衣物式便攜太陽能充電器

衛(wèi)倩

摘要：衣物便攜式太陽能充電器，顧名思義就是在人們的衣物上安裝一個太陽能充電器。它利用單片機(jī)的智能性對電路進(jìn)行控制，利用光伏發(fā)電的原理將太陽能轉(zhuǎn)換為電子產(chǎn)品所能利用的電能，從而解決了人們外電子產(chǎn)品沒電時的問題。首先，相對于普通充電器來說，它的充電效率高，而且對環(huán)境無污染，是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的電子產(chǎn)品，對當(dāng)前的環(huán)境污染嚴(yán)重、能源利用效率低等現(xiàn)狀有很大的改善。其次，它的造型簡單、攜帶方便，提高了人們的生活水平。

關(guān)鍵詞：衣物式;便攜;太陽能;可充電;創(chuàng)新

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）28-0243-03

Abstract：As the name implies， the clothing portable solar charger is to install a solar charger on people's clothing. Using the intelligent control circuit of single-chip microcomputer and the principle of photovoltaic power generation， the solar power generation is transformed into the power consumption of electronic products， thus solving a big problem. Compared with the ordinary charger， it has high charging efficiency and no pollution to the environment. It is an efficient， energy-saving and environmental protection electronic product， which greatly improves the current situation of serious environmental pollution and low energy utilization efficiency. Moreover， it is simple in appearance and convenient to carry， which greatly improves people's fast-paced living conditions.

Key words： clothing type; portable; solar energy; rechargeable; innovation

1引言

科技發(fā)展越來越快，人們對電子產(chǎn)品的研究也日漸深入。從富蘭克林發(fā)現(xiàn)電，到邁克爾法拉第發(fā)明了電，再到愛迪生應(yīng)用了電，人們對電力的依賴越來越強(qiáng)烈。

現(xiàn)代人經(jīng)常遇到出門在外時電子產(chǎn)品沒電而無法使用的情況。當(dāng)隨身攜帶的手機(jī)電腦、小電扇與USB燈等等電子產(chǎn)品電源耗盡，這些工具就變成了無用且占地方的“麻煩”。因此人們意識到隨時隨處可充電的充電器有多么重要。

而為什么我們以太陽能作為能源？

首先，在白天最易得到的便是太陽光。我們將太陽光作為能源，能使此產(chǎn)品更好地服務(wù)于大眾。

其次，煤炭與石油等常規(guī)能源隨著人類活動而日益減少，而保護(hù)常規(guī)能源與環(huán)境的太陽能早已應(yīng)運(yùn)而生。例如太陽能汽車、太陽能車站與太陽能路燈，以及太陽能飛機(jī)、谷歌的太陽能氣球等等。

再次，常規(guī)能源的使用不僅導(dǎo)致其儲量減少，還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。江南煤都的江西萍鄉(xiāng)中巨源村就是個慘痛的案例，而這不僅僅是個例。依靠煤生活的村民或多或少都感染了“氟病”。當(dāng)村子里的煤逐漸消失，村子里的人也隨之離去。無煤可挖的煤老板們、找尋更好發(fā)展的年輕人以及與家人團(tuán)聚的部分老年人們都離開了，村子就這么沒落了。也許不超過二十年，這個村子會消失在所有人的印象中。這也就是為什么我們傾向于保護(hù)環(huán)境的新型能源。

衣物式太陽能充電器可以保護(hù)環(huán)境，讓人們享受陽光的同時給人們使用的電子產(chǎn)品注入活力。

2衣物內(nèi)布料的布料材質(zhì)和顏色選擇

2.1布料的作用

十九大報告明確指出，我國社會主要矛盾已經(jīng)轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分發(fā)展之間的矛盾?？梢婋S著人們在全面建成小康社會的方針下，已經(jīng)不再只執(zhí)著于物質(zhì)生活，人們開始注重品質(zhì)問題。

布料不僅僅給人們帶來舒適的穿著體驗(yàn)感，它還在一定程度上減輕電子元件破裂時帶來的身體腐蝕情況。

2.2布料的材質(zhì)選擇

考慮到單一布料的優(yōu)缺點(diǎn)過于明顯，本產(chǎn)品趨向于使用滌綸和亞麻的合成布料。滌綸在絕緣、防水、耐熱性與色牢度方面優(yōu)點(diǎn)明顯。布料染成紅色后無須擔(dān)憂掉色問題。而滌綸的缺點(diǎn)也很突出。首先滌綸的吸濕性差，會給穿著者帶來熾熱感還易靜電。[1]其次滌綸容易感染塵埃，不利于清潔。

而選擇與亞麻搭配是由于它的吸濕性好[2]具有非常好的調(diào)濕性能，可以保持空氣濕度的相對穩(wěn)定效果，因此降低了滌綸給皮膚帶來的枯燥感覺。

2.3布料的顏色選擇

在紫外線防護(hù)性能方面，紅色遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出于其他顏色。[3]另外，加入二氧化鈦防曬的紅色布料對于紫外線的避免效果也更好。[4]并且二氧化鈦?zhàn)鳛槌Ｓ梦锢矸罆袼牟牧?，對人體也不會造成損害。因此，加入二氧化鈦的紅色布料為首選。

3有機(jī)薄膜太陽能電池的優(yōu)化

3.1傳統(tǒng)太陽能電池市場現(xiàn)狀

目前可做太陽能電池的材料共有五種，一是硅材料、二是有機(jī)材料、三是多元合物薄膜材料、四是多層聚合物修飾電極型太陽能材料、五則是納米晶材料。市場普遍采用的主要是非晶硅與多晶硅薄膜，它們憑借大約9%-14%的轉(zhuǎn)化率成為市場的寵兒。

可為何這些流行的太陽能電池漸漸沒落了？

首先多晶硅作為原材料其價格比較高，其次非晶硅薄膜中材料較活潑，會影響太陽能的轉(zhuǎn)化為電能的速度。因此有機(jī)薄膜太陽能電池進(jìn)入人們視線。

3.2有機(jī)薄膜太陽能電池的優(yōu)勢

有機(jī)薄膜太陽能電池，與其余太陽能電池相比共有四大優(yōu)勢：[5]

一、價格優(yōu)勢。簡單易取的原料并不煩瑣的制作工藝，對于環(huán)境完全友好，為了減低成本和減短制作周期。有機(jī)薄膜太陽能電池采用印刷和涂布的方式，就像制作報紙和雜志一樣快速。

二、更輕薄。有機(jī)薄膜太陽能電池的厚度僅是多晶硅太陽能電池硅片厚度的1/500;并且還具有卷曲的功能;這是一項(xiàng)新的突破。

三、可選顏色多種多樣。有機(jī)薄膜太陽能電池通過可以通過調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu)來改變材料的吸光范圍，而改變它的顏色。物體顏色的呈現(xiàn)是由于物體吸收了部分光，排斥了部分光，所排斥的光的總和就成了我們所看見的顏色，而有機(jī)薄膜太陽能電池可以吸收從近紫外到近紅外的全光譜系列，這給人們帶來了更好的視覺享受。

四、可以做到透明的太陽能電池。當(dāng)電池吸收的光在近紅外區(qū)域便可以實(shí)現(xiàn)完成光電轉(zhuǎn)換的同時，還能像一塊普通玻璃一樣，并且目前透明電池的光電轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了7.3%。

3.3加入石墨烯和光導(dǎo)纖維的有機(jī)薄膜太陽能電池

眾所周知，制作有機(jī)光伏電池有一種柔韌性很好的碳原子薄膜透明材料，這種新的材料叫作石墨烯。它是有一層導(dǎo)電性極好的碳原子組成的。它的厚度僅是原子級別，用它制作的石墨烯有機(jī)光伏電池可自由選擇大小。

石墨烯光有機(jī)光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上太陽能硅電池。例如每平方米的太陽能硅電池被1000瓦的太陽光照到，能轉(zhuǎn)化為把14瓦的電力。但是同樣面積的石墨烯有機(jī)光伏電池只能轉(zhuǎn)化出1.4瓦的電力，僅為太陽能硅電池的1/10，可是它的價格十分低廉。[6]

光纖太陽能電池中的光導(dǎo)纖維，這些光導(dǎo)纖維像一個極細(xì)的人類的頭發(fā)絲。[7]它使用高壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)，可以使得n、i和p型的非晶硅植入玻璃質(zhì)的光纖。與常規(guī)的太陽能電池相比同樣是通過了光生伏打效應(yīng)產(chǎn)生電能，但是絲毫不影響太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。[8]

有機(jī)薄膜太陽能電池本身最低轉(zhuǎn)化效率就比傳統(tǒng)的太陽能電池要高，那么在其中加入石墨烯和光導(dǎo)纖維將會極大地增加有機(jī)薄膜太陽能電池的市場競爭力。

4新型碳材料在染料敏化太陽能電池的應(yīng)用

4.1碳納米管與二氧化鈦在光電極的應(yīng)用

從Prashant V Kamat[9]首先將碳納米管作為引入染料敏化太陽能電池的光活性電極，讓電子可以從半導(dǎo)體內(nèi)部移動到電極中的碳基結(jié)構(gòu)。再到Kun-Mu Lee等人在二氧化鈦電極中加入多層碳納米管，第一次真正研究了多層碳納米管在染料敏化太陽能電池中所帶來的巨大影響。當(dāng)多層碳納米管的含量在合適的范圍內(nèi)增加，電荷傳遞電阻也會同時也會隨之增大。[10]

當(dāng)碳納米管的含量少時，電子的壽命會增長，同時電池的轉(zhuǎn)化效率會達(dá)到較高，所以我們考慮的是將多層碳納米管的含量控制在0.09%。

站在巨人肩膀上的Thanyarat Sawatsuk等人更深入地研究了復(fù)合電極中多層碳納米管的含量對光電轉(zhuǎn)化效率的影響。他們的實(shí)驗(yàn)得到在二氧化鈦中加入的多層碳納米管的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只需Kun-Mu Lee等人實(shí)驗(yàn)時的1/4，便能得到最好的結(jié)果，電池的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到了Kun-Mu Lee等人實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩倍。[11]

將碳材料與二氧化鈦一起作用于電極中，提高電極活性的同時，也可以促進(jìn)電子的移動，并且減少裂紋的產(chǎn)生。

4.2碳納米粉在對電極中的應(yīng)用

Prakash Joshi將碳納米粉與二氧化鈦混合作為對電極的時候，其效率與Pt作為對電極時僅有約1%的差異。因此碳納米粉加上二氧化鈦會給染料敏化太陽能電池帶來一個新的可能。[12]

S.Gagliardi等人研究結(jié)果可以得到碳納米管的電荷傳遞電阻的大小是pt催化電極大小的1/10。因此，多層碳納米管比pt電極有更低的串聯(lián)電阻和電荷傳遞電阻。它可以使得染料敏化太陽能電池對電極填充因子和效率有大幅度的提升。[13]

5總結(jié)

首先在布料上面選擇有二氧化鈦涂層的紅色的滌綸與亞麻的合成布料，在擁有最佳紫外線防護(hù)性能的同時，增加穿著舒適感。

太陽能電池早已成為市場的寵兒，而有機(jī)薄膜太陽能電池，憑借其價格優(yōu)勢、輕薄、多種色彩和完全透明，成了一匹“黑馬”。所以再加入石墨烯和光導(dǎo)纖維，并不影響有機(jī)薄膜太陽能電池的輕薄，石墨烯本身就是一種碳原子薄膜的透明材料，光導(dǎo)纖維也是人類頭發(fā)絲級別的厚度。因此加入石墨烯和光導(dǎo)纖維的有機(jī)薄膜太陽能電池，不僅不影響有機(jī)薄膜太陽能電池的優(yōu)勢，還極大地提升了有機(jī)薄膜太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的速度。

同時，我們也了解新型碳材料在染料敏化太陽能電池的應(yīng)用。將碳納米粉與二氧化鈦的合成物應(yīng)用于光電極，不僅能提高電極活性，而且極少產(chǎn)生裂痕。而碳納米粉應(yīng)用于電極時，也很大程度上加快了光能轉(zhuǎn)化為電能的效率。

因此衣物式薄膜太陽能電池是在追求舒適度的同時，盡可能地提升太陽光轉(zhuǎn)換為電能的速度。

6展望

當(dāng)傳統(tǒng)能源的儲量慢慢減少，太陽能電池?fù)碛芯薮蟮臋C(jī)會。因?yàn)樘柲茈姵卦诤艽蟪潭壬喜粌H可以提供能源還可以降低對環(huán)境的污染。

隨著人們越來越習(xí)慣電子產(chǎn)品的使用，隨身可攜帶的、轉(zhuǎn)化率較高的、輕便的太陽能電池會迅速占領(lǐng)市場，在人們的生活中留下濃墨重彩的一筆。按照目前的技術(shù)，衣物式便攜太陽能充電器已經(jīng)不是幻想，而是切實(shí)可行的技術(shù)。

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【通聯(lián)編輯：王力】