太阳能服装的开发与功能测试

周澳 刘成霞 董艺 郭怡 李昊

摘要： 针对太阳能在服装上的应用有待深入且利用率较低的问题，文章利用人台为载体，在非稳态环境中对太阳能电池板安装位置进行探索，进而将研究结果与服装面料和结构及电子器件进行综合优化设计，制作出一款太阳能蓄电发热服，最后对其发热能力进行测试研究。研究结果表明：太阳能电池板位于前胸处时输出功率最高;用红外热像仪测得该服装最高发热温度42.62℃，平均温度35.99℃;180min后在距离加热片10cm处，服装的表面温度尚有26℃;测得该服装的实际发热时长为2.74h，可为手机充电2次以上。研究结果显示该服装的蓄电发热性能良好，太阳能可以在服装上得到有效利用。

关键词： 服装;多晶硅太阳能电池板;非稳态环境;安装位置;太阳能蓄电发热

中图分类号： TS941.731

文獻标志码： B

文章编号： 1001-7003（2019）02-0063-08

引用页码： 021202

Abstract： Considering that the application of solar energy in clothing needs to be deepened and the utilization rate is low， this study explored the installation location of solar panels in unsteady environment with mannequin as carrier， then optimized the research results with clothing fabrics， structures and electronic devices to produce a solar storage heating clothing， and researched the heating capacity of the solar storage heating clothing. Results showed that the output power of the solar panels was highest if the solar panels were located in the front chest; the highest temperature and average temperature of the clothing tested with infrared thermal imager were 42.62℃  and 35.99℃ respectively; the surface temperature of clothing was 26℃  in a place 10cm away from the heater after 180min; the heating time of the clothing could last 2.74h， and could charge a mobile phone for over 2 times. It was proved that the heating performance of the clothing was fairly good and solar energy can be effectively used in clothing.

Key words： clothing; polycrystalline silicon solar panel; unsteady environment; installation location; solar energy storage and heating

地球能源稀缺越来越受到人们的关注，节约能源已成为共识。太阳能具有清洁、环保的优点，是国际公认的理想新能源[1]。如何利用太阳能为人类服务成为科研工作者的一个热点研究领域，目前国内外对太阳能在服装上的运用和研究主要集中在太阳能发热和太阳能蓄电发电两个方面，如拉皮迪斯等[2]设计了一款太阳能连帽衣，荷兰服装设计师Pauline van Dongen[3]设计了一款未来风格的太阳能充电服装，德州学院和中原工学院[4-5]各研发了一款太阳能服装，这些服装主要利用太阳能来蓄电发电[6]。此外，郭富饶等[7]设计开发了一款太阳能测压服，沈雷等[8]设计开发了一款专门面向老年人的太阳能发热服装。

综上，虽然众多设计师和科研工作者设计开发了不同的太阳能服装[9-10]，但大多只是文字性描述其设计过程，缺少对太阳能服装功效进行较深入的实验研究[11]，其发热性能如何也尚未可知。针对这一现状，本文首先利用人台和多晶硅太阳能电池板在非稳态环境中对太阳能电池板的安装位置进行模拟研究，然后将研究结果运用到服装设计中，制作出一款利用太阳能电池蓄电发热的太阳能服装，最后利用红外热像仪和电子温度计对服装表面发热温度进行测试研究。

1 太阳能电池板安装位置实验

为更好地提高太阳能电池板在服装上的利用率，本文对太阳能电池板的安装位置进行探究，用人台对太阳能电池板在服装上的安装位置进行模拟，从而确定太阳能电池板的最佳安装位置。太阳能电池板的实际功率可通过测电流、电压来计算得出，将太阳能电池板安装在人台不同位置，并测试其在非稳态环境下的电流、电压来得到太阳能电池板的实际功率。对比市面常见的三种太阳能电池板，本文选择160/84A女装人台，多晶硅太阳能电池板（工作电流160mA，工作电压5V，尺寸82mm×82mm）进行模拟实验，其兼具转换效率较高、与服装配伍性较好且成本低廉的特点。实验地点选择在采光好、地势高的空旷天台上进行，测试时间选择在春季的白天8：30～17：30，实验跨度为一个月。

1.1 仪 器

PM8233C万用表（北京美特迩环保仪器有限公司）;JTBQ-2太阳总辐射表（锦州天诺环能仪器有限公司）。

1.2 位 置

由于太阳能电池板应安装在活动量较少又能够较好地接受阳光的部位，如背部、前胸等，因此在人台上选择8个具有代表性的位置安装太阳能电池板（图1），分别将这8个点记作a1（左肩线与胸围线二分之一处于左公主线交叉点）、a2（右肩线与胸围线二分之一处于右公主线交叉点）、b（腰围线与前中心线交叉点）、c1（腰围线与臀围线二分之一处于左公主线交叉点）、c2（腰围线与臀围线二分之一处于右公主线交叉点）、d（后颈点下方于后中心线交叉点）、e（胸围线与后中心线交叉点）、f（腰围线与后中心线交叉点）。

1.3 测试方法

1）将人台朝正南方向放置在实验地点并固定，在每次实验过程中保持方位不变。并将JTBQ-2太阳总辐射表放置在无遮挡物的高处。

2）把太阳能电池板安装在所选取的8个实验点上，在实验时间内，每隔一个小时用PM8233C万用表对电流、电压进行测试，具体为直接接触太阳能电池板两极测试一组太阳能电池在人台不同的8个位置点的电压、电流并记录数据，每组测试读数3次取中间值，测试时测试人员不要遮挡阳光。

3）在测试时间内，每隔一个小时由测试人员进行一组测试并记录数据，每次测试读数3次取中间值。测试人员需同时记录当前的太阳能辐射量。

4）将所得的电压与电流相乘，即可得到功率。

2 输出功率分析

测得一个月内8个实验点的电流电压，根据气象条件和测得的太阳能总辐射量将数据分为晴天（太阳能辐射强度700～1000W/m2）、多云（太阳能辐射强度100～400W/m2）、阵雨（太阳能辐射强度50～300W/m2）、阴天（太阳能辐射强度400～600W/m2）4种天气。因一个月内4种天气情况分布不匀，所以每种天气状况随机抽取3天的实验数据取平均值进行绘图，图2分别显示了4种不同天气状况下8个点的输出功率。

从图2（a）可以看出，晴天时a1和a2处太阳能电池板功率明显高于其他位置，d次之，随后是c2、c1，b、f位置的功率相近，e最弱。8个位置的功率从9：30开始有所下降，到11：30后开始回升，至14：30又开始下降，总体变化趋势相近，可能是由于实验时间跨度较大且杭州春季雨水较多，所取值的4个晴天相互之间跨度较大，但a1和a2处太阳能电池板功率受这种影响较小。图2（b）显示，多云时8个位置的功率高低顺序与晴天一致，受云层变化影响，8个位置功率曲线呈波浪形波动，且波动趋势基本一致，9：30整体功率最高。图2（c）显示，阵雨时8个位置的功率曲线波动趋势与晴天和多云时有了明显不同，10：30～15：30时c1和d的功率出现了大幅度的变化且在14：30功率高于a2位置，可能是受阵雨影响，但总体趋势还是a1的功率高于其他位置。图2（d）表明，阴天时8个位置的功率曲线排序与晴天和多云一致，8个位置的功率在9：30达到高峰然后开始下降，至12：30后整体变化趋于平稳，可能是由于阴天光照强度不够，中午过后基本没有光照。

4种天气情况下晴天太阳能电池板功率最好，其次是阴天，多云和阵雨相差不大，主要原因是太阳能电池板功率受太阳辐射强度影响最大，其次是温度、环境湿度等。从上述实验结果可以看出，该实验方法对天气情况变化反应灵敏且能较准确反映不同天气情况的太阳能电池板功率变化。

但上述结果仅能反映8个位置的功率变化趋势及天气对其影响，为进一步分析8个位置的功率差异，确定后续研究中太阳能电池板在服装上的安装位置，用SPSS17.0软件分别对4种天气情况下不同安装位置对功率的影响做显著性检验（P<0.05），如图3所示，a1和a2处的功率与其他位置功率具有显著性差异且高于其他位置。

综上，在4种不同的天气状况下，a1和a2处的输出功率都较大且具有显著性，可能由于这两点位置较高且处于人體凸面，在人体上没有遮挡，因此在后续的服装制作中，选择在a1、a2处安装太阳能电池。

3 服装设计与制作

3.1 电路设计

为更好地提高太阳能电池板的利用率，按图4所示对电路进行优化设计减少损耗。电路设计图由4大模块组成，分别是稳压电路、锂电池充电管理电路、升压电路、电池过放电保护电路。其主要特征是：所述充电接口（P1）正极与肖特基二极管（D3）连接，多晶硅太阳能电池板（J2）正极与肖特基二极管（D3）连接;稳压芯片（U1）GND端与地相连接，稳压芯片（U1）BOOT端与电容器（C1）一端连接，稳压芯片（U1）PH端与电容器（C1）、二极管（D2）、电感（L1）连接，稳压芯片（U1）VSENSE与电阻（R4）、电阻（R7）连接，其中电阻（R7）一端与电阻（R4）连接另一端接地。

锂电池充电管理芯片（U2）VCC端与COMP端连接在一起，开关（S1）一端与电阻（R1）连接并且电阻（R1）与电阻（R2）、锂电池充电管理芯片（U2）SNS端、三极管（Q1）连接在一起，锂电池充电管理芯片（U2）TS端与电阻（R3）、电阻（R8）连接在一起，锂电池充电管理芯片（U2）VSS端与地连接，锂电池充电管理芯片（U2）端与电阻（R5）连接并与三极管（Q1）连接，锂电池充电管理芯片（U2）STAT端与发光二极管（DS1）连接并通过电阻（R6）接地，锂电池充电管理芯片（U2）BAT端与电容器（C2）连接并与锂电池（BT1）正极连接，运算放大器（U4A）4管脚与三极管（Q3）、开关（S2）、多功能USB插口并与地连接在一起，运算放大器（U4A）1管脚与滑动变阻器（R12）、三极管（Q3）连接。

3.2 面料的选择

服装在户外应用较多，需要充分考虑户外服装的防雨防风和保暖保护需求，太阳能服装内含导线和电子元件连接，遇水易发生漏电、短路、电路受损老化等情况，因此在面料选择方面，防水性是极其重要的衡量指标。

本文选取了3款100%涤纶机织面料进行比较，其基本规格参数如表1所示。由表1可知，面料1的防水性最差，因此首先排除面料1;面料2的透气性和透湿性都优于面料3，且厚度居中，因此选择面料2制作太阳能服装。

3.3 服装设计

根据上文的实验结果设计出一款太阳能蓄电发热服装，由带帽子和袖子的外层和无袖的马甲两部分组成。外层和马甲通过银色铜质四合扣衔接在一起。图5是此款服装的正面结构，其中A为镂空口袋，用于安放太阳能电池板;B为口袋中间的细带，用于防止太阳能电池板在活动过程中脱落;C为用于连接内部马甲的银色铜治四合扣。

镂空口袋后有一条分割线，用于太阳能电池板的拆卸和导线的通过。口袋上端略高过分割线0.8cm，用于遮盖开口，避免服装穿着过程中豁开。镂空口袋的反面设计了一个尺寸略大于太阳能电池板的小口袋，在外出活动中遇到下雨或其他突发状况，可将太阳能电池通过上述分割线从外套表面移动到外套反面，放置在小口袋内。

内部无袖马甲设计为双层，将电路组件等安装在两层之间，便于服装拆洗。图6是马甲的正面结构，其中1为太阳能电池板，从外套镂空口袋分割线处掏出;2为与图5中C位置对应的铜质银色四合扣;3所指的方框内为碳纤维发热片（18mm×10mm），位于马甲的夹层之中，左右对称，可在需要时提供热量;4为集成了图4电路中的电子元件连接处;5为锂电池。从1处收集的电能通过4处的稳压电路将电压稳定，然后到达5处锂电池进行储存，需要的时候可经由5放电到达4处升压，然后利用电池过放电保护电路供电给发热片或USB外接设配;电能还可以通过4处的充电接口进入5，其余工作原理与上述类同，以此来完成太阳能服装的蓄电发热功能。

马甲前片与外套位置对应的分割线处，安装有内径3mm的银色铜质气眼，左右衣片各两个，用于导线的穿过，连接太阳能电池板与马甲内的电路组件。底摆处缝制了一段尼龙搭扣，日常穿着时搭扣粘合，需要修理电路或拆下电路组件将马甲进行清洗时，可通过开启这段尼龙搭扣进行操作。整套太阳能系统的质量约为（625±10）g，整件太阳能服装的质量约为1.5kg，一件冬季上装的质量约为1～2kg，服装没有过重，比较符合穿着习惯。

4 服装的充电时间及发热性能测试

4.1 服装上蓄电池充电时间

在室内温度19～26℃、湿度30%～50%、室外温度23～37℃、湿度25%～41%、太阳辐射强度271～998W/m2时，分别用EP-TA20CBC充电器和太阳能电池板为蓄电池（电压3.7V，容量10000mah）充电，每种方式进行3组实验，蓄电池从无电状态到完全充满所需时间如图7所示。

从图7可以看出，太阳能电池板充电时长约为充电器充电时长2倍，计算得太阳能电池板为蓄电池充电时长平均值为13.14h，充电器充电时长平均值为6.97h。受太阳能电池板自身性能影响，完全充满所需时间较长。

4.2 太阳能服装的加热性能

4.2.1 实验条件和仪器

在温度19～26℃、湿度30%～65%条件下，采用DM60M红外热像仪（大立科技股份有限公司）、DM6801A电子温度计（台湾泰仕电子工业股份有限公司），对太阳能服装的加热性能进行测试研究。

4.2.2 发热片的发热温度

发热片安置在服装后背中部、前片两侧位置，利用蓄电池进行服装发热实验，并用DM60M红外热像仪测得服装发热2h时的温度。图8（a）（b）为服装前片温度变化范围，可以看出前片左右两边发热温度范围不一致，可能是右边同时放置有电子元件且电子元件在工作过程中也会产生热量引起。整体温度变化较均匀且覆盖较全面，通过对测得的温度进行统计计算可得，服装前片的最高温度为42.62℃，平均温度为37.02℃。图8（c）（d）为服装后片温度变化范围，可以看出后片温度变化呈中心最高向外擴散，与实际发热片安装位置相吻合，且温度变化较均匀，覆盖较全面，最高温度为39.42℃，平均温度为34.96℃。综合图例和温度的统计计算可知服装整体发热性能良好，但红外热像仪难以对发热范围做出较具体的分析，因此还需用电子温度计对服装上不同点进行定点分析。

用电子温度计分别测量距离前后发热片不同位置时服装的表面温度，测温点离开发热片的距离分别取0、5、10cm，服装初始温度皆为24℃，测试结果如图9所示。根据测试过程及图9可知，发热片发热速度较快，打开开关10min后就能明显感觉到热度，持续发热30min后温度有小幅度上升后趋于平稳，距离发热片越远温度越早趋于平稳，是因为距离越远受发热片温度变化影响越小。电子温度计所测得的最高温度为42.3℃与DM60M红外热像仪测得基本一致。180min后在距离发热片10cm的位置，服装的表面温度尚有26℃，持续时间较长，发热效果良好。

4.3 蓄电池可供发热时长和手机充电次数

电路中蓄电池的电压3.7V，容量10000mah，利用率约75%，理论来说蓄电池可供功率为10W的电子设备使用3.75h，供功率为5W的电子设备使用7h左右。实际测得平均发热时长为2.74h，与电子温度计测得的服装表面温度变化趋势相近。经过实际充电实验，可以将手机（三星G9300，容量3000mah，使用时长1年）电量从0充至100%2～3次。虽然进行了电路优化，但在实际工作过程中电路仍损耗一部分能量，导致理论使用时间与实际有偏差。

5 结 论

通过实验测得在人体胸点上方安装太阳能电池板时，工作效率最高，将此研究结果应用于太阳能服装的设计与制作，并对设计的太阳能服装进行充电时间及发热性能测试，得到以下结论：

1）本文实验方法对天气情况变化反应灵敏且能较准确反应不同天气情况的太阳能电池板功率变化，不论何种天气，a1和a2处的输出功率都较大且具有显著性。

2）服装前后表面的最高温度为42.62℃，平均温度为35.99℃，发热性能良好，且温度范围分布较均匀。服装前后表面发热片持续发热30min后温度仍有小幅度上升，后趋于平稳，距离发热片越远温度越早趋于平稳。180min后在距离加热片10cm的位置，服装的表面温度尚有26℃，持续时间较长，发热效果良好。

3）使用太阳能电池为该款服装的蓄电池充电时长平均值为13.14h，长于充电器的充电时长（平均值为6.97h）。电路中的蓄电池实际可供碳纤维发热片发热平均时长为2.74h，可为手机（三星G9300，使用时长1年）至少充2次电。

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