基于光伏多用一體式百葉窗的研究

石 瑩，宮德健，李帥飛，張長(zhǎng)壘，王躍翰

（燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島066000）

引言

百葉窗是居家用品，體現(xiàn)著人們的生活質(zhì)量水平，百葉窗的原始作用就是遮擋陽(yáng)光，隨著人們生活質(zhì)量的提高，百葉窗在國(guó)際上已經(jīng)有了很長(zhǎng)時(shí)間的研究，并產(chǎn)生了一系列的重大成果。長(zhǎng)期以來(lái)，作為室內(nèi)外隔絕的屏障，窗戶在房屋構(gòu)件中起到了重要的作用。窗戶的安裝設(shè)計(jì)、材質(zhì)等也在隨著科技的革新而與時(shí)俱進(jìn)。大多數(shù)用戶現(xiàn)今仍選擇市面上常見(jiàn)的平開式玻璃窗，僅起到為室內(nèi)通風(fēng)換氣、隔絕風(fēng)雨的作用，且會(huì)隨著使用年限增加而出現(xiàn)老化等問(wèn)題，影響使用效果。現(xiàn)今，一些人家也會(huì)選擇使用百葉窗，通過(guò)調(diào)節(jié)葉片的角度實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，阻擋紫外線的作用，同時(shí)通過(guò)葉片的阻擋，也可有效保護(hù)室內(nèi)人員的隱私，但百葉窗仍具有功能單一的缺點(diǎn)，有時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的采光需要。

1 問(wèn)題分析

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，生活質(zhì)量也隨之提高，越來(lái)越多的人住進(jìn)了樓房，普通的窗簾只能起到遮光的作用，還會(huì)阻礙空氣流通，如果沒(méi)有遮擋類的窗簾，則又會(huì)暴露家庭隱私。目前商務(wù)樓中百葉窗作為辦公環(huán)境的使用場(chǎng)景越來(lái)越多，也逐漸融入家用百葉窗的市場(chǎng)，針對(duì)此類問(wèn)題，本項(xiàng)目可以有效解決，其三棱柱的葉片，使其調(diào)節(jié)不同角度，既能起到遮光作用，又能有空氣流進(jìn)，產(chǎn)品前景可期，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。百葉窗是由一片一片的葉片組成的，這些葉片經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用容易積塵，清洗擦拭都比較麻煩。遮擋功能不足，百葉窗的葉子不是緊密相連的，中間還存在縫隙，所以不利于隱私的保護(hù)而且還不具有很好的隔音效果。裝飾功能較弱，不管百葉窗使用的是什么材料，但其外觀的裝飾視覺(jué)效果還是比不上豐富多彩的布藝窗簾。目前還沒(méi)有把光伏發(fā)電補(bǔ)光、空氣過(guò)濾、遮擋保護(hù)隱私、排氣噴水改善空氣濕度、檢測(cè)空氣溫度濕度這些功能都綜合在一起的一體式百葉窗，本產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外有很大的發(fā)展空間。

2 設(shè)計(jì)與制作描述

百葉窗起源于中國(guó)，但百葉窗在美國(guó)卻很流行。國(guó)外一家烏克蘭公司開發(fā)了一種太陽(yáng)能百葉窗，既能夠?yàn)樽粽趽蹶?yáng)光，又能夠充分利用太陽(yáng)能可以為用戶節(jié)省70%的電費(fèi)。智能太陽(yáng)能百葉窗可以安裝在窗戶內(nèi)部或外部，可以自動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)以遵循太陽(yáng)的位置可調(diào)整百葉窗的角度。百葉窗由SunPower 太陽(yáng)能電池制造，其使用壽命為25 年，其生成的電能可以直接使用或存儲(chǔ)在家用電池系統(tǒng)中，以便在停電之時(shí)，應(yīng)急使用。百葉窗的專利很多，改進(jìn)的也較快，光伏發(fā)電百葉窗，改善空氣質(zhì)量的百葉窗。但國(guó)內(nèi)外目前還沒(méi)有把光伏發(fā)電補(bǔ)光、空氣過(guò)濾、遮擋保護(hù)隱私、排氣噴水改善空氣濕度、檢測(cè)空氣溫度濕度這些功能都綜合在一起的一體式百葉窗，本產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外有很大的發(fā)展空間?，F(xiàn)在居民使用的窗戶如果關(guān)上，就會(huì)阻礙空氣流通，使空氣不能進(jìn)行循環(huán)；如果打開窗戶，拉上紗窗，則又會(huì)有一些顆粒等有害物質(zhì)會(huì)伴隨空氣飛進(jìn)來(lái)，為此我們?cè)诖税偃~窗的葉片上安裝上了微型空氣凈化裝置，此裝置可以過(guò)濾掉有害物質(zhì)，使進(jìn)入屋內(nèi)的空氣更加安全，使室內(nèi)空氣更加清潔，為居住者安全提供保障。風(fēng)扇內(nèi)部采用舵機(jī)進(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)控制，并配合軸承進(jìn)行，使得角度可以隨意改變，舵機(jī)具有多角度控制的作用。葉片上裝有的微型風(fēng)扇，無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，打開風(fēng)扇，既可使室外空氣流入室內(nèi)，又可把室內(nèi)空氣排出，這樣可加速空氣流通，達(dá)到室內(nèi)外空氣循環(huán)的效果，使居住環(huán)境更加安全舒適?？紤]到百葉窗上需要安裝多種用電設(shè)施，當(dāng)用戶使用該百葉窗的時(shí)候，又可以不使用自家的電能，所以在百葉窗的一面裝上了大功率太陽(yáng)能板，大面積的太陽(yáng)能板吸收大量光能，儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)化能量，利用光伏發(fā)電最大功率為儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電，既可為室內(nèi)提供光亮，使屋內(nèi)停電時(shí)能改善屋內(nèi)光照環(huán)境，又可為葉片上的電子元件供電，不會(huì)使用其他電源，為居民節(jié)省了電量，具有良好經(jīng)濟(jì)效益，提高能量利用率。三棱柱形的葉片使得陽(yáng)光能最大面積的照到太陽(yáng)能板上，同時(shí)也防止了隱私的泄露，葉片是由新型可調(diào)節(jié)透光度材料制成，在關(guān)閉百葉窗的同時(shí)，又可以調(diào)節(jié)透光度，使陽(yáng)光能夠按照居住者需求照進(jìn)室內(nèi)，達(dá)到屋內(nèi)采光充分的效果。產(chǎn)品使用霧化玻璃作為結(jié)構(gòu)材料，在自然狀態(tài)下，它內(nèi)部的液晶分子無(wú)規(guī)則地排列，液晶折射率比外面聚合物的折射率低，入射光在聚合物層發(fā)生散射，呈乳白色，即不透明。通電以后，彌散分布的液晶分子迅速?gòu)臒o(wú)規(guī)則排列變?yōu)槎ㄏ蛴幸?guī)則排列，使液晶的折射率與聚合物的折射率相等，入射光完全可以通過(guò)，形成透明狀態(tài)。不透明與透明兩種狀態(tài)可以在瞬間內(nèi)隨意轉(zhuǎn)換。

圖1 霧化原理示意圖

同時(shí)夾層使用光伏超白玻璃，這種玻璃有夾層，在這兩層玻璃之間加進(jìn)了超薄化合物，這種化合物可以吸收光能，還可以導(dǎo)電。當(dāng)太陽(yáng)光照射這種玻璃的時(shí)候，化合物可以吸收光能，轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來(lái)，這時(shí)，只要用導(dǎo)線接通，就可以用于照明或?yàn)槠渌娖鞴╇?。?80nm-1100nm 范圍內(nèi)的透過(guò)率在91%以上，有助于增加太陽(yáng)電池對(duì)入射光的吸收，獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。在光伏玻璃上鍍減反膜可以提高2.5%的透過(guò)率。該百葉窗上面裝有微型溫度檢測(cè)計(jì)和空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置。溫度檢測(cè)計(jì)實(shí)時(shí)反映室內(nèi)外溫度差，便于在居民出行時(shí)能及時(shí)了解內(nèi)外溫差，空氣質(zhì)量依然是當(dāng)代居民所關(guān)心的，該百葉窗上的空氣質(zhì)量檢測(cè)器能夠反映室外空氣質(zhì)量，使人們隨時(shí)了解室外空氣質(zhì)量，便于居民出行。兩種裝置極大的方便了人們出行，使人們能夠了解屋外情況。檢測(cè)出來(lái)室內(nèi)外差別，百葉窗上裝有存水排水功能，陰雨天時(shí)能夠儲(chǔ)存水源，在室內(nèi)空氣被檢測(cè)出干燥時(shí)自動(dòng)物化水汽進(jìn)行噴水，使室內(nèi)環(huán)境保持濕潤(rùn)，增加居民的居住舒適度?？紤]到百葉窗上需要安裝多種用電設(shè)施，當(dāng)用戶使用該百葉窗的時(shí)候，又可以不使用自家的電能，所以在百葉窗的一面裝上了大功率太陽(yáng)能板，大面積的太陽(yáng)能板吸收大量光能，儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)化能量，利用光伏發(fā)電最大功率為儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行充電，既可為室內(nèi)提供光亮，使屋內(nèi)停電時(shí)能改善屋內(nèi)光照環(huán)境，又可為葉片上的電子元件供電，不會(huì)使用其他電源，為居民節(jié)省了電量，具有良好經(jīng)濟(jì)效益，提高能量利用率。三棱柱形的葉片使得陽(yáng)光能最大面積的照到太陽(yáng)能板上，同時(shí)也防止了隱私的泄露，葉片是由新型可調(diào)節(jié)透光度材料制成，在關(guān)閉百葉窗的同時(shí)，又可以調(diào)節(jié)透光度，使陽(yáng)光能夠按照居住者需求照進(jìn)室內(nèi)，達(dá)到屋內(nèi)采光充分的效果。產(chǎn)品使用霧化玻璃作為結(jié)構(gòu)材料，在自然狀態(tài)下，它內(nèi)部的液晶分子無(wú)規(guī)則地排列，液晶折射率比外面聚合物的折射率低，入射光在聚合物層發(fā)生散射，呈乳白色，即不透明。通電以后，彌散分布的液晶分子迅速?gòu)臒o(wú)規(guī)則排列變?yōu)槎ㄏ蛴幸?guī)則排列，使液晶的折射率與聚合物的折射率相等，入射光完全可以通過(guò)，形成透明狀態(tài)。不透明與透明兩種狀態(tài)可以在瞬間內(nèi)隨意轉(zhuǎn)換。同時(shí)夾層使用光伏超白玻璃，這種玻璃有夾層，在這兩層玻璃之間加進(jìn)了超薄化合物，這種化合物可以吸收光能，還可以導(dǎo)電。當(dāng)太陽(yáng)光照射這種玻璃的時(shí)候，化合物可以吸收光能，轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來(lái)，這時(shí)，只要用導(dǎo)線接通，就可以用于照明或?yàn)槠渌娖鞴╇?。?80nm-1100nm 范圍內(nèi)的透過(guò)率在91%以上，有助于增加太陽(yáng)電池對(duì)入射光的吸收，獲得更高的光電轉(zhuǎn)換效率。在光伏玻璃上鍍減反膜可以提高2.5%的透過(guò)率。

隨著居民用電量的增大，某些城市的供電系統(tǒng)明顯供不起來(lái)，這樣就有可能不定時(shí)停電。當(dāng)在漆黑的夜晚停電時(shí)，就會(huì)影響到人們的生活，在樓房里面沒(méi)有備用電源，所以我們考慮到如果在百葉窗上裝上燈管，讓其在屋內(nèi)黑暗而又沒(méi)有電的情況下自發(fā)的提供光亮，將會(huì)極大地方便居民。三棱柱葉片上的一面安裝有照明燈管，鄰面的太陽(yáng)能板吸收的光能用來(lái)為燈管供。白天，陽(yáng)光充足的時(shí)候，太陽(yáng)能板可以吸收大量光能，用來(lái)為燈管，微型風(fēng)扇等其他用電設(shè)施提供電能。當(dāng)下雨陰天，夜晚家中停電時(shí)用戶可不必點(diǎn)燃蠟燭來(lái)供亮，如果安裝了這扇百葉窗，它就會(huì)自動(dòng)為您提供光亮，不用自家電源，利用太陽(yáng)能供電，具有良好經(jīng)濟(jì)效益，用來(lái)方便用戶，為用戶提供良好的體驗(yàn)。百葉窗的一個(gè)普遍作用是遮擋強(qiáng)烈的陽(yáng)光，在夏天干燥的空氣流進(jìn)室內(nèi)會(huì)使居民煩躁，而安裝在這扇百葉窗上的排水集水并霧化水裝置會(huì)解決這個(gè)問(wèn)題。三棱柱葉片內(nèi)部裝有排水集水裝置，既可在下雨天時(shí)收集雨水儲(chǔ)存起來(lái)，也可以居民向其內(nèi)部加水，收集起來(lái)的水可以長(zhǎng)時(shí)間存放，當(dāng)百葉窗檢測(cè)出室內(nèi)的空氣變得干燥時(shí)，將會(huì)啟動(dòng)排水功能，儲(chǔ)存的水會(huì)以霧氣的形式噴出，其內(nèi)部的霧化裝置會(huì)把其中要排出的水變成氣體，再由微型風(fēng)扇進(jìn)行排出，但這個(gè)過(guò)程不會(huì)消耗室內(nèi)的電量，而是消耗百葉窗上太陽(yáng)能板儲(chǔ)存起來(lái)的電能。該百葉窗上面裝有微型溫度檢測(cè)計(jì)和空氣質(zhì)量檢測(cè)裝置。溫度檢測(cè)計(jì)實(shí)時(shí)反映室內(nèi)外溫度差，便于在居民出行時(shí)能及時(shí)了解內(nèi)外溫差，空氣質(zhì)量依然是當(dāng)代居民所關(guān)心的，該百葉窗上的空氣質(zhì)量檢測(cè)器能夠反映室外空氣質(zhì)量，使人們隨時(shí)了解室外空氣質(zhì)量，便于居民出行。

3 設(shè)計(jì)目標(biāo)與解決技術(shù)問(wèn)題

制作出一款光伏多用一體式百葉窗，既可以實(shí)現(xiàn)在白天透光、儲(chǔ)光，夜晚給光，還可以凈化污濁空氣，同時(shí)也能監(jiān)控室外天氣及空氣質(zhì)量，檢測(cè)室內(nèi)溫度，調(diào)節(jié)濕度，在為住戶提供優(yōu)質(zhì)的室內(nèi)環(huán)境的同時(shí)，節(jié)約能源，綠色環(huán)保。

實(shí)現(xiàn)方案：（1）通過(guò)對(duì)于產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以達(dá)到一體化及智能聯(lián)動(dòng)的作用，將機(jī)械結(jié)構(gòu)與智能化電氣元件相結(jié)合，并解決傳統(tǒng)百葉窗的不同弊端。設(shè)計(jì)產(chǎn)品外形，采用三棱柱形狀，使產(chǎn)品功能合理實(shí)現(xiàn)，既增大透光率，又增大折光率，更好的保護(hù)人們隱私。（2）結(jié)合新材料光伏發(fā)電等功能，實(shí)現(xiàn)能源的重復(fù)回收與利用。設(shè)計(jì)太陽(yáng)能裝置，通過(guò)吸收陽(yáng)光，并將光能轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)存能量，為葉片上用電設(shè)施供電，為室內(nèi)補(bǔ)充光源，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)計(jì)葉片材料，可調(diào)節(jié)透明度，可遮可透，提高陽(yáng)光利用率。（3）對(duì)于多角度適應(yīng)環(huán)境，采用履帶式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可以多角度的調(diào)節(jié)百葉窗位置，實(shí)現(xiàn)功能合理化。（4）對(duì)于排糞系統(tǒng)進(jìn)行多角度控制，加快室內(nèi)外空氣流通速度。設(shè)計(jì)微型排氣扇，達(dá)到存水排水功能，使外面新鮮空氣流進(jìn)屋內(nèi)，使屋內(nèi)氣體排到外面，當(dāng)屋內(nèi)空氣干燥時(shí)，啟動(dòng)排水功能，增大屋內(nèi)的空氣濕度。設(shè)計(jì)空氣過(guò)濾系統(tǒng)，改善室內(nèi)空氣環(huán)境，提供更加安全的居住環(huán)境。（5）對(duì)于空氣霧化裝置使用階段調(diào)控，設(shè)置微型機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制出水口的流量及方向，合理有效控制環(huán)境濕度與室內(nèi)環(huán)境。選擇合適的溫度檢測(cè)計(jì)，反映室內(nèi)外的溫度差，使使用者了解內(nèi)外溫差。設(shè)計(jì)產(chǎn)品形態(tài)變化，便于裝卸，方便清洗與攜帶，滿足使用者的多種需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用三棱柱的外形做葉片，使葉片內(nèi)部可以有空間來(lái)安裝更多的零件，目前單片狀百葉窗從某個(gè)特殊角度看，仍可以看見(jiàn)室內(nèi)，會(huì)涉及人們的隱私，用三棱柱可以調(diào)節(jié)不同角度，保護(hù)人們隱私。葉片上安裝微型智能排風(fēng)扇，以及存水排水功能，采用霧化水汽裝置，用來(lái)改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量，加速空氣流通，保持濕度，本產(chǎn)品提供更好的室內(nèi)環(huán)境，更加舒適。產(chǎn)品安裝了溫度測(cè)量計(jì)、空氣濕度檢測(cè)器以及空氣過(guò)濾器，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)室內(nèi)外溫度和濕度差，便于人們了解室內(nèi)溫差，空氣過(guò)濾器過(guò)濾掉有害氣體，使室內(nèi)空氣更加清潔，為居民安全提供了保障，可以調(diào)節(jié)透明度的新型材料，以達(dá)到給屋內(nèi)采光充分的效果。有太陽(yáng)能裝置，通過(guò)陽(yáng)光照射吸收熱量并對(duì)能量進(jìn)行儲(chǔ)存利用，設(shè)計(jì)室內(nèi)光源補(bǔ)給，通過(guò)百葉窗的自發(fā)電供電設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)光源補(bǔ)給，改善室內(nèi)光照環(huán)境，保證透光度，滿足用戶對(duì)于產(chǎn)品的多種需求。