可拆卸式太阳能遮阳伞

武汉大学 ■ 顾昌 吕天健 尹家波 韩典成 孟泊良 游杰宇

一 引言

人在户外工作状态下，经常遭遇电子设备电量不足的情况，因用电设备电量不足引发事故的事件也时有发生。例如交通警察在路口执勤通讯工具电量不足、野外宿营时易出现通讯工具电量不足的情况；许多户外工作人员也常受手机、笔记本电脑、MP3等电子设备断电的困扰。目前人们解决此类问题的方案有三种。方案一，随身携带太阳能充电器。这类充电器一般使用传统太阳能板发电，发电效率低，而且该类充电器体积较大、不方便携带，对于外出人员来说，携带此类厚重的太阳能充电器将对外出活动造成干扰。方案二，携带大功率蓄电池。例如增加手机待机时间、增大笔记本电脑电池容量、增大用电器蓄电池功率等均属于此类方案，大功率电池虽然可在一定程度上缓解用电需求，但是不能满足外出使用的所有用电设备的需求，且电量不可持续供给，并未有效解决户外用电难题；方案三，在户外寻找供电接口解决用电需求。该方案在一定场合适用，例如在道路维修或道路执勤时可通过较长接线板连接供电接口实施供电，但是在野外工作情况下，此方法难以奏效。

以上三种方案均有弊端，为此我们考虑设计一种遮阳伞，不仅便于携带、还能解决实时供电难题。以往也有人将太阳能发电应用到伞中，但是该类设计采用传统的太阳能板，质量较大，大部分均在15kg以上；体积较大，下部握柄处直径大于10cm，设计无法满足人性化需求；不便携带且使用不便、发电效率低、功能比较单一(仅为临时为电器提供充电电源或者作为自动开闭系统的电源)，综合效益较低。同时，也存在占用空间较大，不便于移动的问题。

为了解决传统太阳伞设计的不足，我们将该伞设计成可拆卸可伸缩式，伞面和伞架可分离，可满足携带要求，同时采用目前世界上技术最先进、工业化生产最成熟的第二代光伏产品的铜铟镓硒(CIGS)太阳能薄膜，光电转换效率居各种薄膜太阳能电池之首，接近晶体硅太阳电池，且成本则是晶体硅电池的1/3。

具体设计为：伞面为圆锥型，底部半径为1.5m，高0.3m，母线长1.53m，伞面面积7m2，实际铺设太阳能薄膜电池的面积5 m2，伞柄外径范围设计约为5cm，在逆变器部分可有突出，输出功率在315～473W之间。

二 元器件定型与结构设计

铜铟镓硒(CIGS)薄膜，重量轻、柔软，具有较高的光电转化效率，目前非晶硅薄膜生产工艺成熟，在伞面采用CIGS薄膜吸收太阳能。将伞面和伞柄设计为可组合式结构，以便携带；伞柄采用内外筒嵌套式构造，可伸缩，以便满足不同高度的使用状态。太阳能控制器、蓄电池、逆变器均使用微型结构，可设计在伞柄中，伞柄下端设计USB和接线孔，可对用电器实施充电。

1 嵌压式双层伞面

伞面设计为双层结构，外层为透明聚酯薄膜，具有良好的透光率，且对里层结构有保护作用；里层为CIGS薄膜。与其他类型薄膜相比，非晶硅薄膜还具有成本低、对环境污染小等特点。为了方便携带，两层伞面均采用小片拼接结构，使用时，将其小片薄膜拼接成面状结构；携带时，可将其拆卸。

在普通的遮阳伞面形状的基础上进行改进，首先是在伞面铺设太阳电池薄膜，边缘部分留出空白进行嵌压式接合，固结效果好，中间同伞的主体骨架接合固定。太阳薄膜电池的整体形状实则为圆环形，铺设在起支撑作用的伞面之上。具体参数设计为：伞面为圆锥型，底部半径为1.5m，高0.3m，母线长1.53m，伞面面积7m2，实际铺设太阳薄膜电池的面积5m2。考虑到不同的工作需要，该参数均可按照实际需要进行更改。

太阳电池薄膜有两个电池正负极接头，分别位于圆环的里侧和外侧，里侧的接头连接导线，通过接头实现薄膜电池的并联，导线通过伞柄的主题骨架上的小孔放置在伞柄的内部；外侧的接头通过某一根伞面的支撑骨架的内部的空隙连接入中央伞柄的内部，两根接头在中央圆柱形伞柄内与太阳能控制器以及输出电路相连。

2 伞柄伞面组合构造

为了便于携带，将伞柄与伞面设计为可拆卸式组合结构。上部伞柄上端设计为螺纹杆结构，伞面中心安装有螺纹环套结构。为了保障该伞在工作状态下的稳定性，附着在伞柄上的骨架末端也设计为螺纹杆结构，在伞面相应设计有螺纹套环状支附结构。需要将伞面和伞柄组装时，将伞柄和骨架的螺纹杆插入螺纹环套。携带时，可将其拆卸。

3 内外筒嵌套式构造

该遮阳伞适用于户外场合，为满足不同的使用要求，将伞柄设计为内外筒嵌套式结构。由上部伞柄和下部伞柄构成，上部伞柄内径比下部伞柄内径稍大，且设有接线头与伞面接口相连；在下部伞柄上端设计螺栓，当需要收起伞时，可通过螺栓将上部伞柄收缩于下部伞柄中，便于携带。

4 铜铟镓硒(CIGS)太阳能薄膜

我们结合最新技术，采用了一种更为先进的铜铟镓硒(CIGS)太阳能薄膜。

本设计采用的是Lonsem21型CIGS薄膜，它属于柔性衬底CIGS太阳能薄膜，其最突出的特点是质量比功率高，一般大于600W/kg[1]，这一优点使它十分适用于对于质量和体积要求较高的太阳能伞的制备中。本设计所采用的薄膜，其工作电压为18V，系统电压为12V，开路电压为21V，又加之各块薄膜之间采用并联模式，因此总电压未超过21V，满足电路其他元件的要求。

5 太阳能控制器

太阳能控制器是太阳能光伏系统中的核心部分, 主要完成对蓄电池进行电和放电的控制, 以及在过充、过放电、过载等情况发生时对系统进行有效保护[2]。

综合考虑该太阳能伞伞柄较小，宜选用微型太阳能控制器CQ-0601微型太阳能电源控制器(图1)，是针对小型太阳能发电设备开发出的专用控制器，具有完善的保护功能，能适应户外的恶劣工作环境，有效延长蓄电池的使用寿命和保护负载，很适用于户外遮阳伞。其额定电压为6V，额定负载电流1A，与锂电池的性能指标相配，设计时可让控制器与锂电池并联之后再串联的方法满足其他元件的要求。

图1

6 蓄电池

由于本遮阳伞伞柄空间有限，故蓄电池采用锂电池，其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，需要时再释放出来，锂电池适用于微型太阳能发电系统。

基于各方面的考虑，我们选用三星14500锂电池，额定电压为3.7V，充电电流为0.5A，可用两个锂电池串联后再与控制器并联(图2)，由于两个元件都可定制，所以可忽略电压上的微小差别。

图2

7 微型逆变器

光伏逆变器是太阳能光伏发电系统的主要部件和重要组成部分，为了保证太阳能光伏发电系统的正常运行，对光伏逆变器的正确配置选型显得成为重要。需考虑额定输出功率、输出电压的调整性能及整机效率三项技术指标来确定逆变器。

Micro Inverter 22-60V光伏微型并网逆变器产品为宽电压型(图3)，可接受22～60V的直流电，适用于本产品的电路，可输出直流电和交流电，因此可把低压直流电转高压交流电，从而提高发电的适用性，最大效率高达95%。比传统逆变器能量收集高25%，大大缩短“系统成本回收”时间。

图3

8 USB接口及接线孔

在下部伞柄下端设计USB接口和普通接线孔。在野外手机、笔记本电脑等电量不足时，可通过USB接口进行及时充电，普通接线孔还可在必要时为小型用电器提供电能，如小型风扇、小型灯管等，具有便利性。

9 电路原理图

遮阳伞电路原理图如图4所示。

图4

10 具体实施方式

太阳能光伏遮阳伞整体构造图如图5所示，透明聚酯薄膜安装于外层，CIGS薄膜设计于内层，伞柄由上部伞柄和下部伞柄构成，其中上部伞柄的外径较大，下部伞柄安装有USB接口和普通接线孔，伞骨架起支撑作用。图6给出了伞面内层CIGS薄膜构造图， CIGS薄膜由小片薄膜拼接为面状结构，拼接处为薄膜拼接缝，与伞骨绑定，所有薄膜并联连接，外缘接口设计在伞面外缘，中心接口设计在伞面中心。

图5 太阳能光伏遮阳伞整体构造图

图6 伞面内层铜铟镓硒(CIGS)薄膜构造图

伞柄内部剖面图如图7所示，在伞柄中依次安装微型太阳能控制器、锂电池、 微型逆变器以及USB接口和普通接线孔，电子元件用导线连接。在下部伞柄上端设计螺栓，当需要收起伞时，可通过螺栓将下部伞柄收缩于上部伞柄中。图8为伞面、伞柄连接处结构图，上部伞柄上端设计为螺纹杆，伞面中心安装有螺纹环套，螺纹杆可插入螺纹环套中，使伞面、伞柄组装。

图7 伞柄内部剖面图

伞骨架收束环结构图如图9所示，上部伞柄上安装有骨架收束环，伞骨架一端均系缚在骨架收束环上，伞骨架另一端也设计为螺纹杆结构，在伞面相应设计有螺纹套环状支附结构。伞骨架收束环下端设计有螺旋环，当把伞骨架收束环调节到相应位置后，可通过钮紧螺旋环，使其固定。

图8 伞面、伞柄连接处结构图

图9 伞骨架收束环结构图

如图10所示，微型太阳能控制器用于控制整个系统的工作状态，并对锂电池起到了过充电保护、过放电保护的作用；锂电池用于储存太阳能；微型逆变器用于将低压直流电转化为高压交流电以供用户使用。在下部伞柄下端设计USB接口和普通接线孔，USB接口直接接在锂电池两端，而普通接线孔接在逆变器之后，用于对用电设备供电。

图10 电路原理图

三 创新特色

本光伏遮阳伞具有的特点为：

(1)将太阳能发电应用于日常生活中的伞，有较高的实用性和推广价值。

(2)选用铜铟镓硒(CIGS)太阳能薄膜，提高了发电效率并且减少了成本，有效解决了以往成本高、发电效率低的问题。

(3)可拆卸式设计，伞面和伞柄可通过接口连接电路，实现面柄可分离可拆卸，同时将伞柄设计为内外筒嵌套式构造，使伞柄可伸缩，可在不同的高度使用，便于携带。

(4)将USB接口和接线孔应用到伞中，既实现了手机、笔记本电脑应急充电，又实现了为小型用电器即时供电的功能。

四 可行性分析

1 技术可行性

目前太阳能应用于生产生活的各个领域，技术相对成熟。在伞面设计中采用CIGS薄膜，光电转化效率高，满足发电要求。伞柄伞面可拆卸构造既解决了携带问题，也实现了不同高度的应用。采用锂电池，不仅具有蓄能效果，而且适用于太阳电池。太阳能控制器和逆变器均可在市场上找到成品，不存在技术难题。

CIGS薄膜伞面采用小片拼接方式，可方便携带。目前，市场上的微型太阳能控制器可达到外径不超过5cm的规格；锂电池的形状多样，本文采用的微型锂电池尺寸为4 mm×11 mm×20mm；对于微型逆变器，Micro Inverter 22-60V尺寸为215 mm×75 mm×48mm。综上所述，伞柄外径范围设计约为5cm，在逆变器部分可有突出，即可保证电学元件正常工作。

考虑到CIGS薄膜的能量转化效率为10%～20%， CIGS薄膜可输出100～150W/m2，5 m2非晶硅薄膜可输出500～750W，逆变器的转换效率约为90%，蓄电池的转换效率约为70%。则本产品太阳能输出功率为：(500～750)×90%×70%=315～473W。

2 经济可行性

太阳能遮阳伞具有多种用途不仅可为电子产品充电还能冰箱、灯泡等电器提供电源，充分运用了太阳能，同时也解决了因生活中电器电量不足时带来的不便。

本设计功率为400W，按此计算，平均每天阳光照射时间为8h，一天可发电3.2kWh，按平均每年有光天数250d来计算，每年可发电800 kWh，完全满足一般客户的需求，同时可满足照明需求。

本设计成本较为低廉，可满足市场推广需求。经测算，该设计的主要成本源于：CIGS薄膜、微型太阳能控制器、锂电池和微型逆变器。目前CIGS薄膜的国内报价为7.5元/W，根据本设计400W功率计算，CIGS薄膜成本约为3000元；选用的CQ-0601微型太阳能电源控制器，成本约1200元；选用的三星14500的锂电池，成本约150元；遮阳伞的设计选用的Micro Inverter 22-60V光伏微型并网逆变器，成本约为1000元。该伞的其他组件均为普通材质，无特殊需要，成本较低。

经测算，该遮阳伞的成本约5300～5500元。考虑到它能带来的便携性和环保性，该成本适合做产品推广。

五 应用前景

我们设计的基于铜铟镓硒(CIGS)的便携太阳能光伏遮阳伞不仅能为人们生活提供便利，便于携带，还能达到节能减排的目的，在节能环保的时代具有较高的推广价值。该设计既可应用于人们外出宿营，又可安置在道路上供行人临时充电，特别适用于野外作业时使用。特别是该伞利用太阳能为用电设备进行及时充电，节能环保，符合时代理念，推广价值高。

[1]杜园. CIGS薄膜太阳电池研究进展[J]. 电源技术, 2012, 5(36):748－753.

[2]卢一民, 黄国华. 太阳能光伏应用系统全日综合效率的判定 5 kW 光伏水泵系统的研究[J]. 太阳能学报, 1994, 15(4): 368－376.