基于單晶硅太陽能電池的多功能遮陽傘的研究與設計

王磊，謝文俊，萬珮瑤，陳思銳，陳溧航，潘高峰

（南京工程學院，江蘇 南京 211167）

1 研究意義

多功能遮陽傘可以改善人們的生活水平，提高生活的舒適度，讓人們能夠在感受到涼爽的同時，還能保持優雅和風度。使用單晶硅太陽能電池給遮陽傘內設備供電，在一定程度上，可以減小能源消耗，并且相對其他化學電池而言，對環境的污染大大減小，體現了綠色環保的新理念。太陽能作為一種可不斷利用、可再生的清潔能源，因而也就有著巨大的開發和應用潛力，通過數據顯示，太陽光每秒放射出的能量大約是1.6×1023kW，這其中能夠到達地球的能量高達將近1014kW，相當于6×109t 煤。太陽半小時輻射地球的能量可以供全世界一年的能源消耗，人類賴以生存的自然資源幾乎全部來源于太陽能的轉換。

2 產品設計

2.1 產品簡介

該多功能遮陽傘是利用單晶硅太陽能電池作為太陽能轉化裝置，鋰蓄電池作為儲能裝置，將各種電器設備與傘進行結合組裝，從而達到當下人們所提倡的一個低碳環保的時代要求。在傘的頂部裝有多個單晶硅太陽能電池，用以吸收光能，并將其轉換成電能，傘骨部分裝有軟葉風扇，用開關控制風扇的啟動與關閉；在傘柄下部會裝有LED 燈，用于夜間的照明；同時，傘骨部分會預留一個供電插口，可用于小型用電設備短時間的供電。整個產品是通過并聯的方式將各種用電設備與傘之間進行組裝，旨在為消費者打造一個舒適、便攜的產品。工作簡圖如圖1。

圖1 工作簡圖

2.2 產品結構細化介紹

主要結構：傘骨支架、軟葉風扇、單晶硅太陽能電池、鋰蓄電池、傘布、照明燈

（1）傘骨支架。該多功能遮陽傘的傘骨支架采用鋁合金制作，鋁合金重量輕，強度較高，不易折斷，其次，是傘骨可以經過長時間雨水，不易生銹，不易褪色。通過研究和觀察發現，鋁合金表面具有比較好的色彩效果，外觀上要比鐵傘骨以及其他材質的傘骨顯得美觀、大氣，隨著人們對高端產品色彩要求越來越豐富多彩，因而該產品也極大地貼合了消費者的需求，符合人們的審美觀念。

（2）軟葉風扇。軟葉風扇體積小、質量小，運行起來比較省電，并且也有利于遮陽傘的收縮。至于軟葉風扇的數量，可以依據遮陽傘的大小來進行合理分配，其葉片的數量也可以依據內部空間大小合理分配，葉片數量多，轉速快，帶動空氣流速加快，送風量也就相對較大。風扇通過鋰蓄電池供電，將太陽能電池轉化來的的電能再轉化成動能，產生轉速，帶動空氣流動，產生自然風，讓人們感受到涼爽。軟葉風扇內部主要通過小型的發動機進行運作的。為了避免人的頭發觸碰到軟葉風扇，在風扇與人的頭部之間加裝一層尼龍網，直接用于防止頭發攪進風扇，發生一些不必要的事情。

小型發動機工作原理：通電線圈在磁場中受力轉動。

（3）單晶硅太陽能電池。①鋼化玻璃作用主要為保護電池片，當然，對材質要求很高，其材質要求透光率必須高，從而能夠更好地吸收太陽光，提高轉化效率，其次，需要經過超白鋼化處理，一般比較常見的處理方法是物理鋼化，而對于相對比較薄的玻璃，化學鋼化采用的較多，也即離子交換法。②其中EVA 主要是用來連接鋼化玻璃和發電主體的，EVA 質量的好壞將直接影響電池組件的使用時間，長時間裸露在空氣中的EVA 顏色容易變黃，從而會影響電池組件的透光率，進而影響整個電池組件的發電效果。③電池片主要作用就是發電，晶體硅太陽能電池片相對于薄膜電池來說，制作設備成本較低，光電轉換效率較高，而單晶硅相對于多晶硅光電轉換效率又要高些，一般可達到20%左右，通過使用增透技術和低輻射技術，在正常陽光下，其光電轉換效率可達23%左右，在聚光的情況下更高，甚至可達到28%，因而本產品選用單晶硅太陽能電池作為電能轉換裝置。④背板對電池片具有一定程度的保護作用，其具有防水、密封、耐老化的特點。⑤鋁合金保護層壓件，起一定的密封、支撐作用。⑥接線盒用于保護整個發電裝置，接線盒會及時的自動斷開短路電池串，防止燒壞整個裝置。⑦硅膠主要用來密封組件與鋁合金邊框、組件與接線盒交界處

發電原理：光電效應，太陽光照射到電池的表面，電池片由于光生伏特效應將太陽光能直接轉化成電能，產生電流，從而為軟葉風扇以及照明燈供電。其中，光生伏特效應是指半導體在受到光照射時產生電動勢的現象。

（4）照明燈。照明燈選擇參考的指標有很多，首先，是色溫以及顯色指數，這是與人眼感覺到的直接相關。例如，通常白熾燈帶有一定的溫度，顯然在照明的同時會給人一種溫暖的感覺，而熒光燈和鈉燈等則看起來就比較清冷，其實這主要是由于它們的色溫所導致的，色溫不同給人帶來的感覺也大不相同。

通常日常生活中，我們照明不會選擇用鈉燈，那是由于鈉燈的顯色指數小，人眼對其容易產生疲勞感。生活中我們所見的照明燈的供電方式也不一樣，分為交流電和直流電，而太陽能電池提供的是直流電，恰好LED 燈通的也是直流電，因而理想型應該是LED 燈，選擇LED 燈不僅僅是因為它是通過直流電供電，更重要的原因是它光效很高，具有很好的照明效果，如果使用白熾燈或者是熒光燈，由于通電方式不一樣，那么，在電路中還需要增加一個逆變電路，顯然會比較煩瑣，并且也增加了能量損耗。因而在遮陽傘中，選擇LED燈作為照明光源是相對比較合適的，LED 燈不需要通過燈絲發熱來發光，因而選用這種組合具有較高的能源利用率以及可靠性、安全性。

（5）傘布。遮陽傘的傘布首先要求具有防紫外線功能，傘布的質量以及耐受陽光的能力，其次，就是傘面的色彩組合，都是綜合考慮的因素。本產品預將傘面做成雙層，上面一層蓋在下面一層上面，這樣可以更好地抵擋紫外線的照射，布料采用滌綸，相對于其他布料，防曬效果更佳。

（6）鋰蓄電池。首先，從電池的性能角度分析，鋰電池的壽命相對于鉛酸蓄電池和其他化學電池來說比較長，從電池內部的結構上面去看，鋰電池的循環使用壽命大概在1000 ～2000 次左右，而鉛酸蓄電池在電池的使用循環壽命方面則相對處于劣勢，大概只有300 ～350 次左右。其次，從電池環保的角度上面對比，鋰電池比鉛酸蓄電池更加環保清潔，鉛酸蓄電池在使用的時候，會存在鉛污染風險，鉛酸蓄電池的主要原材料是鉛，而鉛又占據整個電池質量的六成以上，也就是說，鉛酸蓄電池的核心部件為重金屬，因而會對環境造成污染，并且會對人體產生危害，而鋰電池不僅不會對環境造成污染，而且還具有質量輕、方便攜帶的特點。所以，本產品選用鋰電池作為儲能裝置，更加合理，更加具有環保性，符合當下時代理念。

3 研究結論

綜上所述，為了充分滿足消費者的生活需求，研究出的新型遮陽傘擬采用鋁合金材質傘骨支架，質量輕，不易折斷；傘布采用雙層滌綸布，起到了很好的防紫外線的效果；其次，供電裝置采用單晶硅太陽能電池，發電效率高；儲電裝置使用環保節能的鋰電池；風扇采用便于收縮的軟葉風扇，照明燈采用通直流電的LED 燈，充分體現了節能環保的特征。