衣物式智能便携太阳能充电器

卫倩

（安徽三联学院，安徽合肥，230601）

0 引言

普通常规的太阳能电池为了保证有足够的光电转换效率，往往会比较笨重。原本设计衣物式便携太阳能充电器时，因为考虑到太阳能电池较重不利于便携，且为了达到快充的目的而只尝试如何提升光电转换效率。即便光电转换效率较高，衣物式便携太阳能充电器的使用条件比较苛刻，这对于产品进入市场十分不利。使用衣物式便携太阳能充电器共有以下两个条件与缺陷：

（1）受环境影响大。光照必须足够强才能使产品能够获得足够的光照。光照是直接影响光电转换速率的基础条件。

（2）无法储存电量。太阳能充电器是以太阳能电池为核心器件。为了更加轻便与环保因素，没有加上储蓄电池。因此衣物式便携太阳能充电器只能将太阳能转化为电能，无法做到储蓄电能。使用者穿戴使用过程中，从光照强的地方走入阴影处，会直接无法供电。

因此在衣物式便携太阳能充电器做了优化后的—衣物式智能便携太阳能充电器。首先，为了环保与轻便，还是不加入储蓄电池。为了避免出现当衣物式智能便携太阳能充电器不会因为没有光照而立刻无法供能的现象，智能调控电流的速率是一个可行的思路。当有强光照的条件下，可以使用高光电转换效率的充电方式；当即将步入阴暗处，将电流速率变慢，做到弱光照甚至无光照的条件下也可以实现充电功能。此外，衣物式智能便携太阳能充电器需要设置多个接口，去做到尽量满足使用者对于户外小型移动电子设备的充电需求。

1 充电接口设计

为了满足使用者对于常见移动电子设备的充电需求，选择并筛选了主要的接口，如表1 所示。接口选用了一些户外常见使用的手机接口、笔记本电脑以及相机类产品的配备的型号。衣物式智能便携太阳能充电器依旧只适用于应急情况。如很多笔记本电脑依旧是传统DC 接口，这种圆形孔的充电接口往往被需要配备变压器，这并不符合便携的特点。

表1 适用接口类型

接口的数量与使用者使用的便捷性无疑是呈现正态分布的。接口数量多，会不利于接口位置设计，也不利于使用者进行接口类型识别。因此，衣物式智能便携太阳能充电器配备8 个接口，足以满足人们日常外出的充电需求。

接口的位置设置共有两个方案：方案一是利用衣物下摆位置进行接口的固定。衣物的俯视图所得出的是一个近圆形的图案。这有利于接口间有距离的分开固定。但穿戴衣物时，常用的会是衣物正方下摆处的充电接口。这会导致接口设计不便于使用。方案二是将接口固定于衣物正前方替代扣子的使用。将接口分别等距固定在衣物两侧，接口外侧套有磁吸式保护套，可以与另一侧接口的保护套直接合并。使用时可以直接将接口从保护套中取出。如图1 所示接口可被磁吸保护套保护，延迟其使用寿命。两端的磁吸保护套会自动吸引，可以避免保护套的丢失，也可以使得穿着者省去扣扣子的麻烦。实际穿着时，使用者可以直接采取套头式穿法来保护接口。

图1 接口设计图

如果抛弃所有接口，使用无线充电其实会更便于使用。但是无线充电利用磁场变化进行充电。设计中使用的磁簧开关会因为这个产生影响。故不选用无限充电的方式。并且利用无线充电的移动电子设备，基本只面向于手机。这会造成使用者的不便。

2 智能储能系统设计

不同移动电子设备接受的最大电流不同，根据电流的大小可以满足不同的充电需求。如led 灯所需的电流会比较小，以此来保证led 灯可以使用较长时间；而急需充电的手机与笔记本电脑等可以增大输出电流来减少使用者使用缺电的电子设备造成的不适感。因此为了解决仅有的太阳能电池无法完成的供电情况，设计了用电容替代储蓄电池对接口处连接的设备进行充放电。因此用电容进行了储能系统的设计。

从图2 中可以看出，储能系统主要是由逆变器、并联电容于整流器组成。电容接受和释放的均是交流电，而移动电子设备用直流电是更普遍的。因此太阳能电池获得光源处的能量转换成电流，在逆变器完成直流电向交流电的转换。这也是让电容进行充电的过程。逆变器共有两个作用：①电容无法使用直流进行充电，逆变器可以将太阳能电池输出的直流电转变成电容所需要的交流电。②逆变器还可以使电容无法对太阳能电池进行放电过程。太阳能电池接受到电容的放电，会缩短太阳能电池的使用寿命。

图2 储能系统原理图

电容的电容量与其能储存的电量是正比关系。大容量的电容成本会更高，所以此处采用多个同规格的电容进行并联来储存电量。之所以用同个规格的电容是因为不同电容对于电压的要求不同，从产品的实用性与安全性看，同个规格的电容更便于产品设计和储蓄功能实现。

磁吸式保护套会吸引内侧开关，使用时将磁吸式保护套拿下，此接口的磁性开关闭合，所有电容开始向此接口进行充电过程。当磁吸式保护套位于接口上，磁力使磁簧开关呈现断开状态。

电容使用时输出电流为交流电，移动电子设备所需电流是直流电。因此在并行电容与接口之间加入整流器。加入整流器最主要的目的是将交流电转变成直流电供给移动电子设备充电使用。同时加入整流器，可以延长电流在衣物式智能便携太阳能充电器中的过程，很大程度上改善出现使用者一旦位于阴影处电流立马消失的现象。

3 智能开关的使用

随着社会时代的发展，智能开关开始改善人们的生活。智能开关可以检测数据并发送至移动手机app，也可以实时或定时控制开关使用电器。在衣物式智能便携太阳能充电器中应用智能开关，可以实时检测是否有电流泄漏问题；还可以检测各硬件的使用情况去进行及时的进行更换维修；最关键的是可以智能控制电流位于衣物式智能便携太阳能充电器中的各器件使用。

设计衣物式智能便携太阳能充电器中共使用两个智能开关与8 个智能磁簧开关。如图3 所示，智能开关1 通过手机控制太阳能电池产生的电流是直接流向接口还是要经过储能电路再流向接口，也可控制同时进行电流的输出。智能开关内也加入电流表去检测电流大小。因此智能开关1与智能开关2 之间检测出的电流进行分析，即可检测是否有漏电现象发生，保证产品使用者的安全性。

图3 整体原理图

此外，智能开关还应用于磁性开关位置处。磁性开关闭合原本是通过接口处的磁性保护套控制。磁性会随着使用时间变长而减弱。将智能开关用于磁性开关中，直接通过手机端进行开关控制，实施检测充电接口的输出电流数值发送至手机端。当磁性开关因磁性减弱而无法使用时，直接通过手机控制多个智能磁簧开关的使用状态。

智能开关在衣物式智能便携太阳能充电器中，主要起到的作用共有两点，一是控制电池的大小；二就是检测各个开关呈现闭合状态或断开状态。

4 智能磁簧开关

一般磁簧开关[1]没有磁场影响时，可切换的簧片与常闭簧片接触，这也就是断开现象。因为磁性保护套的保护作用，所以将可切换簧片在无磁场作用时与常开簧片接触。这样使得有磁性保护套位于接口上时，磁簧开关因为磁力影响与常闭簧片接触，处于断开状态。

将磁簧开关与智能开关的功能融入，形成智能磁簧开关。智能磁簧开关中具有电流表来实时监控电流数据，当电流数值过大进行断电功能。同时将电流信息发送到手机端，以供实时查阅。通过手机端也可以智能控制个磁性开关的闭合与断开。考虑到磁性开关受磁力条件下，磁力保护套的影响比较小时，通过手机端app 来控制开关闭合。

图4 整体硬件电路图

设置智能磁簧开关的目的是让使用者可以大幅度的利用太阳光产生的电能。当使用者将衣物式智能便携太阳能充电器放于家中阳台的能接受到光照的地方给移动电子设备充电。使用者检测到移动电子设备满电状态时，可以通过智能磁性开关进行断电工作，而无需实时监控。

5 总结

衣物式智能便携太阳能充电器考虑了两种方案。通过手机端控制智能开关的接入电路。当光源较强，太阳能电池转化的光源会一部分流向储能系统，一部分直接通过导线供给接口进行电子设备的充电。而当光源较弱时，太阳能电池所能转化的电能全部供给电子设备后，由储能元件替代太阳能电池完成充电。而选择何种方案，是有使用者在手机端app自己控制，以此来达到使用者的对于不同移动电子设备充电的需求。

在储能元件中，用并联电容器替代储能电池可以极大地减轻重量，并且对于环境的友好度会较高。储能电池的原料一般会对环境造成危害，而电容元件造成的危害会更小。而之所以使用并联电容器，是因为单个电容的电容量无法达到要求。当电容量越大，所能储存的电能也就越大。并联电容器用同种规格的多个电容进行并联，同规格会导致电容电压不同而导致无法正常工作。将同种规格的电容器并联在一起时，电容量会大幅度提升。同时使用多个同规格的电容比大容量电容的制作成本要更低，维修成本也更便宜。当电容出现损坏的情况下，并联也不会很快影响到整体供电。

储能系统中加入逆变器和整流器，是进行交直流转变。一是可以适当延长电流的传输速率。二是让并联电容作为储能器件正常工作。

本文的创新点也在于使用并联电容替代储蓄电池使用来保护环境且易于便携。以及将智能开关应用于磁簧开关中，使得使用者可以通过手机app 控制智能开关的状态来选用适合自己的模式。

6 展望

随着智能化水平越来越高，人们对移动电子设备的依赖越来越深。当人们对于移动电子设备的接口拥有统一标准时，可以将衣物式智能便携太阳能充电器的口设计复杂度大幅度降低。

为了提升衣物式便携编写太阳能充电器的智能化程度，是否可以将移动电子设备接一个反馈到智能开关1 处，进行一个实时检测电量，满电时自动断电。而这需要与移动电子设备进行一个信息交换过程。为了保证智能开关的准确性，是否可以检测移动电子设备满电后给移动手机发送断电请求。使用者结合电流数据判断情况是否属实。这是未来需要研究的。