基于光伏多用一体式百叶窗的研究

石 莹，宫德健，李帅飞，张长垒，王跃翰

（燕山大学 车辆与能源学院，河北 秦皇岛066000）

引言

百叶窗是居家用品，体现着人们的生活质量水平，百叶窗的原始作用就是遮挡阳光，随着人们生活质量的提高，百叶窗在国际上已经有了很长时间的研究，并产生了一系列的重大成果。长期以来，作为室内外隔绝的屏障，窗户在房屋构件中起到了重要的作用。窗户的安装设计、材质等也在随着科技的革新而与时俱进。大多数用户现今仍选择市面上常见的平开式玻璃窗，仅起到为室内通风换气、隔绝风雨的作用，且会随着使用年限增加而出现老化等问题，影响使用效果。现今，一些人家也会选择使用百叶窗，通过调节叶片的角度实现调节室内温度，阻挡紫外线的作用，同时通过叶片的阻挡，也可有效保护室内人员的隐私，但百叶窗仍具有功能单一的缺点，有时无法实现室内的采光需要。

1 问题分析

随着国民经济水平的提高，生活质量也随之提高，越来越多的人住进了楼房，普通的窗帘只能起到遮光的作用，还会阻碍空气流通，如果没有遮挡类的窗帘，则又会暴露家庭隐私。目前商务楼中百叶窗作为办公环境的使用场景越来越多，也逐渐融入家用百叶窗的市场，针对此类问题，本项目可以有效解决，其三棱柱的叶片，使其调节不同角度，既能起到遮光作用，又能有空气流进，产品前景可期，具有广泛的市场应用价值。百叶窗是由一片一片的叶片组成的，这些叶片经过长时间的使用容易积尘，清洗擦拭都比较麻烦。遮挡功能不足，百叶窗的叶子不是紧密相连的，中间还存在缝隙，所以不利于隐私的保护而且还不具有很好的隔音效果。装饰功能较弱，不管百叶窗使用的是什么材料，但其外观的装饰视觉效果还是比不上丰富多彩的布艺窗帘。目前还没有把光伏发电补光、空气过滤、遮挡保护隐私、排气喷水改善空气湿度、检测空气温度湿度这些功能都综合在一起的一体式百叶窗，本产品在国内外有很大的发展空间。

2 设计与制作描述

百叶窗起源于中国，但百叶窗在美国却很流行。国外一家乌克兰公司开发了一种太阳能百叶窗，既能够为住户遮挡阳光，又能够充分利用太阳能可以为用户节省70%的电费。智能太阳能百叶窗可以安装在窗户内部或外部，可以自动跟踪机构以遵循太阳的位置可调整百叶窗的角度。百叶窗由SunPower 太阳能电池制造，其使用寿命为25 年，其生成的电能可以直接使用或存储在家用电池系统中，以便在停电之时，应急使用。百叶窗的专利很多，改进的也较快，光伏发电百叶窗，改善空气质量的百叶窗。但国内外目前还没有把光伏发电补光、空气过滤、遮挡保护隐私、排气喷水改善空气湿度、检测空气温度湿度这些功能都综合在一起的一体式百叶窗，本产品在国内外有很大的发展空间。现在居民使用的窗户如果关上，就会阻碍空气流通，使空气不能进行循环；如果打开窗户，拉上纱窗，则又会有一些颗粒等有害物质会伴随空气飞进来，为此我们在此百叶窗的叶片上安装上了微型空气净化装置，此装置可以过滤掉有害物质，使进入屋内的空气更加安全，使室内空气更加清洁，为居住者安全提供保障。风扇内部采用舵机进行角度旋转控制，并配合轴承进行，使得角度可以随意改变，舵机具有多角度控制的作用。叶片上装有的微型风扇，无风状态下，打开风扇，既可使室外空气流入室内，又可把室内空气排出，这样可加速空气流通，达到室内外空气循环的效果，使居住环境更加安全舒适。考虑到百叶窗上需要安装多种用电设施，当用户使用该百叶窗的时候，又可以不使用自家的电能，所以在百叶窗的一面装上了大功率太阳能板，大面积的太阳能板吸收大量光能，储存并转化能量，利用光伏发电最大功率为储能设备进行充电，既可为室内提供光亮，使屋内停电时能改善屋内光照环境，又可为叶片上的电子元件供电，不会使用其他电源，为居民节省了电量，具有良好经济效益，提高能量利用率。三棱柱形的叶片使得阳光能最大面积的照到太阳能板上，同时也防止了隐私的泄露，叶片是由新型可调节透光度材料制成，在关闭百叶窗的同时，又可以调节透光度，使阳光能够按照居住者需求照进室内，达到屋内采光充分的效果。产品使用雾化玻璃作为结构材料，在自然状态下，它内部的液晶分子无规则地排列，液晶折射率比外面聚合物的折射率低，入射光在聚合物层发生散射，呈乳白色，即不透明。通电以后，弥散分布的液晶分子迅速从无规则排列变为定向有规则排列，使液晶的折射率与聚合物的折射率相等，入射光完全可以通过，形成透明状态。不透明与透明两种状态可以在瞬间内随意转换。

图1 雾化原理示意图

同时夹层使用光伏超白玻璃，这种玻璃有夹层，在这两层玻璃之间加进了超薄化合物，这种化合物可以吸收光能，还可以导电。当太阳光照射这种玻璃的时候，化合物可以吸收光能，转化为电能并储存起来，这时，只要用导线接通，就可以用于照明或为其他电器供电。在380nm-1100nm 范围内的透过率在91%以上，有助于增加太阳电池对入射光的吸收，获得更高的光电转换效率。在光伏玻璃上镀减反膜可以提高2.5%的透过率。该百叶窗上面装有微型温度检测计和空气质量检测装置。温度检测计实时反映室内外温度差，便于在居民出行时能及时了解内外温差，空气质量依然是当代居民所关心的，该百叶窗上的空气质量检测器能够反映室外空气质量，使人们随时了解室外空气质量，便于居民出行。两种装置极大的方便了人们出行，使人们能够了解屋外情况。检测出来室内外差别，百叶窗上装有存水排水功能，阴雨天时能够储存水源，在室内空气被检测出干燥时自动物化水汽进行喷水，使室内环境保持湿润，增加居民的居住舒适度。考虑到百叶窗上需要安装多种用电设施，当用户使用该百叶窗的时候，又可以不使用自家的电能，所以在百叶窗的一面装上了大功率太阳能板，大面积的太阳能板吸收大量光能，储存并转化能量，利用光伏发电最大功率为储能设备进行充电，既可为室内提供光亮，使屋内停电时能改善屋内光照环境，又可为叶片上的电子元件供电，不会使用其他电源，为居民节省了电量，具有良好经济效益，提高能量利用率。三棱柱形的叶片使得阳光能最大面积的照到太阳能板上，同时也防止了隐私的泄露，叶片是由新型可调节透光度材料制成，在关闭百叶窗的同时，又可以调节透光度，使阳光能够按照居住者需求照进室内，达到屋内采光充分的效果。产品使用雾化玻璃作为结构材料，在自然状态下，它内部的液晶分子无规则地排列，液晶折射率比外面聚合物的折射率低，入射光在聚合物层发生散射，呈乳白色，即不透明。通电以后，弥散分布的液晶分子迅速从无规则排列变为定向有规则排列，使液晶的折射率与聚合物的折射率相等，入射光完全可以通过，形成透明状态。不透明与透明两种状态可以在瞬间内随意转换。同时夹层使用光伏超白玻璃，这种玻璃有夹层，在这两层玻璃之间加进了超薄化合物，这种化合物可以吸收光能，还可以导电。当太阳光照射这种玻璃的时候，化合物可以吸收光能，转化为电能并储存起来，这时，只要用导线接通，就可以用于照明或为其他电器供电。在380nm-1100nm 范围内的透过率在91%以上，有助于增加太阳电池对入射光的吸收，获得更高的光电转换效率。在光伏玻璃上镀减反膜可以提高2.5%的透过率。

随着居民用电量的增大，某些城市的供电系统明显供不起来，这样就有可能不定时停电。当在漆黑的夜晚停电时，就会影响到人们的生活，在楼房里面没有备用电源，所以我们考虑到如果在百叶窗上装上灯管，让其在屋内黑暗而又没有电的情况下自发的提供光亮，将会极大地方便居民。三棱柱叶片上的一面安装有照明灯管，邻面的太阳能板吸收的光能用来为灯管供。白天，阳光充足的时候，太阳能板可以吸收大量光能，用来为灯管，微型风扇等其他用电设施提供电能。当下雨阴天，夜晚家中停电时用户可不必点燃蜡烛来供亮，如果安装了这扇百叶窗，它就会自动为您提供光亮，不用自家电源，利用太阳能供电，具有良好经济效益，用来方便用户，为用户提供良好的体验。百叶窗的一个普遍作用是遮挡强烈的阳光，在夏天干燥的空气流进室内会使居民烦躁，而安装在这扇百叶窗上的排水集水并雾化水装置会解决这个问题。三棱柱叶片内部装有排水集水装置，既可在下雨天时收集雨水储存起来，也可以居民向其内部加水，收集起来的水可以长时间存放，当百叶窗检测出室内的空气变得干燥时，将会启动排水功能，储存的水会以雾气的形式喷出，其内部的雾化装置会把其中要排出的水变成气体，再由微型风扇进行排出，但这个过程不会消耗室内的电量，而是消耗百叶窗上太阳能板储存起来的电能。该百叶窗上面装有微型温度检测计和空气质量检测装置。温度检测计实时反映室内外温度差，便于在居民出行时能及时了解内外温差，空气质量依然是当代居民所关心的，该百叶窗上的空气质量检测器能够反映室外空气质量，使人们随时了解室外空气质量，便于居民出行。

3 设计目标与解决技术问题

制作出一款光伏多用一体式百叶窗，既可以实现在白天透光、储光，夜晚给光，还可以净化污浊空气，同时也能监控室外天气及空气质量，检测室内温度，调节湿度，在为住户提供优质的室内环境的同时，节约能源，绿色环保。

实现方案：（1）通过对于产品的机械结构进行设计以达到一体化及智能联动的作用，将机械结构与智能化电气元件相结合，并解决传统百叶窗的不同弊端。设计产品外形，采用三棱柱形状，使产品功能合理实现，既增大透光率，又增大折光率，更好的保护人们隐私。（2）结合新材料光伏发电等功能，实现能源的重复回收与利用。设计太阳能装置，通过吸收阳光，并将光能转换，储存能量，为叶片上用电设施供电，为室内补充光源，具有良好的经济效益。设计叶片材料，可调节透明度，可遮可透，提高阳光利用率。（3）对于多角度适应环境，采用履带式传动结构，可以多角度的调节百叶窗位置，实现功能合理化。（4）对于排粪系统进行多角度控制，加快室内外空气流通速度。设计微型排气扇，达到存水排水功能，使外面新鲜空气流进屋内，使屋内气体排到外面，当屋内空气干燥时，启动排水功能，增大屋内的空气湿度。设计空气过滤系统，改善室内空气环境，提供更加安全的居住环境。（5）对于空气雾化装置使用阶段调控，设置微型机械结构，控制出水口的流量及方向，合理有效控制环境湿度与室内环境。选择合适的温度检测计，反映室内外的温度差，使使用者了解内外温差。设计产品形态变化，便于装卸，方便清洗与携带，满足使用者的多种需求。

4 结束语

采用三棱柱的外形做叶片，使叶片内部可以有空间来安装更多的零件，目前单片状百叶窗从某个特殊角度看，仍可以看见室内，会涉及人们的隐私，用三棱柱可以调节不同角度，保护人们隐私。叶片上安装微型智能排风扇，以及存水排水功能，采用雾化水汽装置，用来改善室内的空气质量，加速空气流通，保持湿度，本产品提供更好的室内环境，更加舒适。产品安装了温度测量计、空气湿度检测器以及空气过滤器，能够实时检测室内外温度和湿度差，便于人们了解室内温差，空气过滤器过滤掉有害气体，使室内空气更加清洁，为居民安全提供了保障，可以调节透明度的新型材料，以达到给屋内采光充分的效果。有太阳能装置，通过阳光照射吸收热量并对能量进行储存利用，设计室内光源补给，通过百叶窗的自发电供电设备进行室内光源补给，改善室内光照环境，保证透光度，满足用户对于产品的多种需求。