零能旋凉伞

皇明太阳能股份有限公司 ■ 公文 张君龙 王志燕 武青青 魏垚 林疏瑞 李珺

0 引言

太阳能作为一种最为清洁、丰富的能源，现阶段已成为新能源研发的突破点。零能旋凉伞利用光伏发电，太阳能自动跟踪系统：自动调节太阳电池组件方位角、高度角，能最大限度地吸收太阳能，提高光电转换效率；人体红外感应：风扇可方便实现档位调节和摇头变换，采用手动和人体红外感应两种控制方式相结合。

1 零能旋凉伞

1.1 凉伞首次采用张拉膜新材料

张拉膜具有寿命长、张紧力大、防雨性能好、造型美观等优点，所以，把张拉膜应用到凉伞领域，经实践验证效果非常好。

图1 三代零能旋凉伞效果图

1.2 实现三维跟踪太阳

零能旋凉伞的传动是要实现直径4.5 m、高4.2 m的伞体结构的整体转动。由于转动扭矩大、力臂长，项目组经过详细的计算，创新设计了“双轴承”结构、使用小功率电机结合大传动比的蜗轮蜗杆减速机并通过齿轮传动二次减速，设计出零能旋凉伞的传动系统，实现转动平稳、速度适合、转停自如的目标。另外，在光伏组件的下方设计有电动推杆，可推动组件转动满足组件的高度角跟踪。二者结合保证光伏组件具有方位角和高度角两个方向的转动。

图2 滚珠丝杠

零能旋凉伞的旋转是依靠“光敏逐日器”采集光源方向信号传递给转动电机实现的。为保护伞杆内的电线不受损伤，伞体转动只能限制在180°范围内往复转动。为了实现这一目标，采用双保险的做法：一是在控制上设计成根据光线的强弱判定伞体转动信号，到晚上伞体原路转回；二是为增加零能旋凉伞转动的可靠性，在转动结构上增加了转角限位装置，当伞体转到设定的位置自动回转，确保伞体转动路线的可靠性。

图3 齿轮和减速机

1.3 安全无隐患的系统设计

零能旋凉伞的安装位置较随意，底盘高仅有17 cm，内部走线，线路易浸水；线路从伞杆内部穿上去，随伞体每天来回转动，由于控制部件多，内部走线多达12路，空间小，易摩擦线体。为确保产品的使用安全性，我们把所有的控制线路、动力线路和系统部件都设计为DC 12 V和DC 24 V，彻底杜绝了系统的用电安全隐患。

1.4 便于运输的结构设计

产品总重量约1 t，伞面直径为4.5 m，底盘直径为2.7 m，总高度为4.2 m。如何使这样的“庞然大物”做到结构牢固又便于运输和快速安装，是产品能够走向市场的一个关键。为此，课题组通过力学分析和多种结构的设计对比，确定了伞骨、撑杆、底座等各个部件的活连接结构。底盘直径2.7 m，运输时超宽又超高，课题组把底盘拆分成两部分，“化整为零”，实现了产品包装、运输的可行性。

图4 零能旋凉伞连接件

1.5 伞布张紧装置的创新设计

对于直径4.5 m的凉伞来说，采用牛津布伞面难以平整，采用张拉膜则需要较大的张紧力。根据牛津布和张拉膜分别设计了不同结构的张紧装置，使伞面平整且具有一定的张紧力，更适用于恶劣气候且造型美观。

图5 伞杆连接结构图

1.6 凉伞专用的控制系统

这款产品需要控制12路共计19个电气部件。为此，项目组设计了零能旋凉伞专用控制柜。

图6 控制柜

1.7 跨专业的装修设计

产品底盘部分需采用户外木地板和不锈钢扶手进行装修，木地板包边需实现槽型钢板的弧形加工。项目组设计出了一套滚轮工装，借用车间的卷圆设备完成了这种特殊件的加工，最终实现车间的自主生产。

1.8 铝型材的压型创新

太阳电池组件(太阳花)直径1.8 m，体积大、重量大，运输和安装都非常困难。为减轻这部分的重量使安装更容易，我们尝试采用铝型材压型制作。通常情况下压型多采用碳钢型材。为验证铝型材的压弯可行性，我们做了多种工艺实验，最终通过调整压型模具结构、进料速度和压力，实现了这一工艺加工。

图7 铝型材电池组件边框

2 市场同类产品对比

2.1 推广前景

零能旋凉伞是一款全新的由光伏组件提供电力的装置，是人们纳凉、休闲、小聚、赏景的理想场所，是高品位生活的首选产品，可安放于别墅区、露台、草地、沙滩、公园等地，遮荫避雨，伞内用电自给自足，在提供高品位生活的同时，独特的造型可与大自然完美融合。

零能旋凉伞采用单晶硅太阳电池组件发电，转换效率高达19.6%；逐日跟踪系统使得太阳电池组件从方位角和高度角两个角度实时追踪太阳，最大程度地提升了系统发电量；智能控制系统可实现能量的自动控制，实现太阳电池组件对蓄电池的过充控制，蓄电池对负载的过放控制，负载的短路、过放控制，整个系统自动运转，无需人工操作；清洁能源，自给自足，零碳节能，置身其中，带来科技时尚的体验。

图8 零能旋凉伞效果图

根据零能旋凉伞的性能特点，在产品推广方面可考虑咖啡销售行业，如星巴克、上岛等具有一定影响力的咖啡连锁店，还可考虑沙滩、公园、露台、别墅庭院等休闲场所。其设计理念符合低碳、环保、节能的大趋势。

2.2 项目模板效益

展示效益：目前，零能旋凉伞制作了5台，太阳谷3台、蔚来城1台、上海交大1台。零能旋凉伞以其独特的造型、完美的自动跟踪光伏发电系统吸引着每位游客的眼球，发挥了展示效益。

经济效益：以年推广量200台计算，可实现经济利润约1000万元。

社会效益：以年推广量200台计算，每年可发电43 995 kWh；节约标煤17.8 t；减少CO2排放46 t；森林替代面积85 350 m2；石油替代量10.69 t，综合效益明显。

3 项目技术推广优势

1) 品质产品：提升居住品位。

2) 零能耗：太阳电池组件将太阳能转化为电能，蓄电池储能，可为风扇、冰箱、照明灯等设备供电，实现自给自足，低碳环保。

3) 人体红外感应：风扇可方便实现档位调节和摇头变换，采用手动和人体红外感应两种控制方式相结合，实现“人在风扇转，人离自动停”的智能效果。在炎炎夏日，为您带来缕缕清风，同时降低了系统耗电量，提高了能量利用率。

4) 太阳电池组件：采用高效晶硅电池片转换效率19.6%，衰减慢、寿命长；整体外观设计为太阳花，造型独特、新颖。

5) 智控系统：系统供电为DC 12 V，低压直流，太阳电池组件自动为蓄电池充电，晚上控制器自动接通电路，LED灯点亮。过充、过放、反接、短路等各种保护功能齐全，安全可靠。

6) USB电源：产品提供DC 5 V的USB电源，可方便地为手机、MP3等设备充电；同时配有USB音响，可为您提供音乐享受。

7) LED装饰灯：七色变换，漂亮美观。

8) 节能冰箱：专用直流无氟冰箱，低耗电、长寿命。

9) 张拉膜：采用大伞面张拉膜结构，弹性大、寿命长、遮阳防雨效果好；每个角设计有专用调紧装置，安装调整方便。

10) 木地板：菠萝格、塑木外用地板，材质稳定、纹理清晰、可塑性强、不龟裂、不膨胀、不变形、无需维护与维修、亮泽防腐、安全环保。

11) 天然大理石桌面：纹路美观、质地坚硬、耐磨防刮性能突出、抗菌效果好、户外防腐能力强、寿命长。

12) 仿藤椅：适合户外使用，防水防晒性能好，易清洗。

13) 伞杆、扶手等主体材料采用优质304不锈钢，具有优良的耐腐蚀性和抗晶间腐蚀能力，质地优良，光亮整洁。

14) 底盘：采用分体组合式，便于运输和安装。

图9 零能旋凉伞结构图

4 隐患点及对策

隐患点：目前零能旋凉伞的自动跟踪光敏传感器尚需经过上市产品的验证，如果光敏传感器出现故障，会直接影响伞体正常转动。

解决方案：新产品替代，或通过机械式定位系统实现零能旋凉伞转动角度。

5 零能旋凉伞的效果图

图10 五代零能旋凉伞成品图

图11 零能旋凉伞现场安装效果图