多功能太陽傘的設計分析

摘 要：本次研究設計一種多功能太陽傘，傘桿的內部有MP3播放器、集成電路板、蓄電池、照明裝置。傘面頂面有多個太陽能電池板。傘桿桿壁上有耳機插孔、MP3控制鍵、MP3數據傳輸插口、照明裝置、控制開關、手機充電USB。本次設計的多功能太陽傘使用和加工都比較方便，結構新穎，功能多樣，具有較強的實用性，并且節能環保、美觀大方，成本比較低，是一種兼具實用性和經濟性的多功能太陽傘。

關鍵詞：多功能；太陽傘；太陽能；實用性

中圖分類號：T472 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0000-00

人們通常在炎熱的天氣使用太陽傘遮陽，傳統的太陽傘價格高而且只是用來遮陽的，隨著人們需求的提升，對太陽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。目前還沒有能夠遮陽的同時，提供電力的太陽傘[2]。利用太陽光提供電力，設計多功能的太陽能是可行的。當前國家倡導發展使用新能源，注重環保，本次設計多功能太陽傘，充分利用太陽能提供電力，滿足人們的多功能需求。

1 總體設計

本次基于人們日常生活使用的需求，設計新型的多功能太陽傘，如圖1所示。1表示傘面，2為導線，3為太陽能電池板，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為耳機插孔，11為MP3數據傳輸插口，12為手機充電標準USB口，13為照明裝置控制開關，14為照明裝置。

圖1 總體設計結構示意圖

本次設計的多功能太陽傘，以導線作為連接，連接所有的電子器件，形成一個整體回路。多功能太陽傘中的收集和存儲電能的系統，主要是蓄電池和太陽能電池板。其他部件都是耗電負載的部分。在太陽傘的傘桿底部，實行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。照明裝置以及相應的控制開關，安裝在傘桿底部的彎折部分前端。當在光線不好或者夜間使用太陽傘，可以通過照明裝置照明。在兩根傘骨之間，安裝有太陽能電池板。太陽能電池板靠近傘骨的同側位置。通過蓄電池、導線、集成電路板，將太陽能電池板連接成回路，從而發揮太陽能的作用。本次設計的多功能太陽傘，有照明功能、手機充電、MP3播放、遮陽等作用。在光線充足的條件下，太陽能電池為各個裝置發揮功用提供相應的電力[3]。當光照不充分的情況下，或者無光照時，供電主要使用蓄電池。由于太陽能板的存在，以及蓄電池的作用，可以將光能轉化成電能，在蓄電池中存儲，使人們更加方便地使用。

2 太陽能光伏發電系統

2.1 太陽能

太陽能指的是太陽的熱輻射能，主要表現為太陽光線[4]。太陽能通常用來發電，或者應用于熱水器中[5]。人們的生產生活都離不開電力行業，我國長期以來以火力發電為主，煤炭是電力供應的主要能源，電力行業是碳排放的主要來源之一，隨著經濟的發展，環境問題越來越突出，實現經濟發展和環境保護的和諧統一，是影響我國經濟健康穩定發展的一個重要問題。在環境壓力下，新能源的地位逐漸凸顯，包括地熱能、太陽能、風能、核能、生物能等等，為促進新能源發電的利用，我國出臺了許多相關政策，提高新能源發電在電力行業中的比重。太陽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，利用太陽能已經成為共識。太陽能也得到不斷發展。

太陽能的利用有兩種，光電轉換和光熱轉換。太陽能發電有太陽能光發電和太陽能熱發電。太陽能光發電是不需要熱傳遞，將光能直接轉變成電能，常用的是光伏發電。太陽能熱發電系統由儲熱、傳輸和集熱部分組成，根據聚光式系統，有碟式太陽能熱發電系統、槽式和塔式[6]。太陽能光伏發電系統主要由超級電容、蓄電池組、光伏電池模擬器、系統監控、正弦波逆變器等組成。太陽能發電系統的組成部分主要有蓄電池、太陽能控制器、太陽能電池組。如果輸出的電流是110V交流或者220V交流，也需要逆變器。太陽能普遍、無害、巨大并且長久，太陽光沒有地域的限制，可以直接開發利用，因此也可以直接應用于本次多功能太陽傘的設計中，不需要開采和運輸。太陽能是清潔能源，有利于環保，本次設計中使用太陽能，達到了節能環保的效果。太陽的能量的長久的，可以為多功能太陽傘提供源源不斷的電力，能耗成本低，便利人們的使用。但同時也會受自然條件和天氣等隨機因素的影響，具有不穩定性。

2.2 太陽能光伏發電系統

地球自西向東自轉形成晝夜，自轉的同時圍繞太陽公轉，對于地平面來說，由于自轉和公轉，太陽位置不斷變化。太陽能光發電包括光伏發電、光化學發電、光生物發電、光感應發電等。光伏發電依據光生伏特效應的原理，通過太陽電池將太陽光轉變成電能，是太陽光發電的主流。在太陽能光伏發電中，首先要建立太陽位置模型，地面接收到的太陽能量是時刻變化的，太陽位置的變化，太陽入射角也會隨之改變。在光化學發電中，實際應用最廣的是光伏電池，光伏電池在工作環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，最大化地利用太陽能。太陽能光伏發電系統需要考慮該地的日光輻射情況，承載的負載功率，系統每天工作的時間，輸出電壓是直流電還是交流電，如果是陰雨天氣，需要系統連續供電時間。

本次設計的多功能太陽傘，主要滿足人們的日常生活需求，具有較大的實用性。在設計中制作小型太陽能光伏發電系統，為實現太陽傘的多功能提供電能。光伏發電系統主要使用蓄電池、太陽能電池板，如下圖所示。太陽能電池板是利用太陽能發電中，設計系統的核心部分，是重要的部件之一。太陽電池是否有使用價值，主要與太陽能電池板的使用壽命、轉換率有關。太陽能電池板將光能轉化成電能，可以在蓄電池中存儲輸出的直流電。太陽能發電系統是一種裝置系統，利用電池組件，將太陽能轉變成電能。太陽電池組件在光照條件下會產生一定的電動勢，串并聯形成太陽能電池方陣，達到合適的電壓。蓄電池充電利用充放電控制器，可以存儲電能。太陽能電池和蓄電池組成系統的電源單元，系統的工作特性受蓄電池的性能的影響。

光伏發電中對太陽輻射能的吸收，主要使用太陽能光伏電池這種半導體電子器件。通過太陽能光伏電池，將太陽能轉化成電能，從而為太陽傘配備的耗電負載服務。單個太陽能電池板的電壓比較低，因此使用多個太陽能電池板，將它們串聯起來，形成有實用價值的單元。串聯多個太陽能電池板，能夠為耗電負載提供電能，為蓄電池充電。本次設計中的蓄電池，作為一個儲能的裝置，方便在光照不足和夜間使用。在光照不足、夜間，或者負載消耗的電能超過太陽能電池板的電量時，作為儲能裝置的蓄電池就負責供電，使各項功能能夠正常使用運行。

在多功能太陽傘的實際應用中，不同地理位置的太陽光照實際情況有所差異，并且要兼顧制造成本，要合理使用太陽能電池板和蓄電池組。根據實際情況制定具體的數量。以Ns表示太陽能電池板串聯數，蓄電池浮充電壓為Uf，太陽能電池組件最佳工作電壓為Uoc。太陽能電池方陣輸出最小電壓為UR。其他因素因數引起的壓降為UC。二極管壓降為UD，取值0.7V。公式為： 。太陽能電池組件的日輸出量為負載的1.25倍，工作電壓是其的1.4倍。蓄電池組容量Bc，為最長連續陰雨天和日工作時數和CX負載工作電流的乘積。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 多功能太陽傘的特點

本次設計的多功能太陽傘，將太陽能電池板裝置在傘面上，太陽能電池板使用多塊，用導線串聯，能夠隨時向蓄電池充電。太陽能電池板也能夠為耗電荷載提供電能，實現各種攜帶的功能，照明裝置、MP3播放器等。多功能太陽傘使用小型的太陽能電池板，在傘骨的同一側裝置，質量很輕，容易攜帶，體積也比較小，不容易損壞，也方便收起太陽傘。隨著手機的普遍應用，手機充電成為重要的問題，本次設計的多功能太陽傘，設置有USB口，方便使用者可以隨時為手機充電，滿足人們的生活需求。設計的多功能太陽傘中裝置MP3播放器，可以讓使用者隨時收聽音頻，并且有耳機插孔、數據傳輸接口等，功能齊全。設計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。考慮到夜間照明問題，設置有照明裝置和開關，對使用者來說比較實用。本次設計的多功能太陽傘，加工方便、使用方便，結構新穎，實用性強，成本低，并且做到節能環保，兼顧經濟效益和社會效益。

總之，多功能太陽傘考慮到人們日常的使用，集中多種電子部件，通過太陽能提供負載消耗的電能，具有較強的實用性。多功能太陽傘方便使用者的同時，也體現了綠色環保的理念，可以加工使用。

參考文獻

[1]譚丁銘，衛江紅，趙俊偉，等.太陽能空調傘的設計[J].內蒙古科技與經濟，2015，（20）：75-75.

[2]張曉明，潘啟明，朱明慧，等.基于單片機的太陽傘隨動系統設計[J].林業機械與木工設備，2012，（5）：46-48.

[3]王玉勤，張連新.一種新型太陽傘的設計[J].佳木斯職業學院學報，2015，（3）：395-396.

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

[5]林虎，楊健.太陽能風扇傘的設計[J].機械研究與應用，2013，（5）：120-121.

[6]高超.太陽能發電傘[J].物理教學探討：初中學生版，2010，（5）：62-62.

收稿日期：2018-06-11

作者簡介：李子玥，女，江蘇南京人，研究方向：機械設計、太陽能。