傘面形狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，首先是在傘面鋪設(shè)太陽電池薄膜，邊緣部分留出空白進(jìn)行嵌壓式接合，固結(jié)效果好，中間同傘的主體骨架接合固定。太陽薄膜電池的整體形狀實(shí)則為圓環(huán)形，鋪設(shè)在起支撐作用的傘面之上。具體參數(shù)設(shè)計(jì)為：傘面為圓錐型，底部半徑為1.5m，高0.3m，母線長1.53m，傘面面積7m2，實(shí)際鋪設(shè)太陽薄膜電池的面積5m2?？紤]到不同的工作需要，該參數(shù)均可按照實(shí)際需要進(jìn)行更改。

太陽電池薄膜有兩個電池正負(fù)極接頭，分別位于圓環(huán)的里側(cè)和外側(cè)，里側(cè)的接頭連接導(dǎo)線，通過接頭實(shí)現(xiàn)薄膜電池的并聯(lián)，導(dǎo)線通過傘柄的主題骨架上的小孔放置在傘柄的內(nèi)部；外側(cè)的接頭通過某一根傘面的支撐骨架的內(nèi)部的空隙連接入中央傘柄的內(nèi)部，兩根接頭在中央圓柱形傘柄內(nèi)與太陽能控制器以及輸出電路相連。

2 傘柄傘面組合構(gòu)造

為了便于攜帶，將傘柄與傘面設(shè)計(jì)為可拆卸式組合結(jié)構(gòu)。上部傘柄上端設(shè)計(jì)為螺紋桿結(jié)構(gòu)，傘面中心安裝有螺紋環(huán)套結(jié)構(gòu)。為了保障該傘在工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性，附著在傘柄上的骨架末端也設(shè)計(jì)為螺紋桿結(jié)構(gòu)，在傘面相應(yīng)設(shè)計(jì)有螺紋套環(huán)狀支附結(jié)構(gòu)。需要將傘面和傘柄組裝時，將傘柄和骨架的螺紋桿插入螺紋環(huán)套。攜帶時，可將其拆卸。

3 內(nèi)外筒嵌套式構(gòu)造

該遮陽傘適用于戶外場合，為滿足不同的使用要求，將傘柄設(shè)計(jì)為內(nèi)外筒嵌套式結(jié)構(gòu)。由上部傘柄和下部傘柄構(gòu)成，上部傘柄內(nèi)徑比下部傘柄內(nèi)徑稍大，且設(shè)有接線頭與傘面接口相連；在下部傘柄上端設(shè)計(jì)螺栓，當(dāng)需要收起傘時，可通過螺栓將上部傘柄收縮于下部傘柄中，便于攜帶。

4 銅銦鎵硒(CIGS)太陽能薄膜

我們結(jié)合最新技術(shù)，采用了一種更為先進(jìn)的銅銦鎵硒(CIGS)太陽能薄膜。

本設(shè)計(jì)采用的是Lonsem21型CIGS薄膜，它屬于柔性襯底CIGS太陽能薄膜，其最突出的特點(diǎn)是質(zhì)量比功率高，一般大于600W/kg[1]，這一優(yōu)點(diǎn)使它十分適用于對于質(zhì)量和體積要求較高的太陽能傘的制備中。本設(shè)計(jì)所采用的薄膜，其工作電壓為18V，系統(tǒng)電壓為12V，開路電壓為21V，又加之各塊薄膜之間采用并聯(lián)模式，因此總電壓未超過21V，滿足電路其他元件的要求。

5 太陽能控制器

太陽能控制器是太陽能光伏系統(tǒng)中的核心部分, 主要完成對蓄電池進(jìn)行電和放電的控制, 以及在過充、過放電、過載等情況發(fā)生時對系統(tǒng)進(jìn)行有效保護(hù)[2]。

綜合考慮該太陽能傘傘柄較小，宜選用微型太陽能控制器CQ-0601微型太陽能電源控制器(圖1)，是針對小型太陽能發(fā)電設(shè)備開發(fā)出的專用控制器，具有完善的保護(hù)功能，能適應(yīng)戶外的惡劣工作環(huán)境，有效延長蓄電池的使用壽命和保護(hù)負(fù)載，很適用于戶外遮陽傘。其額定電壓為6V，額定負(fù)載電流1A，與鋰電池的性能指標(biāo)相配，設(shè)計(jì)時可讓控制器與鋰電池并聯(lián)之后再串聯(lián)的方法滿足其他元件的要求。

圖1

6 蓄電池

由于本遮陽傘傘柄空間有限，故蓄電池采用鋰電池，其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，需要時再釋放出來，鋰電池適用于微型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

基于各方面的考慮，我們選用三星14500鋰電池，額定電壓為3.7V，充電電流為0.5A，可用兩個鋰電池串聯(lián)后再與控制器并聯(lián)(圖2)，由于兩個元件都可定制，所以可忽略電壓上的微小差別。

圖2

7 微型逆變器

光伏逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要部件和重要組成部分，為了保證太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對光伏逆變器的正確配置選型顯得成為重要。需考慮額定輸出功率、輸出電壓的調(diào)整性能及整機(jī)效率三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來確定逆變器。

Micro Inverter 22-60V光伏微型并網(wǎng)逆變器產(chǎn)品為寬電壓型(圖3)，可接受22～60V的直流電，適用于本產(chǎn)品的電路，可輸出直流電和交流電，因此可把低壓直流電轉(zhuǎn)高壓交流電，從而提高發(fā)電的適用性，最大效率高達(dá)95%。比傳統(tǒng)逆變器能量收集高25%，大大縮短“系統(tǒng)成本回收”時間。

圖3

8 USB接口及接線孔

在下部傘柄下端設(shè)計(jì)USB接口和普通接線孔。在野外手機(jī)、筆記本電腦等電量不足時，可通過USB接口進(jìn)行及時充電，普通接線孔還可在必要時為小型用電器提供電能，如小型風(fēng)扇、小型燈管等，具有便利性。

9 電路原理圖

遮陽傘電路原理圖如圖4所示。

圖4

10 具體實(shí)施方式

太陽能光伏遮陽傘整體構(gòu)造圖如圖5所示，透明聚酯薄膜安裝于外層，CIGS薄膜設(shè)計(jì)于內(nèi)層，傘柄由上部傘柄和下部傘柄構(gòu)成，其中上部傘柄的外徑較大，下部傘柄安裝有USB接口和普通接線孔，傘骨架起支撐作用。圖6給出了傘面內(nèi)層CIGS薄膜構(gòu)造圖， CIGS薄膜由小片薄膜拼接為面狀結(jié)構(gòu)，拼接處為薄膜拼接縫，與傘骨綁定，所有薄膜并聯(lián)連接，外緣接口設(shè)計(jì)在傘面外緣，中心接口設(shè)計(jì)在傘面中心。

圖5 太陽能光伏遮陽傘整體構(gòu)造圖

圖6 傘面內(nèi)層銅銦鎵硒(CIGS)薄膜構(gòu)造圖

傘柄內(nèi)部剖面圖如圖7所示，在傘柄中依次安裝微型太陽能控制器、鋰電池、 微型逆變器以及USB接口和普通接線孔，電子元件用導(dǎo)線連接。在下部傘柄上端設(shè)計(jì)螺栓，當(dāng)需要收起傘時，可通過螺栓將下部傘柄收縮于上部傘柄中。圖8為傘面、傘柄連接處結(jié)構(gòu)圖，上部傘柄上端設(shè)計(jì)為螺紋桿，傘面中心安裝有螺紋環(huán)套，螺紋桿可插入螺紋環(huán)套中，使傘面、傘柄組裝。

圖7 傘柄內(nèi)部剖面圖

傘骨架收束環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，上部傘柄上安裝有骨架收束環(huán)，傘骨架一端均系縛在骨架收束環(huán)上，傘骨架另一端也設(shè)計(jì)為螺紋桿結(jié)構(gòu)，在傘面相應(yīng)設(shè)計(jì)有螺紋套環(huán)狀支附結(jié)構(gòu)。傘骨架收束環(huán)下端設(shè)計(jì)有螺旋環(huán)，當(dāng)把傘骨架收束環(huán)調(diào)節(jié)到相應(yīng)位置后，可通過鈕緊螺旋環(huán)，使其固定。

圖8 傘面、傘柄連接處結(jié)構(gòu)圖

圖9 傘骨架收束環(huán)結(jié)構(gòu)圖

如圖10所示，微型太陽能控制器用于控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對鋰電池起到了過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用；鋰電池用于儲存太陽能；微型逆變器用于將低壓直流電轉(zhuǎn)化為高壓交流電以供用戶使用。在下部傘柄下端設(shè)計(jì)USB接口和普通接線孔，USB接口直接接在鋰電池兩端，而普通接線孔接在逆變器之后，用于對用電設(shè)備供電。

圖10 電路原理圖

三 創(chuàng)新特色

本光伏遮陽傘具有的特點(diǎn)為：

(1)將太陽能發(fā)電應(yīng)用于日常生活中的傘，有較高的實(shí)用性和推廣價值。

(2)選用銅銦鎵硒(CIGS)太陽能薄膜，提高了發(fā)電效率并且減少了成本，有效解決了以往成本高、發(fā)電效率低的問題。

(3)可拆卸式設(shè)計(jì)，傘面和傘柄可通過接口連接電路，實(shí)現(xiàn)面柄可分離可拆卸，同時將傘柄設(shè)計(jì)為內(nèi)外筒嵌套式構(gòu)造，使傘柄可伸縮，可在不同的高度使用，便于攜帶。

(4)將USB接口和接線孔應(yīng)用到傘中，既實(shí)現(xiàn)了手機(jī)、筆記本電腦應(yīng)急充電，又實(shí)現(xiàn)了為小型用電器即時供電的功能。

四 可行性分析

1 技術(shù)可行性

目前太陽能應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，技術(shù)相對成熟。在傘面設(shè)計(jì)中采用CIGS薄膜，光電轉(zhuǎn)化效率高，滿足發(fā)電要求。傘柄傘面可拆卸構(gòu)造既解決了攜帶問題，也實(shí)現(xiàn)了不同高度的應(yīng)用。采用鋰電池，不僅具有蓄能效果，而且適用于太陽電池。太陽能控制器和逆變器均可在市場上找到成品，不存在技術(shù)難題。

CIGS薄膜傘面采用小片拼接方式，可方便攜帶。目前，市場上的微型太陽能控制器可達(dá)到外徑不超過5cm的規(guī)格；鋰電池的形狀多樣，本文采用的微型鋰電池尺寸為4 mm×11 mm×20mm；對于微型逆變器，Micro Inverter 22-60V尺寸為215 mm×75 mm×48mm。綜上所述，傘柄外徑范圍設(shè)計(jì)約為5cm，在逆變器部分可有突出，即可保證電學(xué)元件正常工作。

考慮到CIGS薄膜的能量轉(zhuǎn)化效率為10%～20%， CIGS薄膜可輸出100～150W/m2，5 m2非晶硅薄膜可輸出500～750W，逆變器的轉(zhuǎn)換效率約為90%，蓄電池的轉(zhuǎn)換效率約為70%。則本產(chǎn)品太陽能輸出功率為：(500～750)×90%×70%=315～473W。

2 經(jīng)濟(jì)可行性

太陽能遮陽傘具有多種用途不僅可為電子產(chǎn)品充電還能冰箱、燈泡等電器提供電源，充分運(yùn)用了太陽能，同時也解決了因生活中電器電量不足時帶來的不便。

本設(shè)計(jì)功率為400W，按此計(jì)算，平均每天陽光照射時間為8h，一天可發(fā)電3.2kWh，按平均每年有光天數(shù)250d來計(jì)算，每年可發(fā)電800 kWh，完全滿足一般客戶的需求，同時可滿足照明需求。

本設(shè)計(jì)成本較為低廉，可滿足市場推廣需求。經(jīng)測算，該設(shè)計(jì)的主要成本源于：CIGS薄膜、微型太陽能控制器、鋰電池和微型逆變器。目前CIGS薄膜的國內(nèi)報(bào)價為7.5元/W，根據(jù)本設(shè)計(jì)400W功率計(jì)算，CIGS薄膜成本約為3000元；選用的CQ-0601微型太陽能電源控制器，成本約1200元；選用的三星14500的鋰電池，成本約150元；遮陽傘的設(shè)計(jì)選用的Micro Inverter 22-60V光伏微型并網(wǎng)逆變器，成本約為1000元。該傘的其他組件均為普通材質(zhì)，無特殊需要，成本較低。

經(jīng)測算，該遮陽傘的成本約5300～5500元?？紤]到它能帶來的便攜性和環(huán)保性，該成本適合做產(chǎn)品推廣。

五 應(yīng)用前景

我們設(shè)計(jì)的基于銅銦鎵硒(CIGS)的便攜太陽能光伏遮陽傘不僅能為人們生活提供便利，便于攜帶，還能達(dá)到節(jié)能減排的目的，在節(jié)能環(huán)保的時代具有較高的推廣價值。該設(shè)計(jì)既可應(yīng)用于人們外出宿營，又可安置在道路上供行人臨時充電，特別適用于野外作業(yè)時使用。特別是該傘利用太陽能為用電設(shè)備進(jìn)行及時充電，節(jié)能環(huán)保，符合時代理念，推廣價值高。

[1]杜園. CIGS薄膜太陽電池研究進(jìn)展[J]. 電源技術(shù), 2012, 5(36):748－753.

[2]盧一民, 黃國華. 太陽能光伏應(yīng)用系統(tǒng)全日綜合效率的判定 5 kW 光伏水泵系統(tǒng)的研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào), 1994, 15(4): 368－376.