节能太阳能充电鞋设计*

王林虎，黄天成※，陈泽群，余郑伟，张子文，杨 静

（1.长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023；2.长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023）

0 引言

随着人们生活水平的提高，人们也在不断地追求自己生活品质的改善与提升，在一些寒冷天气或者严寒地域，各式各样的保暖用品层出不穷，其中保暖鞋便是其中一种。而结合现今不可再生资源的日益减少以及绿色节能生活的主题下[1]，马晓欢等[2]提出了一种太阳能取暖鞋，设计构思新颖，但其结构简单，将太阳能板、蓄电池等整个太阳能系统均置于鞋面上，对使用者的舒适性和鞋子的美观性将造成极大影响，其次，太阳能转换系统的发电效率不高，如果完全依靠太阳能为其充电来实现足部保暖功能，其在太阳能不充足的时候，就将出现能源供应不足、充电时间长的问题。

本文提出的节能太阳能充电鞋将普通电热鞋与太阳能充电系统结合在一起，将整个太阳能充电系统的元件置于鞋底安装槽内，并使用盖板及直流太阳能充电控制器进行保护，保证了鞋子使用的安全性，改进了上述的鞋子舒适性和美观性不足的缺点。又增加了外部能源供给装置，在能源无法得到保障的情况下，直接使用外部电源给锂电池充电，解决了能源供应不足的问题。将太阳能充电与外部电源直接供给相结合，在保证电热鞋原有保暖足部功能能够实现的基础上，又对太阳能这类绿色能源进行合理开发使用[3]。

1 结构设计

本设计在普通电热鞋所具有的鞋体、电热鞋垫的基础上，增加了柔性薄膜太阳能板、直流太阳能充电控制器及锂电池等零部件，组成一太阳能转换电路，实现太阳能的转换利用，并使用一外部能源供应装置，在太阳能转化效率过低时，以保证能源供应充足。

1.1 整体结构

该具有太阳能充电功能的电热鞋，将普通鞋子、碳纤维电热鞋垫及直流太阳能发电系统结合在一起，将锂电池和直流太阳能充电控制器安放在鞋底安装槽内的，电热鞋垫置于鞋内，鞋面上装柔性薄膜太阳能板，在鞋底侧面开一外部能源充电接口，如图1所示。

图1 节能太阳能充电鞋整体结构

1.2 内部结构

在鞋底的安装槽内放置锂电池和直流太阳能充电控制器，并通过盖板进行保护固定，柔性薄膜太阳能板使用粘胶固定于鞋面。利用电线将碳纤维电热鞋垫、锂电池、直流太阳能充电控制器、柔性薄膜太阳能板依次连接，构成一个直流太阳能充电系统，使太阳能系统的充电功用得以完成，如图2所示。

图2 节能太阳能充电鞋鞋底内部结构

在鞋底侧面开有一与鞋底电池安装槽连通的通孔，用于放置锂电池充电接口，当太阳能不充足时，电热鞋将存在充电效率低的问题，可通过该接口对锂电池进行直接充电，弥补能量供应不足的问题，如图3所示。

图3 鞋底充电接口位置

2 工作原理及用途分析

2.1 工作原理

太阳能作为一种清洁的可再生资源，其具备安全、绿色可靠、资源充足等这些长处，在全球各地应用广泛。目前的太阳能发电系统主要由太阳能电池组、蓄电池以及太阳能充放电控制器3大部件组成。太阳能发电有光热发电和光伏发电[4]两种方式，而平时所说的太阳能发电，就是上述两种发电模式中的光伏发电。光伏发电[5]经过半导体的光电效应，将外界照射于太阳能板上的光能转化成电能，并在控制器的保护下，将转换的电能储存在太阳能电池中，这种技术的得以实现就在于太阳能电池的使用。将小块的电池串联成大面积的太阳能电池组，再对其加以封装保护，再结合蓄电池、太阳能充放电控制器等元件，这样就组成一个完整的太阳能充电系统。本设计也就是运用了此原理来利用太阳能的，研究表明光伏发电方式有两种，分别介绍如下。

（1）光——热——电转换方式

这种方式利用了光热转换、热电转换两种原理，通过将太阳光的辐射能进行收集，转化为热能，再转化为电能储存起来的过程。第一个过程使用了光热转换原理，第二个过程使用了热电转换原理，其原理与火力发电相似。

（2）光——电直接转换方式

这是一种利用光电效应进行电能转化的方式，其直接将照射在太阳能板上的光能转换为电能储存于系统中的蓄电池内，因此对光电转换的材料也有较高要求，目前主要使用的材料有单晶硅、多晶硅和非晶硅3类[6]。

本节能太阳能充电鞋的设计便使用的是光——电直接转换方式，将太阳能系统转化而来的电能储存在安装在鞋底内的锂电池中，再供给加热碳纤维鞋垫所需的能量，实现足部保暖的功能。再配以外部电能供给装置，应对可能出现的能源供应不足的问题，其整体转化流程如图4所示。

图4 整体转换流程

2.2 元件介绍

因为鞋面是曲面，不能使用常规的太阳能板，所以采用柔性薄膜太阳能板[7]，其具有性能优良、成本低的优点，光电转化效率可达50～60 W/m2，此外，使用柔性薄膜太阳能板将能够最大限度地对鞋面上的空间进行利用，以达到最大光电转换量，提升节能太阳能充电鞋的充电效率。

由于太阳能的蓄电池是置于鞋底的安装槽内的，故不能采用普通的铅酸电池，其重量过大，将会极大增加鞋子的重量，影响使用者的舒适性。而锂电池具有重量轻、高温适应性强、使用寿命长等特点，适合于在鞋内这种较高温度的环境下使用，也不会对鞋体的重量造成较大影响，故选用锂电池[8]作为节能太阳能充电鞋的电池。

为了保证直流太阳能转换系统运行的安全性与稳定性，在系统中加入直流太阳能充电控制器[9]，其连接于柔性薄膜太阳能板与锂电池之间，能够在太阳能系统充电过程中起到防止充电过满和保护锂电池的作用，在锂电池电量达到饱和时，及时切断系统的充电电流，中止通电状态，并通过控制器上的指示灯指示电池状态，其基本结构如图5所示。

图5 太阳能充电控制器

选用碳纤维[10]作为节能太阳能充电鞋的鞋垫材料，相较于普通电热鞋使用电阻丝作为电热鞋的电热材料，碳纤维电热材料具有发热快、健康环保、使用寿命长等明显优势，且其也具有一定的防水性，对于一些容易出脚汗的用户，它的使用安全性也较高。

2.3 用途分析

在一些寒冷季节或者我国西北方这类严寒地区，无论是在室内还是室外，人们都经常会出现手脚冰凉，且一直无法恢复正常温度的现象，这主要是由于天气寒冷，外界环境温度低所造成的。此外，除了外界温度的影响，对于一些工作长时间不活动的工作人群，因长期没有活动，足部的血液流动减慢，也易出现脚冰凉的情况。而结合我国目前的地理环境，南北跨度较大，太阳能资源分布也极为广泛，再加之我国人口基数巨大，出现上述情况的人群也一定不在少数，对足类保暖的需求人群也将是庞大的，因此该节能太阳能充电鞋的市场应用前景是巨大的。

本设计最主要的性能就是保温取暖，通过太阳能转换的电能给鞋垫加热，从而达到保温取暖的作用，长期使用此款电热鞋还能起到活血、活络，促进人体的新陈代谢，起到强身健体和加强机体的免疫功能的作用，还能够预防感冒及脚部冻疮等[11]。其适用人群有：

（1）体质较弱、血液循环不畅这类冬季畏寒人群，如老年人；

（2）需要在一些环境温度低的情况下工作的人群，如环卫工、石油勘探、冷库工作人员等；

（3）长期久坐而缺乏活动的办公室人群，公交客运司机等；

（4）交警巡查、部队小区站岗人群；

（5）冬季怕冷的普通人群。

但其也具有一定的局限性，因为该节能太阳能充电鞋的工作原理是通过太阳能系统进行太阳能到电能的转换，其除了太阳能系统本身转化效率的影响外，还与柔性薄膜太阳能板的面积有关。上述介绍都是以成年人的鞋子大小为基础进行的设计与计算，但对于儿童这类足部较小的用户群体来说，其鞋体本身较小，因此，太阳能系统的各类元件规格也需随之减小，光电转换效率也将造成影响。

3 理论计算

该节能太阳能充电鞋选择碳纤维加热片作为鞋垫加热材料，锂电池作为太阳能蓄电池。其中鞋垫工作电压U＝7.4 V，工作电流I＝0.5 A，锂电池容量3 000 mA·h，可发热时间t＝6 h，则工作总输出：

太阳能系统采用光－电直接转换的方式，柔性薄膜太阳能电池板的光电转换率η＝50～60 W/m2，鞋面上柔性薄膜太阳能板面积S＝0.02 m2，则利用太阳能系统充满电所需时间为：

4 结束语

该节能太阳能充电鞋的研究设计采用了当前应用广泛的太阳能发电系统技术，并考虑到电热鞋使用的安全性、舒适性及美观性，在普通电热鞋的基础上进行改良，增加了太阳能充电系统和外部能源辅助部分。在实现了电热鞋的保暖功能的同时，又对太阳能这类清洁能源进行了合理的开发与利用，节能环保。采用了锂电池、柔性薄膜太阳能板、太阳能充电控制器、碳纤维电热鞋垫等元件，并在鞋底内设置了安装槽，优化了太阳能系统的发电效率，增加了使用者的舒适性，提高了产品的安全性，解决了现有的太阳能取暖鞋存在的光电效率低、能源供应不足的问题。