自帶太陽能傘的多功能背包設(shè)計制作

張?zhí)鞊?+龔宗晟

日常生活中，我們現(xiàn)在越來越多地接觸到各種太陽能的利用方式，最常見的有太陽能熱水器、太陽能路燈等等，太陽能作為一種清潔的可再生能源，具有數(shù)量巨大、時間長久、分布廣闊、獲取方便無污染等特點(diǎn)。有了一些對于太陽能的基本認(rèn)識和了解，我們就想到人們假日戶外旅游的時候，經(jīng)常需要背雙肩包，手里再打一個遮陽傘，爬山或者要照相時，感覺很不方便。如果把遮陽傘能固定在背包上，就可以把手解放出來。同時對遮陽傘進(jìn)行改造，在傘面上裝上太陽能電池，還可以隨時給手機(jī)或電池充電，解決長時間戶外出行時電手機(jī)電量不足帶來的麻煩。這樣一來，不僅能為他們的出行帶來方便，同時也充分利用了身邊的可再生能源，一舉兩得。

1設(shè)計思路

本設(shè)計制作主要材料有：背包、雨傘、太陽能電池板、太陽能控制器以及鋰電池等。太陽能電池板安放在傘的表面，傘通過改裝之后固定于拉桿背包的拉桿上，通過太陽能控制板將太陽能電池板產(chǎn)生的電能儲存于鋰電池當(dāng)中，用鋰電池再給手機(jī)或其它電器充電 。這樣人們在旅行時就可以背上背包，背包固定了遮陽傘，既解放了雙手，也能起到遮陽的作用，同時還能有效利用太陽能來充電。

2制作過程

2.1太陽能電池板的選擇

我們所選用的單塊太陽能電池板的額定電壓為1.5～2.0V，電流為250mA。太陽能電池所產(chǎn)生的電能主要是用于鋰電池充電，一般情況下，直充電壓為5.0V。制作前我先進(jìn)行了試驗(yàn)，首先在弱光情況下試驗(yàn)，單個電壓過低，只有不到1V，便采用六塊板串聯(lián)的連接方式，經(jīng)過測試，電壓可以達(dá)到5V以上。之后我們又在光強(qiáng)適宜情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)測試，發(fā)現(xiàn)這種方式下電壓已達(dá)10V以上，遠(yuǎn)超過所需電壓。考慮到太陽能控制器及鋰電池的安全使用問題，改用為三串三并的連接方式，試驗(yàn)結(jié)果表明，弱光情況下電壓達(dá)3.7V以上，強(qiáng)光時，電壓最大達(dá)6.5V，滿足所需電壓，達(dá)到預(yù)期效果，因此最終便采用三串三并的連接方式。

2.2太陽能電池板的固定

關(guān)于太陽能電池板的固定問題，我們在設(shè)計過程中嘗試過的方式有：膠粘、裝訂、線縫等。考慮到太陽能板的安放位置在傘面上，傘在收放時會存在折疊，因此膠粘時可能容易導(dǎo)致太陽能板掉落，使得連接不穩(wěn)定，同時也會導(dǎo)致線路斷損，使得產(chǎn)品不能正常工作。而裝訂和線縫方式，又必須考慮對太陽能板的影響，經(jīng)過對相關(guān)資料的查閱，從中了解到太陽能板的結(jié)構(gòu)組成，因此最終對太陽能板的固定選擇了線縫方式，但是在外觀及穩(wěn)定性方面仍存在很大的不足，所以，這也將成為后續(xù)研究中重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。

2.3遮陽傘與拉桿背包的固定

我們先把遮陽傘的手柄拆除，只保留鐵桿，這樣方便以后安裝。我們測量遮陽傘鐵桿直徑大約8mm，因此就在背包的拉桿上開了10mm的孔，這樣就可以把遮陽傘鐵桿插到拉桿背包里，然后在背包里縫了細(xì)長條的口袋，鐵桿插進(jìn)去就可以固定了，這樣背上背包，打開傘就可以直立起來，不需要專門用手來撐傘了。

2.4太陽能電池板與鋰電池的連接

由于太陽能電池板的連接方式是固定的，三串三并，太陽光強(qiáng)弱不同時提供的電壓差別比較大，不能直接對鋰電池充電，因此中間必須接一個太陽能控制器，通過太陽能控制器，就可以保證輸出給鋰電池的電壓基本穩(wěn)定在5V左右。太陽能電池板在傘面上，太陽能控制器裝在背包里，太陽能電池板與太陽能控制器的導(dǎo)線連接必須穿過傘的鐵桿，為了避免伸縮對導(dǎo)線的折損，我們一開始計劃采用類似電話聽筒的螺旋電線來達(dá)到伸縮功能，但在實(shí)際制作過程中，由于傘柄鐵桿太細(xì)，螺旋電線穿不過去，最終還是選擇了普通的細(xì)導(dǎo)線連接。從太陽能控制器再到鋰電池，用通用的USB連接線就可以實(shí)現(xiàn)。

3 測試數(shù)據(jù)分析

所有線路連接好后，我們對太陽能充電部分進(jìn)行了測試，測試是在太陽直射情況下進(jìn)行的。由于我們選擇的太陽能控制器有兩個輸出口，可以同時給兩個用電器供電，我們分別做了幾個試驗(yàn)：1，不帶負(fù)載時的最大電壓；2，單片太陽能電池板電壓；3，單獨(dú)給鋰電池充電；4，單獨(dú)給手機(jī)供電；5，同時給手機(jī)及鋰電池供電；6，同時給LED燈和手機(jī)供電。實(shí)際測量結(jié)果見下表1，從測試數(shù)據(jù)看，在太陽光充足的情況下，這套系統(tǒng)完全可以滿足鋰電池和手機(jī)的充電需求。由于時間的限制，我們還沒有測試充電速度的快慢，在以后的試驗(yàn)中還可以再測試一下完全充滿電所需要的時間長短。

根據(jù)我們的設(shè)計，該充電回路的理論最大電壓是6V，理論電流應(yīng)該是500MA，實(shí)際測試結(jié)果是最大電壓為6.24V，但電流只有167.4MA。分析原因，可能與連接線路電阻值大有關(guān)系，還有就是太陽能板的性能不是太好，如果選擇優(yōu)質(zhì)的太陽能板也許電流會更大一些。

4 本設(shè)計不足及改善方向

4.1 此次所設(shè)計的太陽能傘為遮陽傘，下雨時是不能使用的，原因?yàn)橄掠陼r電路的短路問題，因此為了適應(yīng)下雨時對雨傘的需求，下一步需要將電路做防水改進(jìn)，使之適應(yīng)雨天以及晴天的不同需求。

4.2 太陽能電池板的形狀和固定問題，此次設(shè)計所用的太陽能板為矩形，安裝完后傘的折疊和牢固性有些問題，因此下一步還需要改進(jìn)太陽能板的形狀和固定方式，使之能和傘面有機(jī)結(jié)合，安裝完成后，使傘能夠收縮自如，并且不影響太陽能板的使用。

4.3充電時間問題，本次設(shè)計使用的太陽能電池板數(shù)量比較少，因此充電電流很小，如果要想真正滿足實(shí)際使用需求，就需要重新設(shè)計太陽能板的數(shù)量，使充電電流增大，這樣實(shí)用性就會更強(qiáng)。

4.4目前太陽能板只能人為根據(jù)太陽光的照射角度，旋轉(zhuǎn)傘柄來讓太陽直射太陽能板，下一步的目標(biāo)是使用感光器，當(dāng)太陽角度改變時，利用感光器，使傘自動旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)自動化的調(diào)整控制。

4.5目前的撐傘及收傘都是需要人來控制的，下一步可以考慮利用電能和轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一鍵控制，使遮陽傘達(dá)到完全自動收放。

日常用品的多功能組合，太陽能的利用，將給人類帶來全新的生活體驗(yàn)，希望大家都積極參與到設(shè)計創(chuàng)新的活動中吧！