節(jié)能太陽能充電鞋設(shè)計*

王林虎，黃天成※，陳澤群，余鄭偉，張子文，楊 靜

（1.長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，人們也在不斷地追求自己生活品質(zhì)的改善與提升，在一些寒冷天氣或者嚴(yán)寒地域，各式各樣的保暖用品層出不窮，其中保暖鞋便是其中一種。而結(jié)合現(xiàn)今不可再生資源的日益減少以及綠色節(jié)能生活的主題下[1]，馬曉歡等[2]提出了一種太陽能取暖鞋，設(shè)計構(gòu)思新穎，但其結(jié)構(gòu)簡單，將太陽能板、蓄電池等整個太陽能系統(tǒng)均置于鞋面上，對使用者的舒適性和鞋子的美觀性將造成極大影響，其次，太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)電效率不高，如果完全依靠太陽能為其充電來實現(xiàn)足部保暖功能，其在太陽能不充足的時候，就將出現(xiàn)能源供應(yīng)不足、充電時間長的問題。

本文提出的節(jié)能太陽能充電鞋將普通電熱鞋與太陽能充電系統(tǒng)結(jié)合在一起，將整個太陽能充電系統(tǒng)的元件置于鞋底安裝槽內(nèi)，并使用蓋板及直流太陽能充電控制器進(jìn)行保護(hù)，保證了鞋子使用的安全性，改進(jìn)了上述的鞋子舒適性和美觀性不足的缺點。又增加了外部能源供給裝置，在能源無法得到保障的情況下，直接使用外部電源給鋰電池充電，解決了能源供應(yīng)不足的問題。將太陽能充電與外部電源直接供給相結(jié)合，在保證電熱鞋原有保暖足部功能能夠?qū)崿F(xiàn)的基礎(chǔ)上，又對太陽能這類綠色能源進(jìn)行合理開發(fā)使用[3]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計在普通電熱鞋所具有的鞋體、電熱鞋墊的基礎(chǔ)上，增加了柔性薄膜太陽能板、直流太陽能充電控制器及鋰電池等零部件，組成一太陽能轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)太陽能的轉(zhuǎn)換利用，并使用一外部能源供應(yīng)裝置，在太陽能轉(zhuǎn)化效率過低時，以保證能源供應(yīng)充足。

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該具有太陽能充電功能的電熱鞋，將普通鞋子、碳纖維電熱鞋墊及直流太陽能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合在一起，將鋰電池和直流太陽能充電控制器安放在鞋底安裝槽內(nèi)的，電熱鞋墊置于鞋內(nèi)，鞋面上裝柔性薄膜太陽能板，在鞋底側(cè)面開一外部能源充電接口，如圖1所示。

圖1 節(jié)能太陽能充電鞋整體結(jié)構(gòu)

1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在鞋底的安裝槽內(nèi)放置鋰電池和直流太陽能充電控制器，并通過蓋板進(jìn)行保護(hù)固定，柔性薄膜太陽能板使用粘膠固定于鞋面。利用電線將碳纖維電熱鞋墊、鋰電池、直流太陽能充電控制器、柔性薄膜太陽能板依次連接，構(gòu)成一個直流太陽能充電系統(tǒng)，使太陽能系統(tǒng)的充電功用得以完成，如圖2所示。

圖2 節(jié)能太陽能充電鞋鞋底內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在鞋底側(cè)面開有一與鞋底電池安裝槽連通的通孔，用于放置鋰電池充電接口，當(dāng)太陽能不充足時，電熱鞋將存在充電效率低的問題，可通過該接口對鋰電池進(jìn)行直接充電，彌補(bǔ)能量供應(yīng)不足的問題，如圖3所示。

圖3 鞋底充電接口位置

2 工作原理及用途分析

2.1 工作原理

太陽能作為一種清潔的可再生資源，其具備安全、綠色可靠、資源充足等這些長處，在全球各地應(yīng)用廣泛。目前的太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池組、蓄電池以及太陽能充放電控制器3大部件組成。太陽能發(fā)電有光熱發(fā)電和光伏發(fā)電[4]兩種方式，而平時所說的太陽能發(fā)電，就是上述兩種發(fā)電模式中的光伏發(fā)電。光伏發(fā)電[5]經(jīng)過半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，將外界照射于太陽能板上的光能轉(zhuǎn)化成電能，并在控制器的保護(hù)下，將轉(zhuǎn)換的電能儲存在太陽能電池中，這種技術(shù)的得以實現(xiàn)就在于太陽能電池的使用。將小塊的電池串聯(lián)成大面積的太陽能電池組，再對其加以封裝保護(hù)，再結(jié)合蓄電池、太陽能充放電控制器等元件，這樣就組成一個完整的太陽能充電系統(tǒng)。本設(shè)計也就是運(yùn)用了此原理來利用太陽能的，研究表明光伏發(fā)電方式有兩種，分別介紹如下。

（1）光——熱——電轉(zhuǎn)換方式

這種方式利用了光熱轉(zhuǎn)換、熱電轉(zhuǎn)換兩種原理，通過將太陽光的輻射能進(jìn)行收集，轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為電能儲存起來的過程。第一個過程使用了光熱轉(zhuǎn)換原理，第二個過程使用了熱電轉(zhuǎn)換原理，其原理與火力發(fā)電相似。

（2）光——電直接轉(zhuǎn)換方式

這是一種利用光電效應(yīng)進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化的方式，其直接將照射在太陽能板上的光能轉(zhuǎn)換為電能儲存于系統(tǒng)中的蓄電池內(nèi)，因此對光電轉(zhuǎn)換的材料也有較高要求，目前主要使用的材料有單晶硅、多晶硅和非晶硅3類[6]。

本節(jié)能太陽能充電鞋的設(shè)計便使用的是光——電直接轉(zhuǎn)換方式，將太陽能系統(tǒng)轉(zhuǎn)化而來的電能儲存在安裝在鞋底內(nèi)的鋰電池中，再供給加熱碳纖維鞋墊所需的能量，實現(xiàn)足部保暖的功能。再配以外部電能供給裝置，應(yīng)對可能出現(xiàn)的能源供應(yīng)不足的問題，其整體轉(zhuǎn)化流程如圖4所示。

圖4 整體轉(zhuǎn)換流程

2.2 元件介紹

因為鞋面是曲面，不能使用常規(guī)的太陽能板，所以采用柔性薄膜太陽能板[7]，其具有性能優(yōu)良、成本低的優(yōu)點，光電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)50～60 W/m2，此外，使用柔性薄膜太陽能板將能夠最大限度地對鞋面上的空間進(jìn)行利用，以達(dá)到最大光電轉(zhuǎn)換量，提升節(jié)能太陽能充電鞋的充電效率。

由于太陽能的蓄電池是置于鞋底的安裝槽內(nèi)的，故不能采用普通的鉛酸電池，其重量過大，將會極大增加鞋子的重量，影響使用者的舒適性。而鋰電池具有重量輕、高溫適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長等特點，適合于在鞋內(nèi)這種較高溫度的環(huán)境下使用，也不會對鞋體的重量造成較大影響，故選用鋰電池[8]作為節(jié)能太陽能充電鞋的電池。

為了保證直流太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中加入直流太陽能充電控制器[9]，其連接于柔性薄膜太陽能板與鋰電池之間，能夠在太陽能系統(tǒng)充電過程中起到防止充電過滿和保護(hù)鋰電池的作用，在鋰電池電量達(dá)到飽和時，及時切斷系統(tǒng)的充電電流，中止通電狀態(tài)，并通過控制器上的指示燈指示電池狀態(tài)，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 太陽能充電控制器

選用碳纖維[10]作為節(jié)能太陽能充電鞋的鞋墊材料，相較于普通電熱鞋使用電阻絲作為電熱鞋的電熱材料，碳纖維電熱材料具有發(fā)熱快、健康環(huán)保、使用壽命長等明顯優(yōu)勢，且其也具有一定的防水性，對于一些容易出腳汗的用戶，它的使用安全性也較高。

2.3 用途分析

在一些寒冷季節(jié)或者我國西北方這類嚴(yán)寒地區(qū)，無論是在室內(nèi)還是室外，人們都經(jīng)常會出現(xiàn)手腳冰涼，且一直無法恢復(fù)正常溫度的現(xiàn)象，這主要是由于天氣寒冷，外界環(huán)境溫度低所造成的。此外，除了外界溫度的影響，對于一些工作長時間不活動的工作人群，因長期沒有活動，足部的血液流動減慢，也易出現(xiàn)腳冰涼的情況。而結(jié)合我國目前的地理環(huán)境，南北跨度較大，太陽能資源分布也極為廣泛，再加之我國人口基數(shù)巨大，出現(xiàn)上述情況的人群也一定不在少數(shù)，對足類保暖的需求人群也將是龐大的，因此該節(jié)能太陽能充電鞋的市場應(yīng)用前景是巨大的。

本設(shè)計最主要的性能就是保溫取暖，通過太陽能轉(zhuǎn)換的電能給鞋墊加熱，從而達(dá)到保溫取暖的作用，長期使用此款電熱鞋還能起到活血、活絡(luò)，促進(jìn)人體的新陳代謝，起到強(qiáng)身健體和加強(qiáng)機(jī)體的免疫功能的作用，還能夠預(yù)防感冒及腳部凍瘡等[11]。其適用人群有：

（1）體質(zhì)較弱、血液循環(huán)不暢這類冬季畏寒人群，如老年人；

（2）需要在一些環(huán)境溫度低的情況下工作的人群，如環(huán)衛(wèi)工、石油勘探、冷庫工作人員等；

（3）長期久坐而缺乏活動的辦公室人群，公交客運(yùn)司機(jī)等；

（4）交警巡查、部隊小區(qū)站崗人群；

（5）冬季怕冷的普通人群。

但其也具有一定的局限性，因為該節(jié)能太陽能充電鞋的工作原理是通過太陽能系統(tǒng)進(jìn)行太陽能到電能的轉(zhuǎn)換，其除了太陽能系統(tǒng)本身轉(zhuǎn)化效率的影響外，還與柔性薄膜太陽能板的面積有關(guān)。上述介紹都是以成年人的鞋子大小為基礎(chǔ)進(jìn)行的設(shè)計與計算，但對于兒童這類足部較小的用戶群體來說，其鞋體本身較小，因此，太陽能系統(tǒng)的各類元件規(guī)格也需隨之減小，光電轉(zhuǎn)換效率也將造成影響。

3 理論計算

該節(jié)能太陽能充電鞋選擇碳纖維加熱片作為鞋墊加熱材料，鋰電池作為太陽能蓄電池。其中鞋墊工作電壓U＝7.4 V，工作電流I＝0.5 A，鋰電池容量3 000 mA·h，可發(fā)熱時間t＝6 h，則工作總輸出：

太陽能系統(tǒng)采用光－電直接轉(zhuǎn)換的方式，柔性薄膜太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換率η＝50～60 W/m2，鞋面上柔性薄膜太陽能板面積S＝0.02 m2，則利用太陽能系統(tǒng)充滿電所需時間為：

4 結(jié)束語

該節(jié)能太陽能充電鞋的研究設(shè)計采用了當(dāng)前應(yīng)用廣泛的太陽能發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)，并考慮到電熱鞋使用的安全性、舒適性及美觀性，在普通電熱鞋的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，增加了太陽能充電系統(tǒng)和外部能源輔助部分。在實現(xiàn)了電熱鞋的保暖功能的同時，又對太陽能這類清潔能源進(jìn)行了合理的開發(fā)與利用，節(jié)能環(huán)保。采用了鋰電池、柔性薄膜太陽能板、太陽能充電控制器、碳纖維電熱鞋墊等元件，并在鞋底內(nèi)設(shè)置了安裝槽，優(yōu)化了太陽能系統(tǒng)的發(fā)電效率，增加了使用者的舒適性，提高了產(chǎn)品的安全性，解決了現(xiàn)有的太陽能取暖鞋存在的光電效率低、能源供應(yīng)不足的問題。