基于光熱發(fā)電的多功能充電傘功能設(shè)計

霍鈺佳 汪風(fēng)傳 張瑤

摘 ?要：在電子產(chǎn)品迅速發(fā)展、自然資源供不應(yīng)求的時代，節(jié)約不可再生資源并充分利用自然能源已引起人們的高度重視。應(yīng)時代背景要求，該文主要設(shè)計了一款多功能太陽能充電傘，綜合考慮光能發(fā)電和溫差發(fā)電兩種發(fā)電方式，提高了能量利用率。并采用砷化鎵薄膜作為傘布的一部分，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)30.5%，通過對傘架與傘柄的結(jié)構(gòu)改造，使得產(chǎn)品可在多方面滿足人們夏日出行的需求。

關(guān)鍵詞：光能發(fā)電;溫差發(fā)電;薄膜太陽能電池;多功能

中圖分類號：TS959.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0160-04

Function Design of Multifunctional Charging Umbrella

Based on Photothermal Power Generation

HUO Yujia1，WANG Fengchuan2，ZHANG Yao2

（1.College of Electrical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan ?063210，China;

2.School of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan ?063210，China）

Abstract：In an era when electronic products are developing rapidly and natural resources are in short supply，saving non-renewable resources and making full use of natural energy have attracted peoples attention. In response to the requirements of the times，this article mainly designed a multifunctional solar charging umbrella，which comprehensively considered the two power generation methods of solar power generation and thermoelectric power generation to improve energy utilization. The gallium arsenide film is used as a part of the umbrella cloth，and the photoelectric conversion efficiency reaches 30.5%. Through the structural transformation of the umbrella frame and handle，the product can meet the needs of peoples summer travel in many aspects.

Keywords：solar power generation;thermoelectric power generation;thin film solar cell;multi-function

0 ?引 ?言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)與能源行業(yè)的不斷發(fā)展，清潔能源的廣泛使用成為了當(dāng)下各大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。其中清潔能源與電子信息技術(shù)的多樣結(jié)合使人們生活更加豐富多彩。華北理工大學(xué)機(jī)電設(shè)計實驗室的學(xué)生團(tuán)隊通過構(gòu)思設(shè)計，將電子技術(shù)與清潔能源利用結(jié)合，設(shè)計一款具有多功能作用的太陽能充電傘。夏日出行，人們都會攜帶一把遮陽傘，在防止紫外線曬傷的同時卻未能解決到降溫的問題。因此將光輻射能與熱能的轉(zhuǎn)換為電能，利用砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜與溫差發(fā)電片結(jié)合供電，一方面可用于手機(jī)充電等較小電子產(chǎn)品的充電;另一方面可用于為人體降溫的電子設(shè)備充電。在以往的太陽能手機(jī)充電器[1]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了產(chǎn)品樣式與技術(shù)的革新。另外在對光能的利用效率和對傘重量設(shè)計等方面進(jìn)行了優(yōu)化。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種新型的，具備遮陽、蓄電充電、送風(fēng)降溫、夜晚照明等多個實用性功能的多功能太陽能充電傘，不僅實現(xiàn)了對清潔能源的高效利用，還滿足人們生活需求。

1 ?產(chǎn)品設(shè)計思路與結(jié)構(gòu)

1.1 ?設(shè)計原理

太陽能發(fā)電部分：利用了光生伏特效應(yīng)[2]，當(dāng)光線照射砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜上時，一部分光子被薄膜吸收;光子的能量傳遞，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子，在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。而電流傳送至蓄電池以供手機(jī)使用的過程，即是對手機(jī)充電器[3]充電功能和原理的簡化使用。電流轉(zhuǎn)換原理如圖1所示。

溫差發(fā)電部分：基于塞貝克效應(yīng)[4]，對于不同的金屬導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）具有不同的自由電子密度（或載流子密度），當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體相互接觸時，在接觸面上的電子就會由高濃度向低濃度擴(kuò)散。而電子的擴(kuò)散速率與接觸區(qū)的溫度成正比，所以只要維持兩金屬間的溫差，就能使電子持續(xù)擴(kuò)散，在兩塊金屬的另兩個端點(diǎn)形成穩(wěn)定的電壓。

1.2 ?設(shè)計思路

此外，目前太陽能設(shè)備大多使用太陽能電池板，相較而言我們使用砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜具有很大優(yōu)勢。晶體硅光伏電池組件與砷化鎵光電轉(zhuǎn)換薄膜的比較如表1所示。

因此，我們在改善原有的太陽能充電產(chǎn)品的基礎(chǔ)上利用砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜設(shè)計了一款集聚多方面功能的產(chǎn)品——太陽能充電傘，使人們的生活更加便利。整體思路是將砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜與遮陽傘結(jié)合，傘布外層結(jié)合砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜，利用光電子躍遷與PN結(jié)發(fā)電[5]的原理產(chǎn)生光電流內(nèi)部與溫差發(fā)電片結(jié)合，不穩(wěn)定的光電流與熱導(dǎo)電流流經(jīng)傘柄頂端的穩(wěn)壓器裝置，變?yōu)榉€(wěn)定電流，經(jīng)傘柄內(nèi)部線路流入傘把處蓄電池儲存電能，蓄電池通過配備的USB接口可將電能輸出供給電子產(chǎn)品充電此外，傘柄處打幾個漸縮噴管的小孔，可將傘把底端空氣抽入，在達(dá)到送風(fēng)效果的同時可以為發(fā)熱的蓄電池降溫，延長壽命。

1.3 ?傘的結(jié)構(gòu)

一種多功能的太陽能充電傘，如圖2至圖5所示，其中：穩(wěn)壓器1、穩(wěn)壓器蓋2、傘帽3、砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜4、傘布5、可折疊型傘骨6、溫差發(fā)電片7、傘柄運(yùn)動套8、傘柄外層9、傘柄內(nèi)層10、直充器11、蓄電池12、傘把13、風(fēng)扇電機(jī)14、風(fēng)扇15。

圖3中，穩(wěn)壓器1是光能轉(zhuǎn)化裝置的重要組成部分，能夠保證輸入電壓的穩(wěn)定，其被放置于傘帽3之上，通過螺栓螺母的連接與傘帽3固連在一起，隨后為了防止穩(wěn)壓器1遭到破壞，將穩(wěn)壓器蓋2亦通過螺栓螺母的連接與傘帽3固連在一起，起到保護(hù)穩(wěn)壓器的作用。將砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜4粘連在傘布5的表面之上，在此太陽能充電傘之中，砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜4連同傘布5，其二者左右兩側(cè)的邊緣與可折疊型傘骨6縫合在一起，其上端左右兩頂點(diǎn)與傘帽3外端的支撐抓部分進(jìn)行連接。在傘布5的下表面，將12片相同大小的溫差發(fā)電片7放置在傘骨折疊處，憑借外界溫度與傘布5之間的溫差發(fā)電。由砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜4和溫差發(fā)電片7產(chǎn)生的電能依次通過可折疊型傘骨6和傘帽3中布置的導(dǎo)線傳輸?shù)椒€(wěn)壓器1中，隨后穩(wěn)壓器1再將穩(wěn)定的電流向下輸送。傘骨部分是由6個互呈60°夾角的可折疊型傘骨6組成，用于支撐砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜4、傘布5以及溫差發(fā)電片7等能源轉(zhuǎn)化裝置，這些可折疊型傘骨6的始端互呈60°夾角連接到傘柄運(yùn)動套8的上端凹槽中，由傘柄運(yùn)動套8的上下移動可以實現(xiàn)太陽能充電傘的折疊功能。

圖4中，傘柄部分由傘柄外層9、傘柄內(nèi)層10組成，二者呈抽拉式雙層結(jié)構(gòu)，傘柄內(nèi)層10之中纏繞導(dǎo)線，用來傳輸由穩(wěn)壓器穩(wěn)定電壓之后的電能，傘柄外層9中部區(qū)域開有幾個呈漸縮噴管結(jié)構(gòu)的小孔，可以將來自傘把底部的流動空氣高速噴出，實現(xiàn)人體降溫的目的，同時也可為發(fā)熱的蓄電池降溫，延長使用壽命（傘柄下端為電池保護(hù)蓋，USB口要對著）。

圖5中，傘把部分以傘把13為主體，其包括上端用于盛放直充器11、蓄電池12的支撐部分，也包括下端呈鏤空設(shè)計，用于安放風(fēng)扇電機(jī)14、風(fēng)扇15的手持傘把部分。在支撐部分中，將直充器11放置于中間處的圓形凹坑中，隨后將6個蓄電池12放置于直充器11周圍6個互呈60°角的圓形凹坑中，且6個蓄電池12之間以并聯(lián)的形式連接。除此之外，在上端支撐部位的外墻中部開設(shè)有兩個USB接口，可以實現(xiàn)對用電器等裝置的充電[3]。在下端手持傘把部分中，首先將風(fēng)扇電機(jī)14自上而下放入到其中，并通過螺釘與傘把13進(jìn)行連接，隨后將風(fēng)扇15自下而上放入手持傘把部分中，將其底端與風(fēng)扇電機(jī)14輸出端進(jìn)行連接，由風(fēng)扇電機(jī)14帶動風(fēng)扇15旋轉(zhuǎn)以此使空氣得以自下而上流通，使得風(fēng)沿傘把及傘柄外層向上傳至傘柄頂端的小孔處，提供了較大的風(fēng)力，一定程度上可降低人體表溫度。同時也可為發(fā)熱的蓄電池降溫，延長使用壽命。

除此之外，傘柄內(nèi)層10下端的電池保護(hù)蓋放置于傘把13上端支撐部分的外部，二者之間用螺栓螺母進(jìn)行連接，并且要使傘柄內(nèi)層10下端的電池保護(hù)蓋部分的USB輸出口正對著傘把13上端支撐部分的USB接口。

1.4 ?設(shè)計計算

砷化鎵光電轉(zhuǎn)換薄膜[6]的光電轉(zhuǎn)換效率，作為表征光電轉(zhuǎn)換薄膜性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，它的意義是在光照條件下，砷化鎵光電轉(zhuǎn)換薄膜最大功率與入射到該轉(zhuǎn)換薄膜上的全部輻射功率的百分比，一般采用替代法測量砷化鎵光電轉(zhuǎn)換薄膜的光電性能參數(shù)，以此獲得效率數(shù)據(jù)。實驗方法是通過標(biāo)定太陽模擬器的輻照度至標(biāo)準(zhǔn)輻照度，即調(diào)節(jié)太陽模擬器的輻照度至標(biāo)準(zhǔn)砷化鎵光電轉(zhuǎn)換薄膜短路電流輸出達(dá)到其標(biāo)定值，然后太陽模擬器狀態(tài)不變，測量被測新型砷化鎵光電轉(zhuǎn)換薄膜的I-V特性曲線，得到開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pm等參數(shù);并根據(jù)被測砷化鎵光電轉(zhuǎn)換薄膜的尺寸及有效受光面積S，計算短路電流密度Jsc、填充因子FF和光電轉(zhuǎn)換效率η，如式（1）、式（2）和式（3）：

Jsc=Isc/S ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

FF=Pm/（Voc×Isc） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

η=Pm/（S×Pin） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中，Pin為單位面積入射光功率（W/m2），S為砷化鎵光電轉(zhuǎn)換薄膜有效面積，轉(zhuǎn)換效率應(yīng)按包括柵線面積在內(nèi)的電池受光總面積來計算。

在具備標(biāo)準(zhǔn)測試條件的基礎(chǔ)上，即光源總輻照度為1 000 W/m2，具有AM 1.5 G光譜輻照度分布，測試溫度為25 ℃的基礎(chǔ)上，測試出砷化鎵光電轉(zhuǎn)換薄膜的最高轉(zhuǎn)換效率為30.5%。

2 ?應(yīng)用前景

針對目前市面上設(shè)計的產(chǎn)品大多以太陽能電池板為主，其功能單一、效率較低、蓄電不足、長期高溫縮短使用壽命等弊端。隨著節(jié)能環(huán)保理念的不斷宣傳和推廣，將薄膜太陽能電池[7]等新能源應(yīng)用于人們的生活已成為了一種發(fā)展趨勢。我們從實際出發(fā)，設(shè)計了一款太陽能充電傘，大大方便了那些炎炎夏日在外工作、旅行的人，不僅滿足人們遮陽及充電的需求，同時兼顧蓄電、降溫、照明等多項功能。充分利用可再生清潔能源包括太陽能和熱能，實現(xiàn)了清潔能源的有效合理利用，采用砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜以及設(shè)計獨(dú)特精準(zhǔn)的傘把結(jié)構(gòu)，不僅造價便宜，造型美觀，而且使用方便，收納便捷。在未來的市場及利用普遍性方面都有很大的前景。

3 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計研發(fā)的多功能太陽能充電傘滿足傘布采用的砷化鎵光電轉(zhuǎn)化薄膜轉(zhuǎn)化效率提高到30.5%，重量大約560 g，LED燈選用2X 1 W型號。外形可塑性強(qiáng)，具有柔性好、可彎曲、質(zhì)量輕、形狀可調(diào)的優(yōu)勢，耐溫性好，弱光性好，相比于單晶硅光伏系統(tǒng)，其在弱光環(huán)境下，也是可以工作的;此外，傘柄處打幾個漸縮噴管的小孔，可將傘把底端空氣抽入，可以為發(fā)熱的蓄電池降溫，解決了暴曬引起的壽命縮短問題，延長充電器使用壽命。同時，該產(chǎn)品包含充電、遮陽、降溫、照明等多項功能，便于攜帶，具有生產(chǎn)實踐的價值，同時還具備學(xué)術(shù)價值以及科學(xué)研究的意義，為多方面利用太陽能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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作者簡介：霍鈺佳（1999.10—），女，漢族，河北邢臺人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化;汪風(fēng)傳（1998.12—），男，漢族，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向：安全科學(xué)與工程;張瑤（1999.03—），女，漢族，河北唐山人，本科在讀，研究方向：安全工程。