戶外多功能救急充電傘設(shè)計(jì)

趙軍麗 彭夢(mèng)縈 鄭圓圓 張彪 臧園

（武漢科技大學(xué)城市學(xué)院 湖北省武漢市 430083）

太陽(yáng)能作為一種可永續(xù)利用、可再生的清潔能源，有著巨大的開(kāi)發(fā)應(yīng)用潛力[1]。太陽(yáng)輻射到達(dá)地球表面的能量高達(dá)4×1015MW，約為全球能耗的2000 倍；我國(guó)2/3 以上地區(qū)年日照大于2000h，太陽(yáng)能資源理論儲(chǔ)量達(dá)每年1.7 萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，開(kāi)發(fā)利用潛力巨大[2-4]。風(fēng)能也是一種可再生的清潔能源，風(fēng)力發(fā)電逐漸成為世界的主力電源[5-6]。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，約為32 億kW，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電已成為未來(lái)最具有發(fā)展?jié)摿烷_(kāi)發(fā)價(jià)值的發(fā)電模式[7-8]。

目前的戶外遮陽(yáng)傘基本只起到遮陽(yáng)作用，而現(xiàn)在手機(jī)等電子設(shè)備的普及和長(zhǎng)時(shí)間使用的需求，使得人們需要在戶外休閑娛樂(lè)的地方有充電裝置。針對(duì)上述問(wèn)題，以及現(xiàn)在國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展新能源的背景下，我們研究設(shè)計(jì)了一種多功能救急充電傘，將太陽(yáng)能和風(fēng)能結(jié)合，充分利用自然能量，提高優(yōu)質(zhì)清潔、可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例。我們?cè)O(shè)計(jì)的救急傘可用于咖啡和甜品店的室外、游樂(lè)場(chǎng)、大型廣場(chǎng)以及公交車站等公共場(chǎng)所，可為在這些場(chǎng)所活動(dòng)的人們提供遮陽(yáng)、避雨功能，也有望為生態(tài)宜居城市的建設(shè)貢獻(xiàn)一份力量。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目以戶外大型遮陽(yáng)傘為主體，將其與太陽(yáng)能電池板，風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一款戶外救急充電和照明一體的多功能戶外傘，如圖1所示。在傘面上黏附柔性太陽(yáng)能電池板，頂端裝有風(fēng)機(jī)，通過(guò)固定在傘支撐桿上的風(fēng)光互補(bǔ)控制器將光能和風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，給傘底座上固定的蓄電池充電；并將電能儲(chǔ)存進(jìn)蓄電池，然后通過(guò)固定在底座上的逆變器逆變?yōu)?20V 電壓。傘支撐桿和傘骨架都為中空結(jié)構(gòu)，以便連接的電線通過(guò)，傘桿上設(shè)置有充電接口，供用戶使用。此外，傘面下的傘骨架上安裝的LED 燈和控制器相連，可在夜晚提供照明。通過(guò)充分利用可再生的太陽(yáng)能和風(fēng)能，戶外遮陽(yáng)傘可實(shí)現(xiàn)為傘下活動(dòng)人們的手機(jī)等電子設(shè)備救急充電功能。

1.2 工作原理

在陽(yáng)光的照射下，太陽(yáng)能薄膜電池利用光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能，有風(fēng)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)風(fēng)光互補(bǔ)控制器存儲(chǔ)在蓄電池中，通過(guò)逆變器逆變?yōu)?20V 電壓供用戶使用[9-10]。

本設(shè)計(jì)是為了能夠滿足人們?nèi)粘Ｉ钪械膶?shí)際需要，在戶外太陽(yáng)傘中裝載了由太陽(yáng)能電池板和蓄電池所組成的小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示，以此來(lái)為太陽(yáng)傘中所配備的耗電負(fù)載提供電能。

圖1：戶外多功能救急傘結(jié)構(gòu)示意圖

圖2：太陽(yáng)能風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖3：風(fēng)輪機(jī)示意圖（單位：mm）

由于單個(gè)太陽(yáng)能電池板的電壓比較低，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中將多個(gè)太陽(yáng)能電池板串聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用單元，不僅可以實(shí)現(xiàn)為蓄電池充電的效果，同時(shí)也可以為耗電負(fù)載提供電能。系統(tǒng)中的蓄電池是一個(gè)儲(chǔ)能裝置，主要負(fù)責(zé)在夜間或光照不充足、無(wú)風(fēng)及負(fù)載消耗超出太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換的電量時(shí)，向電子設(shè)備供電，以保證負(fù)載的正常運(yùn)行。

表1：太陽(yáng)能板不同連接方式下，不同型號(hào)電池充滿電所需要的時(shí)間

1.3 設(shè)備選用

（1）太陽(yáng)能電池板、蓄電池和逆變器的選用，可以根據(jù)地理位置等實(shí)際情況來(lái)具體設(shè)定其容量[11]。

（2）風(fēng)機(jī)選用P-50（額定功率：50W，額定電壓：直流12V，額定電流4.4A）型號(hào)的風(fēng)輪機(jī)，如圖3所示。此風(fēng)輪機(jī)在額定風(fēng)速12m/s 的情況下，能輸出其額定功率。

2 節(jié)能計(jì)算

2.1 蓄電池充電需要的時(shí)間計(jì)算

所采用的單片柔性太陽(yáng)能薄膜電池的額定功率是0.5W，額定電壓是2V，額定電流是250mA，對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行不同的串聯(lián)及并聯(lián)后，對(duì)不同型號(hào)電池充滿電所需要的時(shí)間如表1所示。

為了儲(chǔ)存較多的電能并滿足風(fēng)輪機(jī)的額定電壓，且為了最大程度縮短充電時(shí)間，我們選用電池5，即12V 15AH 的蓄電池，采用將8 片太陽(yáng)能薄膜電池串聯(lián)再并上4 片已經(jīng)串聯(lián)好的薄膜電池的方式。

2.2 多功能救急充電傘的節(jié)能計(jì)算

蓄電池儲(chǔ)存電量=電壓×電流×光照時(shí)間+風(fēng)機(jī)功率×有風(fēng)時(shí)間。

選用蓄電池電壓和電流為12V 和15AH，時(shí)間按該規(guī)格電池充滿電時(shí)間（大約為白晝平均時(shí)間）12h 計(jì)算；有風(fēng)時(shí)間最大值取24h，最小有風(fēng)時(shí)間取0。

蓄電池一天最多能儲(chǔ)存的電量：

12×15×12+50×24=3408W·h=3.4 kW·h

蓄電池一天最少能儲(chǔ)存的電量：

12×15×12+50×0=2160 W·h=2.2 kW·h

根據(jù)我國(guó)大多數(shù)地區(qū)年日照總時(shí)數(shù)約2000h，粗略計(jì)算該多功能救急傘的一年產(chǎn)生的最大和最小限度的能量。一年下來(lái)該多功能傘利用風(fēng)能和太陽(yáng)能產(chǎn)生的最大限度的能量：

3.4×2000=6800 kW·h

一年下來(lái)該多功能傘利用風(fēng)能和太陽(yáng)能產(chǎn)生的最小限度的能量：

2.2×2000=4400 kW·h

根據(jù)國(guó)家發(fā)改委的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在一度（1kW·h）電相當(dāng)于0.32kg標(biāo)準(zhǔn)煤，故一年下來(lái)該多功能傘利用風(fēng)能和太陽(yáng)能節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤最多為：

6800×0.32= 2176kg

一年下來(lái)該多功能傘能利用風(fēng)能和太陽(yáng)能節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤最少為：

4400×0.32= 1408kg

故一款該救急充電傘每年可節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤最約多2176kg，最少約為1408kg。

3 結(jié)論

（1）該多功能救急充電傘將風(fēng)能和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)，可供戶外活動(dòng)的人們?yōu)殡娮釉O(shè)備救急充電，也可在夜晚供使用者照明。

（2）該多功能救急充電傘適用范圍廣，在廣場(chǎng)、游樂(lè)場(chǎng)、茶餐廳，咖啡店，奶茶店，沙灘，報(bào)刊亭以及公交車站等地方都可以使用。

（3）該多功救急充電傘充分利用了太陽(yáng)能和風(fēng)能等新能源，每年可節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤最約多2176kg，最少約為1408kg；充分利用綠色能源，具有節(jié)能減排，環(huán)保無(wú)污染的特點(diǎn)；并貫徹落實(shí)了我國(guó)的可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，有望為建設(shè)生態(tài)宜居城市提供一份力量。