零能旋涼傘

皇明太陽能股份有限公司 ■ 公文 張君龍 王志燕 武青青 魏垚 林疏瑞 李珺

0 引言

太陽能作為一種最為清潔、豐富的能源，現(xiàn)階段已成為新能源研發(fā)的突破點(diǎn)。零能旋涼傘利用光伏發(fā)電，太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)：自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽電池組件方位角、高度角，能最大限度地吸收太陽能，提高光電轉(zhuǎn)換效率；人體紅外感應(yīng)：風(fēng)扇可方便實(shí)現(xiàn)檔位調(diào)節(jié)和搖頭變換，采用手動(dòng)和人體紅外感應(yīng)兩種控制方式相結(jié)合。

1 零能旋涼傘

1.1 涼傘首次采用張拉膜新材料

張拉膜具有壽命長、張緊力大、防雨性能好、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，所以，把張拉膜應(yīng)用到?jīng)鰝泐I(lǐng)域，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證效果非常好。

圖1 三代零能旋涼傘效果圖

1.2 實(shí)現(xiàn)三維跟蹤太陽

零能旋涼傘的傳動(dòng)是要實(shí)現(xiàn)直徑4.5 m、高4.2 m的傘體結(jié)構(gòu)的整體轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩大、力臂長，項(xiàng)目組經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“雙軸承”結(jié)構(gòu)、使用小功率電機(jī)結(jié)合大傳動(dòng)比的蝸輪蝸桿減速機(jī)并通過齒輪傳動(dòng)二次減速，設(shè)計(jì)出零能旋涼傘的傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、速度適合、轉(zhuǎn)停自如的目標(biāo)。另外，在光伏組件的下方設(shè)計(jì)有電動(dòng)推桿，可推動(dòng)組件轉(zhuǎn)動(dòng)滿足組件的高度角跟蹤。二者結(jié)合保證光伏組件具有方位角和高度角兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 滾珠絲杠

零能旋涼傘的旋轉(zhuǎn)是依靠“光敏逐日器”采集光源方向信號(hào)傳遞給轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的。為保護(hù)傘桿內(nèi)的電線不受損傷，傘體轉(zhuǎn)動(dòng)只能限制在180°范圍內(nèi)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，采用雙保險(xiǎn)的做法：一是在控制上設(shè)計(jì)成根據(jù)光線的強(qiáng)弱判定傘體轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，到晚上傘體原路轉(zhuǎn)回；二是為增加零能旋涼傘轉(zhuǎn)動(dòng)的可靠性，在轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)上增加了轉(zhuǎn)角限位裝置，當(dāng)傘體轉(zhuǎn)到設(shè)定的位置自動(dòng)回轉(zhuǎn)，確保傘體轉(zhuǎn)動(dòng)路線的可靠性。

圖3 齒輪和減速機(jī)

1.3 安全無隱患的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

零能旋涼傘的安裝位置較隨意，底盤高僅有17 cm，內(nèi)部走線，線路易浸水；線路從傘桿內(nèi)部穿上去，隨傘體每天來回轉(zhuǎn)動(dòng)，由于控制部件多，內(nèi)部走線多達(dá)12路，空間小，易摩擦線體。為確保產(chǎn)品的使用安全性，我們把所有的控制線路、動(dòng)力線路和系統(tǒng)部件都設(shè)計(jì)為DC 12 V和DC 24 V，徹底杜絕了系統(tǒng)的用電安全隱患。

1.4 便于運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

產(chǎn)品總重量約1 t，傘面直徑為4.5 m，底盤直徑為2.7 m，總高度為4.2 m。如何使這樣的“龐然大物”做到結(jié)構(gòu)牢固又便于運(yùn)輸和快速安裝，是產(chǎn)品能夠走向市場的一個(gè)關(guān)鍵。為此，課題組通過力學(xué)分析和多種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對比，確定了傘骨、撐桿、底座等各個(gè)部件的活連接結(jié)構(gòu)。底盤直徑2.7 m，運(yùn)輸時(shí)超寬又超高，課題組把底盤拆分成兩部分，“化整為零”，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品包裝、運(yùn)輸?shù)目尚行浴?/p>

圖4 零能旋涼傘連接件

1.5 傘布張緊裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

對于直徑4.5 m的涼傘來說，采用牛津布傘面難以平整，采用張拉膜則需要較大的張緊力。根據(jù)牛津布和張拉膜分別設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的張緊裝置，使傘面平整且具有一定的張緊力，更適用于惡劣氣候且造型美觀。

圖5 傘桿連接結(jié)構(gòu)圖

1.6 涼傘專用的控制系統(tǒng)

這款產(chǎn)品需要控制12路共計(jì)19個(gè)電氣部件。為此，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了零能旋涼傘專用控制柜。

圖6 控制柜

1.7 跨專業(yè)的裝修設(shè)計(jì)

產(chǎn)品底盤部分需采用戶外木地板和不銹鋼扶手進(jìn)行裝修，木地板包邊需實(shí)現(xiàn)槽型鋼板的弧形加工。項(xiàng)目組設(shè)計(jì)出了一套滾輪工裝，借用車間的卷圓設(shè)備完成了這種特殊件的加工，最終實(shí)現(xiàn)車間的自主生產(chǎn)。

1.8 鋁型材的壓型創(chuàng)新

太陽電池組件(太陽花)直徑1.8 m，體積大、重量大，運(yùn)輸和安裝都非常困難。為減輕這部分的重量使安裝更容易，我們嘗試采用鋁型材壓型制作。通常情況下壓型多采用碳鋼型材。為驗(yàn)證鋁型材的壓彎可行性，我們做了多種工藝實(shí)驗(yàn)，最終通過調(diào)整壓型模具結(jié)構(gòu)、進(jìn)料速度和壓力，實(shí)現(xiàn)了這一工藝加工。

圖7 鋁型材電池組件邊框

2 市場同類產(chǎn)品對比

2.1 推廣前景

零能旋涼傘是一款全新的由光伏組件提供電力的裝置，是人們納涼、休閑、小聚、賞景的理想場所，是高品位生活的首選產(chǎn)品，可安放于別墅區(qū)、露臺(tái)、草地、沙灘、公園等地，遮蔭避雨，傘內(nèi)用電自給自足，在提供高品位生活的同時(shí)，獨(dú)特的造型可與大自然完美融合。

零能旋涼傘采用單晶硅太陽電池組件發(fā)電，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)19.6%；逐日跟蹤系統(tǒng)使得太陽電池組件從方位角和高度角兩個(gè)角度實(shí)時(shí)追蹤太陽，最大程度地提升了系統(tǒng)發(fā)電量；智能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能量的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)太陽電池組件對蓄電池的過充控制，蓄電池對負(fù)載的過放控制，負(fù)載的短路、過放控制，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，無需人工操作；清潔能源，自給自足，零碳節(jié)能，置身其中，帶來科技時(shí)尚的體驗(yàn)。

圖8 零能旋涼傘效果圖

根據(jù)零能旋涼傘的性能特點(diǎn)，在產(chǎn)品推廣方面可考慮咖啡銷售行業(yè)，如星巴克、上島等具有一定影響力的咖啡連鎖店，還可考慮沙灘、公園、露臺(tái)、別墅庭院等休閑場所。其設(shè)計(jì)理念符合低碳、環(huán)保、節(jié)能的大趨勢。

2.2 項(xiàng)目模板效益

展示效益：目前，零能旋涼傘制作了5臺(tái)，太陽谷3臺(tái)、蔚來城1臺(tái)、上海交大1臺(tái)。零能旋涼傘以其獨(dú)特的造型、完美的自動(dòng)跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)吸引著每位游客的眼球，發(fā)揮了展示效益。

經(jīng)濟(jì)效益：以年推廣量200臺(tái)計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利潤約1000萬元。

社會(huì)效益：以年推廣量200臺(tái)計(jì)算，每年可發(fā)電43 995 kWh；節(jié)約標(biāo)煤17.8 t；減少CO2排放46 t；森林替代面積85 350 m2；石油替代量10.69 t，綜合效益明顯。

3 項(xiàng)目技術(shù)推廣優(yōu)勢

1) 品質(zhì)產(chǎn)品：提升居住品位。

2) 零能耗：太陽電池組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，蓄電池儲(chǔ)能，可為風(fēng)扇、冰箱、照明燈等設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)自給自足，低碳環(huán)保。

3) 人體紅外感應(yīng)：風(fēng)扇可方便實(shí)現(xiàn)檔位調(diào)節(jié)和搖頭變換，采用手動(dòng)和人體紅外感應(yīng)兩種控制方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)“人在風(fēng)扇轉(zhuǎn)，人離自動(dòng)停”的智能效果。在炎炎夏日，為您帶來縷縷清風(fēng)，同時(shí)降低了系統(tǒng)耗電量，提高了能量利用率。

4) 太陽電池組件：采用高效晶硅電池片轉(zhuǎn)換效率19.6%，衰減慢、壽命長；整體外觀設(shè)計(jì)為太陽花，造型獨(dú)特、新穎。

5) 智控系統(tǒng)：系統(tǒng)供電為DC 12 V，低壓直流，太陽電池組件自動(dòng)為蓄電池充電，晚上控制器自動(dòng)接通電路，LED燈點(diǎn)亮。過充、過放、反接、短路等各種保護(hù)功能齊全，安全可靠。

6) USB電源：產(chǎn)品提供DC 5 V的USB電源，可方便地為手機(jī)、MP3等設(shè)備充電；同時(shí)配有USB音響，可為您提供音樂享受。

7) LED裝飾燈：七色變換，漂亮美觀。

8) 節(jié)能冰箱：專用直流無氟冰箱，低耗電、長壽命。

9) 張拉膜：采用大傘面張拉膜結(jié)構(gòu)，彈性大、壽命長、遮陽防雨效果好；每個(gè)角設(shè)計(jì)有專用調(diào)緊裝置，安裝調(diào)整方便。

10) 木地板：菠蘿格、塑木外用地板，材質(zhì)穩(wěn)定、紋理清晰、可塑性強(qiáng)、不龜裂、不膨脹、不變形、無需維護(hù)與維修、亮澤防腐、安全環(huán)保。

11) 天然大理石桌面：紋路美觀、質(zhì)地堅(jiān)硬、耐磨防刮性能突出、抗菌效果好、戶外防腐能力強(qiáng)、壽命長。

12) 仿藤椅：適合戶外使用，防水防曬性能好，易清洗。

13) 傘桿、扶手等主體材料采用優(yōu)質(zhì)304不銹鋼，具有優(yōu)良的耐腐蝕性和抗晶間腐蝕能力，質(zhì)地優(yōu)良，光亮整潔。

14) 底盤：采用分體組合式，便于運(yùn)輸和安裝。

圖9 零能旋涼傘結(jié)構(gòu)圖

4 隱患點(diǎn)及對策

隱患點(diǎn)：目前零能旋涼傘的自動(dòng)跟蹤光敏傳感器尚需經(jīng)過上市產(chǎn)品的驗(yàn)證，如果光敏傳感器出現(xiàn)故障，會(huì)直接影響傘體正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

解決方案：新產(chǎn)品替代，或通過機(jī)械式定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零能旋涼傘轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

5 零能旋涼傘的效果圖

圖10 五代零能旋涼傘成品圖

圖11 零能旋涼傘現(xiàn)場安裝效果圖