衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器

衛(wèi)倩

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽合肥，230601）

0 引言

普通常規(guī)的太陽(yáng)能電池為了保證有足夠的光電轉(zhuǎn)換效率，往往會(huì)比較笨重。原本設(shè)計(jì)衣物式便攜太陽(yáng)能充電器時(shí)，因?yàn)榭紤]到太陽(yáng)能電池較重不利于便攜，且為了達(dá)到快充的目的而只嘗試如何提升光電轉(zhuǎn)換效率。即便光電轉(zhuǎn)換效率較高，衣物式便攜太陽(yáng)能充電器的使用條件比較苛刻，這對(duì)于產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)十分不利。使用衣物式便攜太陽(yáng)能充電器共有以下兩個(gè)條件與缺陷：

（1）受環(huán)境影響大。光照必須足夠強(qiáng)才能使產(chǎn)品能夠獲得足夠的光照。光照是直接影響光電轉(zhuǎn)換速率的基礎(chǔ)條件。

（2）無(wú)法儲(chǔ)存電量。太陽(yáng)能充電器是以太陽(yáng)能電池為核心器件。為了更加輕便與環(huán)保因素，沒(méi)有加上儲(chǔ)蓄電池。因此衣物式便攜太陽(yáng)能充電器只能將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，無(wú)法做到儲(chǔ)蓄電能。使用者穿戴使用過(guò)程中，從光照強(qiáng)的地方走入陰影處，會(huì)直接無(wú)法供電。

因此在衣物式便攜太陽(yáng)能充電器做了優(yōu)化后的—衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器。首先，為了環(huán)保與輕便，還是不加入儲(chǔ)蓄電池。為了避免出現(xiàn)當(dāng)衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器不會(huì)因?yàn)闆](méi)有光照而立刻無(wú)法供能的現(xiàn)象，智能調(diào)控電流的速率是一個(gè)可行的思路。當(dāng)有強(qiáng)光照的條件下，可以使用高光電轉(zhuǎn)換效率的充電方式；當(dāng)即將步入陰暗處，將電流速率變慢，做到弱光照甚至無(wú)光照的條件下也可以實(shí)現(xiàn)充電功能。此外，衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器需要設(shè)置多個(gè)接口，去做到盡量滿足使用者對(duì)于戶外小型移動(dòng)電子設(shè)備的充電需求。

1 充電接口設(shè)計(jì)

為了滿足使用者對(duì)于常見(jiàn)移動(dòng)電子設(shè)備的充電需求，選擇并篩選了主要的接口，如表1 所示。接口選用了一些戶外常見(jiàn)使用的手機(jī)接口、筆記本電腦以及相機(jī)類產(chǎn)品的配備的型號(hào)。衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器依舊只適用于應(yīng)急情況。如很多筆記本電腦依舊是傳統(tǒng)DC 接口，這種圓形孔的充電接口往往被需要配備變壓器，這并不符合便攜的特點(diǎn)。

表1 適用接口類型

接口的數(shù)量與使用者使用的便捷性無(wú)疑是呈現(xiàn)正態(tài)分布的。接口數(shù)量多，會(huì)不利于接口位置設(shè)計(jì)，也不利于使用者進(jìn)行接口類型識(shí)別。因此，衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器配備8 個(gè)接口，足以滿足人們?nèi)粘Ｍ獬龅某潆娦枨蟆?/p>

接口的位置設(shè)置共有兩個(gè)方案：方案一是利用衣物下擺位置進(jìn)行接口的固定。衣物的俯視圖所得出的是一個(gè)近圓形的圖案。這有利于接口間有距離的分開(kāi)固定。但穿戴衣物時(shí)，常用的會(huì)是衣物正方下擺處的充電接口。這會(huì)導(dǎo)致接口設(shè)計(jì)不便于使用。方案二是將接口固定于衣物正前方替代扣子的使用。將接口分別等距固定在衣物兩側(cè)，接口外側(cè)套有磁吸式保護(hù)套，可以與另一側(cè)接口的保護(hù)套直接合并。使用時(shí)可以直接將接口從保護(hù)套中取出。如圖1 所示接口可被磁吸保護(hù)套保護(hù)，延遲其使用壽命。兩端的磁吸保護(hù)套會(huì)自動(dòng)吸引，可以避免保護(hù)套的丟失，也可以使得穿著者省去扣扣子的麻煩。實(shí)際穿著時(shí)，使用者可以直接采取套頭式穿法來(lái)保護(hù)接口。

圖1 接口設(shè)計(jì)圖

如果拋棄所有接口，使用無(wú)線充電其實(shí)會(huì)更便于使用。但是無(wú)線充電利用磁場(chǎng)變化進(jìn)行充電。設(shè)計(jì)中使用的磁簧開(kāi)關(guān)會(huì)因?yàn)檫@個(gè)產(chǎn)生影響。故不選用無(wú)限充電的方式。并且利用無(wú)線充電的移動(dòng)電子設(shè)備，基本只面向于手機(jī)。這會(huì)造成使用者的不便。

2 智能儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不同移動(dòng)電子設(shè)備接受的最大電流不同，根據(jù)電流的大小可以滿足不同的充電需求。如led 燈所需的電流會(huì)比較小，以此來(lái)保證led 燈可以使用較長(zhǎng)時(shí)間；而急需充電的手機(jī)與筆記本電腦等可以增大輸出電流來(lái)減少使用者使用缺電的電子設(shè)備造成的不適感。因此為了解決僅有的太陽(yáng)能電池?zé)o法完成的供電情況，設(shè)計(jì)了用電容替代儲(chǔ)蓄電池對(duì)接口處連接的設(shè)備進(jìn)行充放電。因此用電容進(jìn)行了儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

從圖2 中可以看出，儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是由逆變器、并聯(lián)電容于整流器組成。電容接受和釋放的均是交流電，而移動(dòng)電子設(shè)備用直流電是更普遍的。因此太陽(yáng)能電池獲得光源處的能量轉(zhuǎn)換成電流，在逆變器完成直流電向交流電的轉(zhuǎn)換。這也是讓電容進(jìn)行充電的過(guò)程。逆變器共有兩個(gè)作用：①電容無(wú)法使用直流進(jìn)行充電，逆變器可以將太陽(yáng)能電池輸出的直流電轉(zhuǎn)變成電容所需要的交流電。②逆變器還可以使電容無(wú)法對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行放電過(guò)程。太陽(yáng)能電池接受到電容的放電，會(huì)縮短太陽(yáng)能電池的使用壽命。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

電容的電容量與其能儲(chǔ)存的電量是正比關(guān)系。大容量的電容成本會(huì)更高，所以此處采用多個(gè)同規(guī)格的電容進(jìn)行并聯(lián)來(lái)儲(chǔ)存電量。之所以用同個(gè)規(guī)格的電容是因?yàn)椴煌娙輰?duì)于電壓的要求不同，從產(chǎn)品的實(shí)用性與安全性看，同個(gè)規(guī)格的電容更便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和儲(chǔ)蓄功能實(shí)現(xiàn)。

磁吸式保護(hù)套會(huì)吸引內(nèi)側(cè)開(kāi)關(guān)，使用時(shí)將磁吸式保護(hù)套拿下，此接口的磁性開(kāi)關(guān)閉合，所有電容開(kāi)始向此接口進(jìn)行充電過(guò)程。當(dāng)磁吸式保護(hù)套位于接口上，磁力使磁簧開(kāi)關(guān)呈現(xiàn)斷開(kāi)狀態(tài)。

電容使用時(shí)輸出電流為交流電，移動(dòng)電子設(shè)備所需電流是直流電。因此在并行電容與接口之間加入整流器。加入整流器最主要的目的是將交流電轉(zhuǎn)變成直流電供給移動(dòng)電子設(shè)備充電使用。同時(shí)加入整流器，可以延長(zhǎng)電流在衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器中的過(guò)程，很大程度上改善出現(xiàn)使用者一旦位于陰影處電流立馬消失的現(xiàn)象。

3 智能開(kāi)關(guān)的使用

隨著社會(huì)時(shí)代的發(fā)展，智能開(kāi)關(guān)開(kāi)始改善人們的生活。智能開(kāi)關(guān)可以檢測(cè)數(shù)據(jù)并發(fā)送至移動(dòng)手機(jī)app，也可以實(shí)時(shí)或定時(shí)控制開(kāi)關(guān)使用電器。在衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器中應(yīng)用智能開(kāi)關(guān)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有電流泄漏問(wèn)題；還可以檢測(cè)各硬件的使用情況去進(jìn)行及時(shí)的進(jìn)行更換維修；最關(guān)鍵的是可以智能控制電流位于衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器中的各器件使用。

設(shè)計(jì)衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器中共使用兩個(gè)智能開(kāi)關(guān)與8 個(gè)智能磁簧開(kāi)關(guān)。如圖3 所示，智能開(kāi)關(guān)1 通過(guò)手機(jī)控制太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電流是直接流向接口還是要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能電路再流向接口，也可控制同時(shí)進(jìn)行電流的輸出。智能開(kāi)關(guān)內(nèi)也加入電流表去檢測(cè)電流大小。因此智能開(kāi)關(guān)1與智能開(kāi)關(guān)2 之間檢測(cè)出的電流進(jìn)行分析，即可檢測(cè)是否有漏電現(xiàn)象發(fā)生，保證產(chǎn)品使用者的安全性。

圖3 整體原理圖

此外，智能開(kāi)關(guān)還應(yīng)用于磁性開(kāi)關(guān)位置處。磁性開(kāi)關(guān)閉合原本是通過(guò)接口處的磁性保護(hù)套控制。磁性會(huì)隨著使用時(shí)間變長(zhǎng)而減弱。將智能開(kāi)關(guān)用于磁性開(kāi)關(guān)中，直接通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，實(shí)施檢測(cè)充電接口的輸出電流數(shù)值發(fā)送至手機(jī)端。當(dāng)磁性開(kāi)關(guān)因磁性減弱而無(wú)法使用時(shí)，直接通過(guò)手機(jī)控制多個(gè)智能磁簧開(kāi)關(guān)的使用狀態(tài)。

智能開(kāi)關(guān)在衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器中，主要起到的作用共有兩點(diǎn)，一是控制電池的大??；二就是檢測(cè)各個(gè)開(kāi)關(guān)呈現(xiàn)閉合狀態(tài)或斷開(kāi)狀態(tài)。

4 智能磁簧開(kāi)關(guān)

一般磁簧開(kāi)關(guān)[1]沒(méi)有磁場(chǎng)影響時(shí)，可切換的簧片與常閉簧片接觸，這也就是斷開(kāi)現(xiàn)象。因?yàn)榇判员Ｗo(hù)套的保護(hù)作用，所以將可切換簧片在無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)與常開(kāi)簧片接觸。這樣使得有磁性保護(hù)套位于接口上時(shí)，磁簧開(kāi)關(guān)因?yàn)榇帕τ绊懪c常閉簧片接觸，處于斷開(kāi)狀態(tài)。

將磁簧開(kāi)關(guān)與智能開(kāi)關(guān)的功能融入，形成智能磁簧開(kāi)關(guān)。智能磁簧開(kāi)關(guān)中具有電流表來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控電流數(shù)據(jù)，當(dāng)電流數(shù)值過(guò)大進(jìn)行斷電功能。同時(shí)將電流信息發(fā)送到手機(jī)端，以供實(shí)時(shí)查閱。通過(guò)手機(jī)端也可以智能控制個(gè)磁性開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)?？紤]到磁性開(kāi)關(guān)受磁力條件下，磁力保護(hù)套的影響比較小時(shí)，通過(guò)手機(jī)端app 來(lái)控制開(kāi)關(guān)閉合。

圖4 整體硬件電路圖

設(shè)置智能磁簧開(kāi)關(guān)的目的是讓使用者可以大幅度的利用太陽(yáng)光產(chǎn)生的電能。當(dāng)使用者將衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器放于家中陽(yáng)臺(tái)的能接受到光照的地方給移動(dòng)電子設(shè)備充電。使用者檢測(cè)到移動(dòng)電子設(shè)備滿電狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)智能磁性開(kāi)關(guān)進(jìn)行斷電工作，而無(wú)需實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 總結(jié)

衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器考慮了兩種方案。通過(guò)手機(jī)端控制智能開(kāi)關(guān)的接入電路。當(dāng)光源較強(qiáng)，太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化的光源會(huì)一部分流向儲(chǔ)能系統(tǒng)，一部分直接通過(guò)導(dǎo)線供給接口進(jìn)行電子設(shè)備的充電。而當(dāng)光源較弱時(shí)，太陽(yáng)能電池所能轉(zhuǎn)化的電能全部供給電子設(shè)備后，由儲(chǔ)能元件替代太陽(yáng)能電池完成充電。而選擇何種方案，是有使用者在手機(jī)端app自己控制，以此來(lái)達(dá)到使用者的對(duì)于不同移動(dòng)電子設(shè)備充電的需求。

在儲(chǔ)能元件中，用并聯(lián)電容器替代儲(chǔ)能電池可以極大地減輕重量，并且對(duì)于環(huán)境的友好度會(huì)較高。儲(chǔ)能電池的原料一般會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，而電容元件造成的危害會(huì)更小。而之所以使用并聯(lián)電容器，是因?yàn)閱蝹€(gè)電容的電容量無(wú)法達(dá)到要求。當(dāng)電容量越大，所能儲(chǔ)存的電能也就越大。并聯(lián)電容器用同種規(guī)格的多個(gè)電容進(jìn)行并聯(lián)，同規(guī)格會(huì)導(dǎo)致電容電壓不同而導(dǎo)致無(wú)法正常工作。將同種規(guī)格的電容器并聯(lián)在一起時(shí)，電容量會(huì)大幅度提升。同時(shí)使用多個(gè)同規(guī)格的電容比大容量電容的制作成本要更低，維修成本也更便宜。當(dāng)電容出現(xiàn)損壞的情況下，并聯(lián)也不會(huì)很快影響到整體供電。

儲(chǔ)能系統(tǒng)中加入逆變器和整流器，是進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)變。一是可以適當(dāng)延長(zhǎng)電流的傳輸速率。二是讓并聯(lián)電容作為儲(chǔ)能器件正常工作。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)也在于使用并聯(lián)電容替代儲(chǔ)蓄電池使用來(lái)保護(hù)環(huán)境且易于便攜。以及將智能開(kāi)關(guān)應(yīng)用于磁簧開(kāi)關(guān)中，使得使用者可以通過(guò)手機(jī)app 控制智能開(kāi)關(guān)的狀態(tài)來(lái)選用適合自己的模式。

6 展望

隨著智能化水平越來(lái)越高，人們對(duì)移動(dòng)電子設(shè)備的依賴越來(lái)越深。當(dāng)人們對(duì)于移動(dòng)電子設(shè)備的接口擁有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以將衣物式智能便攜太陽(yáng)能充電器的口設(shè)計(jì)復(fù)雜度大幅度降低。

為了提升衣物式便攜編寫(xiě)太陽(yáng)能充電器的智能化程度，是否可以將移動(dòng)電子設(shè)備接一個(gè)反饋到智能開(kāi)關(guān)1 處，進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)電量，滿電時(shí)自動(dòng)斷電。而這需要與移動(dòng)電子設(shè)備進(jìn)行一個(gè)信息交換過(guò)程。為了保證智能開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)確性，是否可以檢測(cè)移動(dòng)電子設(shè)備滿電后給移動(dòng)手機(jī)發(fā)送斷電請(qǐng)求。使用者結(jié)合電流數(shù)據(jù)判斷情況是否屬實(shí)。這是未來(lái)需要研究的。