太陽能服裝的開發(fā)與功能測試

周澳 劉成霞 董藝 郭怡 李昊

摘要： 針對太陽能在服裝上的應(yīng)用有待深入且利用率較低的問題，文章利用人臺為載體，在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境中對太陽能電池板安裝位置進行探索，進而將研究結(jié)果與服裝面料和結(jié)構(gòu)及電子器件進行綜合優(yōu)化設(shè)計，制作出一款太陽能蓄電發(fā)熱服，最后對其發(fā)熱能力進行測試研究。研究結(jié)果表明：太陽能電池板位于前胸處時輸出功率最高;用紅外熱像儀測得該服裝最高發(fā)熱溫度42.62℃，平均溫度35.99℃;180min后在距離加熱片10cm處，服裝的表面溫度尚有26℃;測得該服裝的實際發(fā)熱時長為2.74h，可為手機充電2次以上。研究結(jié)果顯示該服裝的蓄電發(fā)熱性能良好，太陽能可以在服裝上得到有效利用。

關(guān)鍵詞： 服裝;多晶硅太陽能電池板;非穩(wěn)態(tài)環(huán)境;安裝位置;太陽能蓄電發(fā)熱

中圖分類號： TS941.731

文獻標(biāo)志碼： B

文章編號： 1001-7003（2019）02-0063-08

引用頁碼： 021202

Abstract： Considering that the application of solar energy in clothing needs to be deepened and the utilization rate is low， this study explored the installation location of solar panels in unsteady environment with mannequin as carrier， then optimized the research results with clothing fabrics， structures and electronic devices to produce a solar storage heating clothing， and researched the heating capacity of the solar storage heating clothing. Results showed that the output power of the solar panels was highest if the solar panels were located in the front chest; the highest temperature and average temperature of the clothing tested with infrared thermal imager were 42.62℃ ?and 35.99℃ respectively; the surface temperature of clothing was 26℃ ?in a place 10cm away from the heater after 180min; the heating time of the clothing could last 2.74h， and could charge a mobile phone for over 2 times. It was proved that the heating performance of the clothing was fairly good and solar energy can be effectively used in clothing.

Key words： clothing; polycrystalline silicon solar panel; unsteady environment; installation location; solar energy storage and heating

地球能源稀缺越來越受到人們的關(guān)注，節(jié)約能源已成為共識。太陽能具有清潔、環(huán)保的優(yōu)點，是國際公認的理想新能源[1]。如何利用太陽能為人類服務(wù)成為科研工作者的一個熱點研究領(lǐng)域，目前國內(nèi)外對太陽能在服裝上的運用和研究主要集中在太陽能發(fā)熱和太陽能蓄電發(fā)電兩個方面，如拉皮迪斯等[2]設(shè)計了一款太陽能連帽衣，荷蘭服裝設(shè)計師Pauline van Dongen[3]設(shè)計了一款未來風(fēng)格的太陽能充電服裝，德州學(xué)院和中原工學(xué)院[4-5]各研發(fā)了一款太陽能服裝，這些服裝主要利用太陽能來蓄電發(fā)電[6]。此外，郭富饒等[7]設(shè)計開發(fā)了一款太陽能測壓服，沈雷等[8]設(shè)計開發(fā)了一款專門面向老年人的太陽能發(fā)熱服裝。

綜上，雖然眾多設(shè)計師和科研工作者設(shè)計開發(fā)了不同的太陽能服裝[9-10]，但大多只是文字性描述其設(shè)計過程，缺少對太陽能服裝功效進行較深入的實驗研究[11]，其發(fā)熱性能如何也尚未可知。針對這一現(xiàn)狀，本文首先利用人臺和多晶硅太陽能電池板在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境中對太陽能電池板的安裝位置進行模擬研究，然后將研究結(jié)果運用到服裝設(shè)計中，制作出一款利用太陽能電池蓄電發(fā)熱的太陽能服裝，最后利用紅外熱像儀和電子溫度計對服裝表面發(fā)熱溫度進行測試研究。

1?太陽能電池板安裝位置實驗

為更好地提高太陽能電池板在服裝上的利用率，本文對太陽能電池板的安裝位置進行探究，用人臺對太陽能電池板在服裝上的安裝位置進行模擬，從而確定太陽能電池板的最佳安裝位置。太陽能電池板的實際功率可通過測電流、電壓來計算得出，將太陽能電池板安裝在人臺不同位置，并測試其在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的電流、電壓來得到太陽能電池板的實際功率。對比市面常見的三種太陽能電池板，本文選擇160/84A女裝人臺，多晶硅太陽能電池板（工作電流160mA，工作電壓5V，尺寸82mm×82mm）進行模擬實驗，其兼具轉(zhuǎn)換效率較高、與服裝配伍性較好且成本低廉的特點。實驗地點選擇在采光好、地勢高的空曠天臺上進行，測試時間選擇在春季的白天8：30～17：30，實驗跨度為一個月。

1.1?儀?器

PM8233C萬用表（北京美特邇環(huán)保儀器有限公司）;JTBQ-2太陽總輻射表（錦州天諾環(huán)能儀器有限公司）。

1.2?位?置

由于太陽能電池板應(yīng)安裝在活動量較少又能夠較好地接受陽光的部位，如背部、前胸等，因此在人臺上選擇8個具有代表性的位置安裝太陽能電池板（圖1），分別將這8個點記作a1（左肩線與胸圍線二分之一處于左公主線交叉點）、a2（右肩線與胸圍線二分之一處于右公主線交叉點）、b（腰圍線與前中心線交叉點）、c1（腰圍線與臀圍線二分之一處于左公主線交叉點）、c2（腰圍線與臀圍線二分之一處于右公主線交叉點）、d（后頸點下方于后中心線交叉點）、e（胸圍線與后中心線交叉點）、f（腰圍線與后中心線交叉點）。

1.3?測試方法

1）將人臺朝正南方向放置在實驗地點并固定，在每次實驗過程中保持方位不變。并將JTBQ-2太陽總輻射表放置在無遮擋物的高處。

2）把太陽能電池板安裝在所選取的8個實驗點上，在實驗時間內(nèi)，每隔一個小時用PM8233C萬用表對電流、電壓進行測試，具體為直接接觸太陽能電池板兩極測試一組太陽能電池在人臺不同的8個位置點的電壓、電流并記錄數(shù)據(jù)，每組測試讀數(shù)3次取中間值，測試時測試人員不要遮擋陽光。

3）在測試時間內(nèi)，每隔一個小時由測試人員進行一組測試并記錄數(shù)據(jù)，每次測試讀數(shù)3次取中間值。測試人員需同時記錄當(dāng)前的太陽能輻射量。

4）將所得的電壓與電流相乘，即可得到功率。

2?輸出功率分析

測得一個月內(nèi)8個實驗點的電流電壓，根據(jù)氣象條件和測得的太陽能總輻射量將數(shù)據(jù)分為晴天（太陽能輻射強度700～1000W/m2）、多云（太陽能輻射強度100～400W/m2）、陣雨（太陽能輻射強度50～300W/m2）、陰天（太陽能輻射強度400～600W/m2）4種天氣。因一個月內(nèi)4種天氣情況分布不勻，所以每種天氣狀況隨機抽取3天的實驗數(shù)據(jù)取平均值進行繪圖，圖2分別顯示了4種不同天氣狀況下8個點的輸出功率。

從圖2（a）可以看出，晴天時a1和a2處太陽能電池板功率明顯高于其他位置，d次之，隨后是c2、c1，b、f位置的功率相近，e最弱。8個位置的功率從9：30開始有所下降，到11：30后開始回升，至14：30又開始下降，總體變化趨勢相近，可能是由于實驗時間跨度較大且杭州春季雨水較多，所取值的4個晴天相互之間跨度較大，但a1和a2處太陽能電池板功率受這種影響較小。圖2（b）顯示，多云時8個位置的功率高低順序與晴天一致，受云層變化影響，8個位置功率曲線呈波浪形波動，且波動趨勢基本一致，9：30整體功率最高。圖2（c）顯示，陣雨時8個位置的功率曲線波動趨勢與晴天和多云時有了明顯不同，10：30～15：30時c1和d的功率出現(xiàn)了大幅度的變化且在14：30功率高于a2位置，可能是受陣雨影響，但總體趨勢還是a1的功率高于其他位置。圖2（d）表明，陰天時8個位置的功率曲線排序與晴天和多云一致，8個位置的功率在9：30達到高峰然后開始下降，至12：30后整體變化趨于平穩(wěn)，可能是由于陰天光照強度不夠，中午過后基本沒有光照。

4種天氣情況下晴天太陽能電池板功率最好，其次是陰天，多云和陣雨相差不大，主要原因是太陽能電池板功率受太陽輻射強度影響最大，其次是溫度、環(huán)境濕度等。從上述實驗結(jié)果可以看出，該實驗方法對天氣情況變化反應(yīng)靈敏且能較準確反映不同天氣情況的太陽能電池板功率變化。

但上述結(jié)果僅能反映8個位置的功率變化趨勢及天氣對其影響，為進一步分析8個位置的功率差異，確定后續(xù)研究中太陽能電池板在服裝上的安裝位置，用SPSS17.0軟件分別對4種天氣情況下不同安裝位置對功率的影響做顯著性檢驗（P<0.05），如圖3所示，a1和a2處的功率與其他位置功率具有顯著性差異且高于其他位置。

綜上，在4種不同的天氣狀況下，a1和a2處的輸出功率都較大且具有顯著性，可能由于這兩點位置較高且處于人體凸面，在人體上沒有遮擋，因此在后續(xù)的服裝制作中，選擇在a1、a2處安裝太陽能電池。

3?服裝設(shè)計與制作

3.1?電路設(shè)計

為更好地提高太陽能電池板的利用率，按圖4所示對電路進行優(yōu)化設(shè)計減少損耗。電路設(shè)計圖由4大模塊組成，分別是穩(wěn)壓電路、鋰電池充電管理電路、升壓電路、電池過放電保護電路。其主要特征是：所述充電接口（P1）正極與肖特基二極管（D3）連接，多晶硅太陽能電池板（J2）正極與肖特基二極管（D3）連接;穩(wěn)壓芯片（U1）GND端與地相連接，穩(wěn)壓芯片（U1）BOOT端與電容器（C1）一端連接，穩(wěn)壓芯片（U1）PH端與電容器（C1）、二極管（D2）、電感（L1）連接，穩(wěn)壓芯片（U1）VSENSE與電阻（R4）、電阻（R7）連接，其中電阻（R7）一端與電阻（R4）連接另一端接地。

鋰電池充電管理芯片（U2）VCC端與COMP端連接在一起，開關(guān)（S1）一端與電阻（R1）連接并且電阻（R1）與電阻（R2）、鋰電池充電管理芯片（U2）SNS端、三極管（Q1）連接在一起，鋰電池充電管理芯片（U2）TS端與電阻（R3）、電阻（R8）連接在一起，鋰電池充電管理芯片（U2）VSS端與地連接，鋰電池充電管理芯片（U2）端與電阻（R5）連接并與三極管（Q1）連接，鋰電池充電管理芯片（U2）STAT端與發(fā)光二極管（DS1）連接并通過電阻（R6）接地，鋰電池充電管理芯片（U2）BAT端與電容器（C2）連接并與鋰電池（BT1）正極連接，運算放大器（U4A）4管腳與三極管（Q3）、開關(guān)（S2）、多功能USB插口并與地連接在一起，運算放大器（U4A）1管腳與滑動變阻器（R12）、三極管（Q3）連接。

3.2?面料的選擇

服裝在戶外應(yīng)用較多，需要充分考慮戶外服裝的防雨防風(fēng)和保暖保護需求，太陽能服裝內(nèi)含導(dǎo)線和電子元件連接，遇水易發(fā)生漏電、短路、電路受損老化等情況，因此在面料選擇方面，防水性是極其重要的衡量指標(biāo)。

本文選取了3款100%滌綸機織面料進行比較，其基本規(guī)格參數(shù)如表1所示。由表1可知，面料1的防水性最差，因此首先排除面料1;面料2的透氣性和透濕性都優(yōu)于面料3，且厚度居中，因此選擇面料2制作太陽能服裝。

3.3?服裝設(shè)計

根據(jù)上文的實驗結(jié)果設(shè)計出一款太陽能蓄電發(fā)熱服裝，由帶帽子和袖子的外層和無袖的馬甲兩部分組成。外層和馬甲通過銀色銅質(zhì)四合扣銜接在一起。圖5是此款服裝的正面結(jié)構(gòu)，其中A為鏤空口袋，用于安放太陽能電池板;B為口袋中間的細帶，用于防止太陽能電池板在活動過程中脫落;C為用于連接內(nèi)部馬甲的銀色銅治四合扣。

鏤空口袋后有一條分割線，用于太陽能電池板的拆卸和導(dǎo)線的通過?？诖隙寺愿哌^分割線0.8cm，用于遮蓋開口，避免服裝穿著過程中豁開。鏤空口袋的反面設(shè)計了一個尺寸略大于太陽能電池板的小口袋，在外出活動中遇到下雨或其他突發(fā)狀況，可將太陽能電池通過上述分割線從外套表面移動到外套反面，放置在小口袋內(nèi)。

內(nèi)部無袖馬甲設(shè)計為雙層，將電路組件等安裝在兩層之間，便于服裝拆洗。圖6是馬甲的正面結(jié)構(gòu)，其中1為太陽能電池板，從外套鏤空口袋分割線處掏出;2為與圖5中C位置對應(yīng)的銅質(zhì)銀色四合扣;3所指的方框內(nèi)為碳纖維發(fā)熱片（18mm×10mm），位于馬甲的夾層之中，左右對稱，可在需要時提供熱量;4為集成了圖4電路中的電子元件連接處;5為鋰電池。從1處收集的電能通過4處的穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定，然后到達5處鋰電池進行儲存，需要的時候可經(jīng)由5放電到達4處升壓，然后利用電池過放電保護電路供電給發(fā)熱片或USB外接設(shè)配;電能還可以通過4處的充電接口進入5，其余工作原理與上述類同，以此來完成太陽能服裝的蓄電發(fā)熱功能。

馬甲前片與外套位置對應(yīng)的分割線處，安裝有內(nèi)徑3mm的銀色銅質(zhì)氣眼，左右衣片各兩個，用于導(dǎo)線的穿過，連接太陽能電池板與馬甲內(nèi)的電路組件。底擺處縫制了一段尼龍搭扣，日常穿著時搭扣粘合，需要修理電路或拆下電路組件將馬甲進行清洗時，可通過開啟這段尼龍搭扣進行操作。整套太陽能系統(tǒng)的質(zhì)量約為（625±10）g，整件太陽能服裝的質(zhì)量約為1.5kg，一件冬季上裝的質(zhì)量約為1～2kg，服裝沒有過重，比較符合穿著習(xí)慣。

4?服裝的充電時間及發(fā)熱性能測試

4.1?服裝上蓄電池充電時間

在室內(nèi)溫度19～26℃、濕度30%～50%、室外溫度23～37℃、濕度25%～41%、太陽輻射強度271～998W/m2時，分別用EP-TA20CBC充電器和太陽能電池板為蓄電池（電壓3.7V，容量10000mah）充電，每種方式進行3組實驗，蓄電池從無電狀態(tài)到完全充滿所需時間如圖7所示。

從圖7可以看出，太陽能電池板充電時長約為充電器充電時長2倍，計算得太陽能電池板為蓄電池充電時長平均值為13.14h，充電器充電時長平均值為6.97h。受太陽能電池板自身性能影響，完全充滿所需時間較長。

4.2?太陽能服裝的加熱性能

4.2.1?實驗條件和儀器

在溫度19～26℃、濕度30%～65%條件下，采用DM60M紅外熱像儀（大立科技股份有限公司）、DM6801A電子溫度計（臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司），對太陽能服裝的加熱性能進行測試研究。

4.2.2?發(fā)熱片的發(fā)熱溫度

發(fā)熱片安置在服裝后背中部、前片兩側(cè)位置，利用蓄電池進行服裝發(fā)熱實驗，并用DM60M紅外熱像儀測得服裝發(fā)熱2h時的溫度。圖8（a）（b）為服裝前片溫度變化范圍，可以看出前片左右兩邊發(fā)熱溫度范圍不一致，可能是右邊同時放置有電子元件且電子元件在工作過程中也會產(chǎn)生熱量引起。整體溫度變化較均勻且覆蓋較全面，通過對測得的溫度進行統(tǒng)計計算可得，服裝前片的最高溫度為42.62℃，平均溫度為37.02℃。圖8（c）（d）為服裝后片溫度變化范圍，可以看出后片溫度變化呈中心最高向外擴散，與實際發(fā)熱片安裝位置相吻合，且溫度變化較均勻，覆蓋較全面，最高溫度為39.42℃，平均溫度為34.96℃。綜合圖例和溫度的統(tǒng)計計算可知服裝整體發(fā)熱性能良好，但紅外熱像儀難以對發(fā)熱范圍做出較具體的分析，因此還需用電子溫度計對服裝上不同點進行定點分析。

用電子溫度計分別測量距離前后發(fā)熱片不同位置時服裝的表面溫度，測溫點離開發(fā)熱片的距離分別取0、5、10cm，服裝初始溫度皆為24℃，測試結(jié)果如圖9所示。根據(jù)測試過程及圖9可知，發(fā)熱片發(fā)熱速度較快，打開開關(guān)10min后就能明顯感覺到熱度，持續(xù)發(fā)熱30min后溫度有小幅度上升后趨于平穩(wěn)，距離發(fā)熱片越遠溫度越早趨于平穩(wěn)，是因為距離越遠受發(fā)熱片溫度變化影響越小。電子溫度計所測得的最高溫度為42.3℃與DM60M紅外熱像儀測得基本一致。180min后在距離發(fā)熱片10cm的位置，服裝的表面溫度尚有26℃，持續(xù)時間較長，發(fā)熱效果良好。

4.3?蓄電池可供發(fā)熱時長和手機充電次數(shù)

電路中蓄電池的電壓3.7V，容量10000mah，利用率約75%，理論來說蓄電池可供功率為10W的電子設(shè)備使用3.75h，供功率為5W的電子設(shè)備使用7h左右。實際測得平均發(fā)熱時長為2.74h，與電子溫度計測得的服裝表面溫度變化趨勢相近。經(jīng)過實際充電實驗，可以將手機（三星G9300，容量3000mah，使用時長1年）電量從0充至100%2～3次。雖然進行了電路優(yōu)化，但在實際工作過程中電路仍損耗一部分能量，導(dǎo)致理論使用時間與實際有偏差。

5?結(jié)?論

通過實驗測得在人體胸點上方安裝太陽能電池板時，工作效率最高，將此研究結(jié)果應(yīng)用于太陽能服裝的設(shè)計與制作，并對設(shè)計的太陽能服裝進行充電時間及發(fā)熱性能測試，得到以下結(jié)論：

1）本文實驗方法對天氣情況變化反應(yīng)靈敏且能較準確反應(yīng)不同天氣情況的太陽能電池板功率變化，不論何種天氣，a1和a2處的輸出功率都較大且具有顯著性。

2）服裝前后表面的最高溫度為42.62℃，平均溫度為35.99℃，發(fā)熱性能良好，且溫度范圍分布較均勻。服裝前后表面發(fā)熱片持續(xù)發(fā)熱30min后溫度仍有小幅度上升，后趨于平穩(wěn)，距離發(fā)熱片越遠溫度越早趨于平穩(wěn)。180min后在距離加熱片10cm的位置，服裝的表面溫度尚有26℃，持續(xù)時間較長，發(fā)熱效果良好。

3）使用太陽能電池為該款服裝的蓄電池充電時長平均值為13.14h，長于充電器的充電時長（平均值為6.97h）。電路中的蓄電池實際可供碳纖維發(fā)熱片發(fā)熱平均時長為2.74h，可為手機（三星G9300，使用時長1年）至少充2次電。

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