基于光热发电的多功能充电伞功能设计

霍钰佳 汪风传 张瑶

摘  要：在电子产品迅速发展、自然资源供不应求的时代，节约不可再生资源并充分利用自然能源已引起人们的高度重视。应时代背景要求，该文主要设计了一款多功能太阳能充电伞，综合考虑光能发电和温差发电两种发电方式，提高了能量利用率。并采用砷化镓薄膜作为伞布的一部分，光电转化效率达30.5%，通过对伞架与伞柄的结构改造，使得产品可在多方面满足人们夏日出行的需求。

关键词：光能发电;温差发电;薄膜太阳能电池;多功能

中图分类号：TS959.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）21-0160-04

Function Design of Multifunctional Charging Umbrella

Based on Photothermal Power Generation

HUO Yujia1，WANG Fengchuan2，ZHANG Yao2

（1.College of Electrical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan  063210，China;

2.School of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan  063210，China）

Abstract：In an era when electronic products are developing rapidly and natural resources are in short supply，saving non-renewable resources and making full use of natural energy have attracted peoples attention. In response to the requirements of the times，this article mainly designed a multifunctional solar charging umbrella，which comprehensively considered the two power generation methods of solar power generation and thermoelectric power generation to improve energy utilization. The gallium arsenide film is used as a part of the umbrella cloth，and the photoelectric conversion efficiency reaches 30.5%. Through the structural transformation of the umbrella frame and handle，the product can meet the needs of peoples summer travel in many aspects.

Keywords：solar power generation;thermoelectric power generation;thin film solar cell;multi-function

0  引  言

隨着现代信息技术与能源行业的不断发展，清洁能源的广泛使用成为了当下各大产业的发展趋势。其中清洁能源与电子信息技术的多样结合使人们生活更加丰富多彩。华北理工大学机电设计实验室的学生团队通过构思设计，将电子技术与清洁能源利用结合，设计一款具有多功能作用的太阳能充电伞。夏日出行，人们都会携带一把遮阳伞，在防止紫外线晒伤的同时却未能解决到降温的问题。因此将光辐射能与热能的转换为电能，利用砷化镓光电转化薄膜与温差发电片结合供电，一方面可用于手机充电等较小电子产品的充电;另一方面可用于为人体降温的电子设备充电。在以往的太阳能手机充电器[1]的基础上进行了产品样式与技术的革新。另外在对光能的利用效率和对伞重量设计等方面进行了优化。本文设计并实现了一种新型的，具备遮阳、蓄电充电、送风降温、夜晚照明等多个实用性功能的多功能太阳能充电伞，不仅实现了对清洁能源的高效利用，还满足人们生活需求。

1  产品设计思路与结构

1.1  设计原理

太阳能发电部分：利用了光生伏特效应[2]，当光线照射砷化镓光电转化薄膜上时，一部分光子被薄膜吸收;光子的能量传递，使电子发生了跃迁，成为自由电子，在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。而电流传送至蓄电池以供手机使用的过程，即是对手机充电器[3]充电功能和原理的简化使用。电流转换原理如图1所示。

温差发电部分：基于塞贝克效应[4]，对于不同的金属导体（或半导体）具有不同的自由电子密度（或载流子密度），当两种不同的金属导体相互接触时，在接触面上的电子就会由高浓度向低浓度扩散。而电子的扩散速率与接触区的温度成正比，所以只要维持两金属间的温差，就能使电子持续扩散，在两块金属的另两个端点形成稳定的电压。

1.2  设计思路

此外，目前太阳能设备大多使用太阳能电池板，相较而言我们使用砷化镓光电转化薄膜具有很大优势。晶体硅光伏电池组件与砷化镓光电转换薄膜的比较如表1所示。

因此，我们在改善原有的太阳能充电产品的基础上利用砷化镓光电转化薄膜设计了一款集聚多方面功能的产品——太阳能充电伞，使人们的生活更加便利。整体思路是将砷化镓光电转化薄膜与遮阳伞结合，伞布外层结合砷化镓光电转化薄膜，利用光电子跃迁与PN结发电[5]的原理产生光电流内部与温差发电片结合，不稳定的光电流与热导电流流经伞柄顶端的稳压器装置，变为稳定电流，经伞柄内部线路流入伞把处蓄电池储存电能，蓄电池通过配备的USB接口可将电能输出供给电子产品充电此外，伞柄处打几个渐缩喷管的小孔，可将伞把底端空气抽入，在达到送风效果的同时可以为发热的蓄电池降温，延长寿命。

1.3  伞的结构

一种多功能的太阳能充电伞，如图2至图5所示，其中：稳压器1、稳压器盖2、伞帽3、砷化镓光电转化薄膜4、伞布5、可折叠型伞骨6、温差发电片7、伞柄运动套8、伞柄外层9、伞柄内层10、直充器11、蓄电池12、伞把13、风扇电机14、风扇15。

图3中，稳压器1是光能转化装置的重要组成部分，能够保证输入电压的稳定，其被放置于伞帽3之上，通过螺栓螺母的连接与伞帽3固连在一起，随后为了防止稳压器1遭到破坏，将稳压器盖2亦通过螺栓螺母的连接与伞帽3固连在一起，起到保护稳压器的作用。将砷化镓光电转化薄膜4粘连在伞布5的表面之上，在此太阳能充电伞之中，砷化镓光电转化薄膜4连同伞布5，其二者左右两侧的边缘与可折叠型伞骨6缝合在一起，其上端左右两顶点与伞帽3外端的支撑抓部分进行连接。在伞布5的下表面，将12片相同大小的温差发电片7放置在伞骨折叠处，凭借外界温度与伞布5之间的温差发电。由砷化镓光电转化薄膜4和温差发电片7产生的电能依次通过可折叠型伞骨6和伞帽3中布置的导线传输到稳压器1中，随后稳压器1再将稳定的电流向下输送。伞骨部分是由6个互呈60°夹角的可折叠型伞骨6组成，用于支撑砷化镓光电转化薄膜4、伞布5以及温差发电片7等能源转化装置，这些可折叠型伞骨6的始端互呈60°夹角连接到伞柄运动套8的上端凹槽中，由伞柄运动套8的上下移动可以实现太阳能充电伞的折叠功能。

图4中，伞柄部分由伞柄外层9、伞柄内层10组成，二者呈抽拉式双层结构，伞柄内层10之中缠绕导线，用来传输由稳压器稳定电压之后的电能，伞柄外层9中部区域开有几个呈渐缩喷管结构的小孔，可以将来自伞把底部的流动空气高速喷出，实现人体降温的目的，同时也可为发热的蓄电池降温，延长使用寿命（伞柄下端为电池保护盖，USB口要对着）。

图5中，伞把部分以伞把13为主体，其包括上端用于盛放直充器11、蓄电池12的支撑部分，也包括下端呈镂空设计，用于安放风扇电机14、风扇15的手持伞把部分。在支撑部分中，将直充器11放置于中间处的圆形凹坑中，随后将6个蓄电池12放置于直充器11周围6个互呈60°角的圆形凹坑中，且6个蓄电池12之间以并联的形式连接。除此之外，在上端支撑部位的外墙中部开设有两个USB接口，可以实现对用电器等装置的充电[3]。在下端手持伞把部分中，首先将风扇电机14自上而下放入到其中，并通过螺钉与伞把13进行连接，随后将风扇15自下而上放入手持伞把部分中，将其底端与风扇电机14输出端进行连接，由风扇电机14带动风扇15旋转以此使空氣得以自下而上流通，使得风沿伞把及伞柄外层向上传至伞柄顶端的小孔处，提供了较大的风力，一定程度上可降低人体表温度。同时也可为发热的蓄电池降温，延长使用寿命。

除此之外，伞柄内层10下端的电池保护盖放置于伞把13上端支撑部分的外部，二者之间用螺栓螺母进行连接，并且要使伞柄内层10下端的电池保护盖部分的USB输出口正对着伞把13上端支撑部分的USB接口。

1.4  设计计算

砷化镓光电转换薄膜[6]的光电转换效率，作为表征光电转换薄膜性能优劣的关键指标，它的意义是在光照条件下，砷化镓光电转换薄膜最大功率与入射到该转换薄膜上的全部辐射功率的百分比，一般采用替代法测量砷化镓光电转换薄膜的光电性能参数，以此获得效率数据。实验方法是通过标定太阳模拟器的辐照度至标准辐照度，即调节太阳模拟器的辐照度至标准砷化镓光电转换薄膜短路电流输出达到其标定值，然后太阳模拟器状态不变，测量被测新型砷化镓光电转换薄膜的I-V特性曲线，得到开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pm等参数;并根据被测砷化镓光电转换薄膜的尺寸及有效受光面积S，计算短路电流密度Jsc、填充因子FF和光电转换效率η，如式（1）、式（2）和式（3）：

Jsc=Isc/S                                     （1）

FF=Pm/（Voc×Isc）                        （2）

η=Pm/（S×Pin）                           （3）

其中，Pin为单位面积入射光功率（W/m2），S为砷化镓光电转换薄膜有效面积，转换效率应按包括栅线面积在内的电池受光总面积来计算。

在具备标准测试条件的基础上，即光源总辐照度为1 000 W/m2，具有AM 1.5 G光谱辐照度分布，测试温度为25 ℃的基础上，测试出砷化镓光电转换薄膜的最高转换效率为30.5%。

2  应用前景

针对目前市面上设计的产品大多以太阳能电池板为主，其功能单一、效率较低、蓄电不足、长期高温缩短使用寿命等弊端。随着节能环保理念的不断宣传和推广，将薄膜太阳能电池[7]等新能源应用于人们的生活已成为了一种发展趋势。我们从实际出发，设计了一款太阳能充电伞，大大方便了那些炎炎夏日在外工作、旅行的人，不仅满足人们遮阳及充电的需求，同时兼顾蓄电、降温、照明等多项功能。充分利用可再生清洁能源包括太阳能和热能，实现了清洁能源的有效合理利用，采用砷化镓光电转化薄膜以及设计独特精准的伞把结构，不仅造价便宜，造型美观，而且使用方便，收纳便捷。在未来的市场及利用普遍性方面都有很大的前景。

3  结  论

本文设计研发的多功能太阳能充电伞满足伞布采用的砷化镓光电转化薄膜转化效率提高到30.5%，重量大约560 g，LED灯选用2X 1 W型号。外形可塑性强，具有柔性好、可弯曲、质量轻、形状可调的优势，耐温性好，弱光性好，相比于单晶硅光伏系统，其在弱光环境下，也是可以工作的;此外，伞柄处打几个渐缩喷管的小孔，可将伞把底端空气抽入，可以为发热的蓄电池降温，解决了暴晒引起的寿命缩短问题，延长充电器使用寿命。同时，该产品包含充电、遮阳、降温、照明等多项功能，便于携带，具有生产实践的价值，同时还具备学术价值以及科学研究的意义，为多方面利用太阳能技术的产业发展做出贡献。

参考文献：

[1] 庄琼云.便携式太阳能手机充电器设计 [J].物联网技术，2016，6（9）：29-31+36.

[2] YANG Y，CAMPANA P E，STRIDH B，et al.Potential analysis of roof-mounted solar photovoltaics in Sweden [J].Applied Energy，2020，279：115786.

[3] 趙忠仁.手机充电器电路原理与使用（1） [N].电子报，2016-11-13（2）.

[4] 吕霄，陈家伟，刘聪，等.半导体温差发电片的研究 [J].通信电源技术，2019，36（7）：17-18+22.

[5] 鲁方莹，权乃承，林雪.提高转换效率的双PN结太阳能电池结构 [J].中国新技术新产品，2020（17）：8-10.

[6] PENG Y S，GONG S F.Light-trapping structure based on ultra-thin GaAs solar cell [J].Journal of Physics D：Applied Physics，2020，53（49）：495107.

[7] 贾秋波，王雪，于中横，等.新能源“薄膜太阳能电池”的发展潜力分析 [J].科技经济导刊，2020，28（25）：82-83.

作者简介：霍钰佳（1999.10—），女，汉族，河北邢台人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化;汪风传（1998.12—），男，汉族，湖北黄冈人，本科在读，研究方向：安全科学与工程;张瑶（1999.03—），女，汉族，河北唐山人，本科在读，研究方向：安全工程。