多功能太陽(yáng)傘的設(shè)計(jì)分析

摘 要：本次研究設(shè)計(jì)一種多功能太陽(yáng)傘，傘桿的內(nèi)部有MP3播放器、集成電路板、蓄電池、照明裝置。傘面頂面有多個(gè)太陽(yáng)能電池板。傘桿桿壁上有耳機(jī)插孔、MP3控制鍵、MP3數(shù)據(jù)傳輸插口、照明裝置、控制開關(guān)、手機(jī)充電USB。本次設(shè)計(jì)的多功能太陽(yáng)傘使用和加工都比較方便，結(jié)構(gòu)新穎，功能多樣，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，并且節(jié)能環(huán)保、美觀大方，成本比較低，是一種兼具實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的多功能太陽(yáng)傘。

關(guān)鍵詞：多功能；太陽(yáng)傘；太陽(yáng)能；實(shí)用性

中圖分類號(hào)：T472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）17-0000-00

人們通常在炎熱的天氣使用太陽(yáng)傘遮陽(yáng)，傳統(tǒng)的太陽(yáng)傘價(jià)格高而且只是用來(lái)遮陽(yáng)的，隨著人們需求的提升，對(duì)太陽(yáng)傘提出了更多的功能要求[1]。大多功能需要電力的支持，不方便人們使用。目前還沒(méi)有能夠遮陽(yáng)的同時(shí)，提供電力的太陽(yáng)傘[2]。利用太陽(yáng)光提供電力，設(shè)計(jì)多功能的太陽(yáng)能是可行的。當(dāng)前國(guó)家倡導(dǎo)發(fā)展使用新能源，注重環(huán)保，本次設(shè)計(jì)多功能太陽(yáng)傘，充分利用太陽(yáng)能提供電力，滿足人們的多功能需求。

1 總體設(shè)計(jì)

本次基于人們?nèi)粘Ｉ钍褂玫男枨?，設(shè)計(jì)新型的多功能太陽(yáng)傘，如圖1所示。1表示傘面，2為導(dǎo)線，3為太陽(yáng)能電池板，4為傘骨，5為蓄電池，6為傘桿，7為集成電路板，8為MP3播放器，9為MP3控制鍵，10為耳機(jī)插孔，11為MP3數(shù)據(jù)傳輸插口，12為手機(jī)充電標(biāo)準(zhǔn)USB口，13為照明裝置控制開關(guān)，14為照明裝置。

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

本次設(shè)計(jì)的多功能太陽(yáng)傘，以導(dǎo)線作為連接，連接所有的電子器件，形成一個(gè)整體回路。多功能太陽(yáng)傘中的收集和存儲(chǔ)電能的系統(tǒng)，主要是蓄電池和太陽(yáng)能電池板。其他部件都是耗電負(fù)載的部分。在太陽(yáng)傘的傘桿底部，實(shí)行L型的加工方式彎折。為方便人們使用，大約高于九十度的彎折部分。照明裝置以及相應(yīng)的控制開關(guān)，安裝在傘桿底部的彎折部分前端。當(dāng)在光線不好或者夜間使用太陽(yáng)傘，可以通過(guò)照明裝置照明。在兩根傘骨之間，安裝有太陽(yáng)能電池板。太陽(yáng)能電池板靠近傘骨的同側(cè)位置。通過(guò)蓄電池、導(dǎo)線、集成電路板，將太陽(yáng)能電池板連接成回路，從而發(fā)揮太陽(yáng)能的作用。本次設(shè)計(jì)的多功能太陽(yáng)傘，有照明功能、手機(jī)充電、MP3播放、遮陽(yáng)等作用。在光線充足的條件下，太陽(yáng)能電池為各個(gè)裝置發(fā)揮功用提供相應(yīng)的電力[3]。當(dāng)光照不充分的情況下，或者無(wú)光照時(shí)，供電主要使用蓄電池。由于太陽(yáng)能板的存在，以及蓄電池的作用，可以將光能轉(zhuǎn)化成電能，在蓄電池中存儲(chǔ)，使人們更加方便地使用。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能指的是太陽(yáng)的熱輻射能，主要表現(xiàn)為太陽(yáng)光線[4]。太陽(yáng)能通常用來(lái)發(fā)電，或者應(yīng)用于熱水器中[5]。人們的生產(chǎn)生活都離不開電力行業(yè)，我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)以火力發(fā)電為主，煤炭是電力供應(yīng)的主要能源，電力行業(yè)是碳排放的主要來(lái)源之一，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越突出，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的和諧統(tǒng)一，是影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。在環(huán)境壓力下，新能源的地位逐漸凸顯，包括地?zé)崮?、太?yáng)能、風(fēng)能、核能、生物能等等，為促進(jìn)新能源發(fā)電的利用，我國(guó)出臺(tái)了許多相關(guān)政策，提高新能源發(fā)電在電力行業(yè)中的比重。太陽(yáng)能是一種重要的新能源，是新興的可再生能源。隨著化石燃料的減少，利用太陽(yáng)能已經(jīng)成為共識(shí)。太陽(yáng)能也得到不斷發(fā)展。

太陽(yáng)能的利用有兩種，光電轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)能發(fā)電有太陽(yáng)能光發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電。太陽(yáng)能光發(fā)電是不需要熱傳遞，將光能直接轉(zhuǎn)變成電能，常用的是光伏發(fā)電。太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)由儲(chǔ)熱、傳輸和集熱部分組成，根據(jù)聚光式系統(tǒng)，有碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)、槽式和塔式[6]。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由超級(jí)電容、蓄電池組、光伏電池模擬器、系統(tǒng)監(jiān)控、正弦波逆變器等組成。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的組成部分主要有蓄電池、太陽(yáng)能控制器、太陽(yáng)能電池組。如果輸出的電流是110V交流或者220V交流，也需要逆變器。太陽(yáng)能普遍、無(wú)害、巨大并且長(zhǎng)久，太陽(yáng)光沒(méi)有地域的限制，可以直接開發(fā)利用，因此也可以直接應(yīng)用于本次多功能太陽(yáng)傘的設(shè)計(jì)中，不需要開采和運(yùn)輸。太陽(yáng)能是清潔能源，有利于環(huán)保，本次設(shè)計(jì)中使用太陽(yáng)能，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的效果。太陽(yáng)的能量的長(zhǎng)久的，可以為多功能太陽(yáng)傘提供源源不斷的電力，能耗成本低，便利人們的使用。但同時(shí)也會(huì)受自然條件和天氣等隨機(jī)因素的影響，具有不穩(wěn)定性。

2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

地球自西向東自轉(zhuǎn)形成晝夜，自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，對(duì)于地平面來(lái)說(shuō)，由于自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，太陽(yáng)位置不斷變化。太陽(yáng)能光發(fā)電包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光生物發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電等。光伏發(fā)電依據(jù)光生伏特效應(yīng)的原理，通過(guò)太陽(yáng)電池將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)變成電能，是太陽(yáng)光發(fā)電的主流。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電中，首先要建立太陽(yáng)位置模型，地面接收到的太陽(yáng)能量是時(shí)刻變化的，太陽(yáng)位置的變化，太陽(yáng)入射角也會(huì)隨之改變。在光化學(xué)發(fā)電中，實(shí)際應(yīng)用最廣的是光伏電池，光伏電池在工作環(huán)境中可能受到粒子輻射、溫度、光照等多種因素的影響，溫度和光照是時(shí)常存在的。在一定的溫度和光照下，光伏電池的電流、電壓和輸出功率都是不斷變化的，需要找到最佳輸出功率，最大化地利用太陽(yáng)能。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)需要考慮該地的日光輻射情況，承載的負(fù)載功率，系統(tǒng)每天工作的時(shí)間，輸出電壓是直流電還是交流電，如果是陰雨天氣，需要系統(tǒng)連續(xù)供電時(shí)間。

本次設(shè)計(jì)的多功能太陽(yáng)傘，主要滿足人們的日常生活需求，具有較大的實(shí)用性。在設(shè)計(jì)中制作小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)傘的多功能提供電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要使用蓄電池、太陽(yáng)能電池板，如下圖所示。太陽(yáng)能電池板是利用太陽(yáng)能發(fā)電中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心部分，是重要的部件之一。太陽(yáng)電池是否有使用價(jià)值，主要與太陽(yáng)能電池板的使用壽命、轉(zhuǎn)換率有關(guān)。太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化成電能，可以在蓄電池中存儲(chǔ)輸出的直流電。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是一種裝置系統(tǒng)，利用電池組件，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能。太陽(yáng)電池組件在光照條件下會(huì)產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，串并聯(lián)形成太陽(yáng)能電池方陣，達(dá)到合適的電壓。蓄電池充電利用充放電控制器，可以存儲(chǔ)電能。太陽(yáng)能電池和蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，系統(tǒng)的工作特性受蓄電池的性能的影響。

光伏發(fā)電中對(duì)太陽(yáng)輻射能的吸收，主要使用太陽(yáng)能光伏電池這種半導(dǎo)體電子器件。通過(guò)太陽(yáng)能光伏電池，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，從而為太陽(yáng)傘配備的耗電負(fù)載服務(wù)。單個(gè)太陽(yáng)能電池板的電壓比較低，因此使用多個(gè)太陽(yáng)能電池板，將它們串聯(lián)起來(lái)，形成有實(shí)用價(jià)值的單元。串聯(lián)多個(gè)太陽(yáng)能電池板，能夠?yàn)楹碾娯?fù)載提供電能，為蓄電池充電。本次設(shè)計(jì)中的蓄電池，作為一個(gè)儲(chǔ)能的裝置，方便在光照不足和夜間使用。在光照不足、夜間，或者負(fù)載消耗的電能超過(guò)太陽(yáng)能電池板的電量時(shí)，作為儲(chǔ)能裝置的蓄電池就負(fù)責(zé)供電，使各項(xiàng)功能能夠正常使用運(yùn)行。

在多功能太陽(yáng)傘的實(shí)際應(yīng)用中，不同地理位置的太陽(yáng)光照實(shí)際情況有所差異，并且要兼顧制造成本，要合理使用太陽(yáng)能電池板和蓄電池組。根據(jù)實(shí)際情況制定具體的數(shù)量。以Ns表示太陽(yáng)能電池板串聯(lián)數(shù)，蓄電池浮充電壓為Uf，太陽(yáng)能電池組件最佳工作電壓為Uoc。太陽(yáng)能電池方陣輸出最小電壓為UR。其他因素因數(shù)引起的壓降為UC。二極管壓降為UD，取值0.7V。公式為： 。太陽(yáng)能電池組件的日輸出量為負(fù)載的1.25倍，工作電壓是其的1.4倍。蓄電池組容量Bc，為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天和日工作時(shí)數(shù)和CX負(fù)載工作電流的乘積。C=1.8為酸性蓄電池，C=1.5為堿性蓄電池。如果最低溫度為-10℃，乘以1.1。

3 多功能太陽(yáng)傘的特點(diǎn)

本次設(shè)計(jì)的多功能太陽(yáng)傘，將太陽(yáng)能電池板裝置在傘面上，太陽(yáng)能電池板使用多塊，用導(dǎo)線串聯(lián)，能夠隨時(shí)向蓄電池充電。太陽(yáng)能電池板也能夠?yàn)楹碾姾奢d提供電能，實(shí)現(xiàn)各種攜帶的功能，照明裝置、MP3播放器等。多功能太陽(yáng)傘使用小型的太陽(yáng)能電池板，在傘骨的同一側(cè)裝置，質(zhì)量很輕，容易攜帶，體積也比較小，不容易損壞，也方便收起太陽(yáng)傘。隨著手機(jī)的普遍應(yīng)用，手機(jī)充電成為重要的問(wèn)題，本次設(shè)計(jì)的多功能太陽(yáng)傘，設(shè)置有USB口，方便使用者可以隨時(shí)為手機(jī)充電，滿足人們的生活需求。設(shè)計(jì)的多功能太陽(yáng)傘中裝置MP3播放器，可以讓使用者隨時(shí)收聽音頻，并且有耳機(jī)插孔、數(shù)據(jù)傳輸接口等，功能齊全。設(shè)計(jì)中考慮到使用者的提拿，傘桿底部彎折角度略大于九十度，成L型。考慮到夜間照明問(wèn)題，設(shè)置有照明裝置和開關(guān)，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)比較實(shí)用。本次設(shè)計(jì)的多功能太陽(yáng)傘，加工方便、使用方便，結(jié)構(gòu)新穎，實(shí)用性強(qiáng)，成本低，并且做到節(jié)能環(huán)保，兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

總之，多功能太陽(yáng)傘考慮到人們?nèi)粘５氖褂?，集中多種電子部件，通過(guò)太陽(yáng)能提供負(fù)載消耗的電能，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。多功能太陽(yáng)傘方便使用者的同時(shí)，也體現(xiàn)了綠色環(huán)保的理念，可以加工使用。

參考文獻(xiàn)

[1]譚丁銘，衛(wèi)江紅，趙俊偉，等.太陽(yáng)能空調(diào)傘的設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2015，（20）：75-75.

[2]張曉明，潘啟明，朱明慧，等.基于單片機(jī)的太陽(yáng)傘隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2012，（5）：46-48.

[3]王玉勤，張連新.一種新型太陽(yáng)傘的設(shè)計(jì)[J].佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，（3）：395-396.

[4]田鑫.太陽(yáng)能智能降溫可充電太陽(yáng)傘設(shè)計(jì)[J].科技視界，2016，（15）：275-276.

[5]林虎，楊健.太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2013，（5）：120-121.

[6]高超.太陽(yáng)能發(fā)電傘[J].物理教學(xué)探討：初中學(xué)生版，2010，（5）：62-62.

收稿日期：2018-06-11

作者簡(jiǎn)介：李子玥，女，江蘇南京人，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、太陽(yáng)能。