基于单晶硅太阳能电池的多功能遮阳伞的研究与设计

王磊，谢文俊，万珮瑶，陈思锐，陈溧航，潘高峰

（南京工程学院，江苏 南京 211167）

1 研究意义

多功能遮阳伞可以改善人们的生活水平，提高生活的舒适度，让人们能够在感受到凉爽的同时，还能保持优雅和风度。使用单晶硅太阳能电池给遮阳伞内设备供电，在一定程度上，可以减小能源消耗，并且相对其他化学电池而言，对环境的污染大大减小，体现了绿色环保的新理念。太阳能作为一种可不断利用、可再生的清洁能源，因而也就有着巨大的开发和应用潜力，通过数据显示，太阳光每秒放射出的能量大约是1.6×1023kW，这其中能够到达地球的能量高达将近1014kW，相当于6×109t 煤。太阳半小时辐射地球的能量可以供全世界一年的能源消耗，人类赖以生存的自然资源几乎全部来源于太阳能的转换。

2 产品设计

2.1 产品简介

该多功能遮阳伞是利用单晶硅太阳能电池作为太阳能转化装置，锂蓄电池作为储能装置，将各种电器设备与伞进行结合组装，从而达到当下人们所提倡的一个低碳环保的时代要求。在伞的顶部装有多个单晶硅太阳能电池，用以吸收光能，并将其转换成电能，伞骨部分装有软叶风扇，用开关控制风扇的启动与关闭；在伞柄下部会装有LED 灯，用于夜间的照明；同时，伞骨部分会预留一个供电插口，可用于小型用电设备短时间的供电。整个产品是通过并联的方式将各种用电设备与伞之间进行组装，旨在为消费者打造一个舒适、便携的产品。工作简图如图1。

图1 工作简图

2.2 产品结构细化介绍

主要结构：伞骨支架、软叶风扇、单晶硅太阳能电池、锂蓄电池、伞布、照明灯

（1）伞骨支架。该多功能遮阳伞的伞骨支架采用铝合金制作，铝合金重量轻，强度较高，不易折断，其次，是伞骨可以经过长时间雨水，不易生锈，不易褪色。通过研究和观察发现，铝合金表面具有比较好的色彩效果，外观上要比铁伞骨以及其他材质的伞骨显得美观、大气，随着人们对高端产品色彩要求越来越丰富多彩，因而该产品也极大地贴合了消费者的需求，符合人们的审美观念。

（2）软叶风扇。软叶风扇体积小、质量小，运行起来比较省电，并且也有利于遮阳伞的收缩。至于软叶风扇的数量，可以依据遮阳伞的大小来进行合理分配，其叶片的数量也可以依据内部空间大小合理分配，叶片数量多，转速快，带动空气流速加快，送风量也就相对较大。风扇通过锂蓄电池供电，将太阳能电池转化来的的电能再转化成动能，产生转速，带动空气流动，产生自然风，让人们感受到凉爽。软叶风扇内部主要通过小型的发动机进行运作的。为了避免人的头发触碰到软叶风扇，在风扇与人的头部之间加装一层尼龙网，直接用于防止头发搅进风扇，发生一些不必要的事情。

小型发动机工作原理：通电线圈在磁场中受力转动。

（3）单晶硅太阳能电池。①钢化玻璃作用主要为保护电池片，当然，对材质要求很高，其材质要求透光率必须高，从而能够更好地吸收太阳光，提高转化效率，其次，需要经过超白钢化处理，一般比较常见的处理方法是物理钢化，而对于相对比较薄的玻璃，化学钢化采用的较多，也即离子交换法。②其中EVA 主要是用来连接钢化玻璃和发电主体的，EVA 质量的好坏将直接影响电池组件的使用时间，长时间裸露在空气中的EVA 颜色容易变黄，从而会影响电池组件的透光率，进而影响整个电池组件的发电效果。③电池片主要作用就是发电，晶体硅太阳能电池片相对于薄膜电池来说，制作设备成本较低，光电转换效率较高，而单晶硅相对于多晶硅光电转换效率又要高些，一般可达到20%左右，通过使用增透技术和低辐射技术，在正常阳光下，其光电转换效率可达23%左右，在聚光的情况下更高，甚至可达到28%，因而本产品选用单晶硅太阳能电池作为电能转换装置。④背板对电池片具有一定程度的保护作用，其具有防水、密封、耐老化的特点。⑤铝合金保护层压件，起一定的密封、支撑作用。⑥接线盒用于保护整个发电装置，接线盒会及时的自动断开短路电池串，防止烧坏整个装置。⑦硅胶主要用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处

发电原理：光电效应，太阳光照射到电池的表面，电池片由于光生伏特效应将太阳光能直接转化成电能，产生电流，从而为软叶风扇以及照明灯供电。其中，光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。

（4）照明灯。照明灯选择参考的指标有很多，首先，是色温以及显色指数，这是与人眼感觉到的直接相关。例如，通常白炽灯带有一定的温度，显然在照明的同时会给人一种温暖的感觉，而荧光灯和钠灯等则看起来就比较清冷，其实这主要是由于它们的色温所导致的，色温不同给人带来的感觉也大不相同。

通常日常生活中，我们照明不会选择用钠灯，那是由于钠灯的显色指数小，人眼对其容易产生疲劳感。生活中我们所见的照明灯的供电方式也不一样，分为交流电和直流电，而太阳能电池提供的是直流电，恰好LED 灯通的也是直流电，因而理想型应该是LED 灯，选择LED 灯不仅仅是因为它是通过直流电供电，更重要的原因是它光效很高，具有很好的照明效果，如果使用白炽灯或者是荧光灯，由于通电方式不一样，那么，在电路中还需要增加一个逆变电路，显然会比较烦琐，并且也增加了能量损耗。因而在遮阳伞中，选择LED灯作为照明光源是相对比较合适的，LED 灯不需要通过灯丝发热来发光，因而选用这种组合具有较高的能源利用率以及可靠性、安全性。

（5）伞布。遮阳伞的伞布首先要求具有防紫外线功能，伞布的质量以及耐受阳光的能力，其次，就是伞面的色彩组合，都是综合考虑的因素。本产品预将伞面做成双层，上面一层盖在下面一层上面，这样可以更好地抵挡紫外线的照射，布料采用涤纶，相对于其他布料，防晒效果更佳。

（6）锂蓄电池。首先，从电池的性能角度分析，锂电池的寿命相对于铅酸蓄电池和其他化学电池来说比较长，从电池内部的结构上面去看，锂电池的循环使用寿命大概在1000 ～2000 次左右，而铅酸蓄电池在电池的使用循环寿命方面则相对处于劣势，大概只有300 ～350 次左右。其次，从电池环保的角度上面对比，锂电池比铅酸蓄电池更加环保清洁，铅酸蓄电池在使用的时候，会存在铅污染风险，铅酸蓄电池的主要原材料是铅，而铅又占据整个电池质量的六成以上，也就是说，铅酸蓄电池的核心部件为重金属，因而会对环境造成污染，并且会对人体产生危害，而锂电池不仅不会对环境造成污染，而且还具有质量轻、方便携带的特点。所以，本产品选用锂电池作为储能装置，更加合理，更加具有环保性，符合当下时代理念。

3 研究结论

综上所述，为了充分满足消费者的生活需求，研究出的新型遮阳伞拟采用铝合金材质伞骨支架，质量轻，不易折断；伞布采用双层涤纶布，起到了很好的防紫外线的效果；其次，供电装置采用单晶硅太阳能电池，发电效率高；储电装置使用环保节能的锂电池；风扇采用便于收缩的软叶风扇，照明灯采用通直流电的LED 灯，充分体现了节能环保的特征。