保暖充電老年服裝的設計與開發

沈 雷， 任祥放， 劉皆希， 謝 展

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學), 江蘇 無錫 214122)

保暖充電老年服裝的設計與開發

沈 雷， 任祥放， 劉皆希， 謝 展

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學), 江蘇 無錫 214122)

針對太陽能資源無法得到合理應用和老年人冬季保暖需求的現狀，對太陽能在服裝方面的利用情況進行總結。采用人體工程學的思維方法、人機交互的理念，利用柔性非晶硅薄膜太陽能板的特點，把柔性太陽能板、碳纖維USB發熱膜、多功能USB插口和智能溫控器等裝置組成一個生態化的電路平衡系統。圍繞此系統，設計開發了時尚、功能性完備的老年保暖充電服裝。結果表明：在具有柔性非晶硅薄膜太陽能板的老年服裝中，碳纖維USB發熱膜能在幾分鐘之內快速升溫到人體舒適狀態，對人體不會造成傷害，并且多功能USB插口可為不同型號的電子產品充電，為老年人的多維度需求提供了選擇。

老年服裝； 保暖充電服裝； 柔性非晶硅太陽能薄膜； 碳纖維USB發熱膜

老年人冬季喜歡在戶外曬太陽和活動，因身體因素和戶外寒冷，需要采取保暖措施；在戶外時，老年人一般喜歡聽收音機或用手機看戲曲視頻，電量的后續供應成了一個問題。對太陽能在服裝領域的應用研究主要在普通功能服裝上，極少涉及老年服裝領域。如：加州大學伯克利分校設計出一款柔性塑膠太陽能服，背部放置太陽能電池組件，可為電子設備充電。目前市場上主要有老年人太陽能紅外線理療服[1]、太陽能測壓服[2]等，因此，設計能取暖、充電的老年服裝是非常有必要的。本文基于太陽能資源的充分利用，老年特殊需求的現狀，將柔性非晶硅薄膜太陽能板、鋰電池、碳纖維USB發熱膜和多功能USB插口等裝備通過導線連接，依附在特殊設計的老年人服裝上，滿足功能性、時尚性、健康性的需求。此款太陽能服裝可滿足老年人戶外活動及自身的需求。

1 太陽能服裝現狀

人類對太陽能資源的利用有史已久，且越來越普遍，功能性太陽能服裝的設計開發是其中一個方向。功能性太陽能服裝[3]是指通過使用光學理論，把太陽光轉換成電能，可為帶有USB設備、照明、報警裝置供電的功能性服裝。目前太陽能服裝可產業化的非常少，大都處于實驗室研發階段，因此，設計開發新的功能性太陽能服裝對突破產業化瓶頸，以及太陽能服裝市場具有重要意義。

目前，根據太陽能服裝的功能可分為2種[4]：一種是將太陽能轉化為電能為手機、iPad等裝備充電的功能性服裝；一種是利用太陽能為電熱片加熱起到發熱保暖作用的功能性服裝。

國外對于太陽能在服裝中的應用研究起步很早，而且在結合度、種類上比較豐富。1996年美國人Lapidus[5]設計了一款太陽能連帽衣，配備微型鋰電池和光伏單品硅太陽能集熱器，可為MP3、手機等裝備充電；美國的科研人員設計了一款太陽能比基尼，用導電纖維將光伏薄膜條縫制一起使用，可為MP3等便攜電子裝備充電[6]；還有人設計出太陽能褲子，用的是防水防油面料，兩側各有口袋，表面附著太陽能板，為便攜式電子裝備提供電能。另外，日本、韓國、加拿大等國家也在進行太陽能服裝的研究。

國內對太陽能服裝的研究相對起步比較晚，大都處于實驗室應用階段，概念型的服裝很多，能產業化的很少。最近幾年國內太陽能服裝也已取得一定研究基礎。

2009年馬東[7]申請了太陽能充電的太陽帽專利，可避暑，并為攜帶的MP3、手機充電；徐鵬等[8]申請了太陽能發光衣服的專利，主要運用太陽能充電與燈體警告裝置，具有警示和表演的作用；張小雪[9]研制出了功能型太陽能服裝，把太陽能板安裝在上臂部位，為便攜式電子設備充電；這些功能性太陽能服裝，一般采用防輻射面料，具有裝飾、警示、照明、報警和日常充電功能。

相對于太陽能服裝的研究，對特殊人群的功能性太陽能服裝的研究目前較少,針對特定的人群，開發能解決特定問題的產品是對智能安全設計研發者的基本要求。作為銀色經濟的主流代表，老年智能安全產品是其未來發展方向的一個主線。

2 設計思路

功能性的老年保暖充電服不同于一般的傳統太陽能產品，人機交互方式要簡便、效果好，而且產品設計上符合人體工程學，使產品真正服務于客戶。柔性非晶硅薄膜太陽能電池[10]是新型產品，質量輕，可彎曲，易裁剪，轉化率高，同時太陽能板是以獨立的附件形式和衣服本體組合一起的，用魔術貼或暗扣來固定其與服裝的結合，可拆卸進行清洗。碳纖維USB發熱膜[11-12]具有發熱高效性、使用安全性、移動發熱性、控溫精確性和穿著舒適性等特點，而且碳纖維還具備發熱時產生遠紅外線的性能，向特定部位發射遠紅外線能使服裝具有熱敷保健的功能。尤其是老人在冬天經常腰腹部位酸痛，這可帶來便捷的保健理療功效。多功能USB插口裝置是集合多種通用電子充電設備的充電插口設計，可方便地給不同電子設備充電。模塊之間的連接式使用插頭設計，便于拆卸洗滌。

整個系統包括服裝本體，以及柔性非晶硅薄膜太陽能板附件、鋰電池組件、碳纖維USB發熱膜、多功能USB插口、微型溫控器、鋰電池充放電指示燈、設備充電指示燈、微型開關、柔性細導線等元素，如圖1所示。

圖1 系統組成Fig.1 System composition

整個系統基于太陽能資源的充分利用，迎合現在低碳環保的生活理念；整個系統設計合理，滿足老年人戶外活動的生理性、安全性需求。

3 設計原理

3.1 電路節點設計

整體電路節點設計包括芯片控制器(U1)、P溝道增強型絕緣柵型場效應管(Q1)、電容器(C2)、充電指示燈(D2)、充電完成指示燈(D3)、肖特基二極管(D1)、串聯的單體鋰電池(BT1和BT2)、電容(C1)、熱敏電阻器(RT1)、溫控器電阻(R5)(R6)、碳纖維USB發熱膜(P1)、穩壓芯片(U2)、電容器(C3)、多功能USB插口裝置(P2)等主要節點。

3.2 電路設計原理

圖2示出基于太陽能的老年保暖充電服裝的電路設計原理圖。其主要特征是：所述柔性非晶硅薄膜太陽能板(1)正極與電阻(R1)連接，且電阻(R1)與P溝道增強型絕緣柵型場效應管(Q1)相連；P溝道增強型絕緣柵型場效應管(Q1)與芯片控制器(U1)的COMP端和CC端相連，芯片控制器(U1)的VCC端與電容器(C2)連接并接地，芯片控制器(U1)的STAT端與充電指示燈(D2)、充電完成指示燈(D3)連接，其中充電完成指示燈(D3)一端與電阻(R7)連接并接地；充電指示燈(D2)、充電完成指示燈(D3)與R4連接，芯片控制器(U1)的VSS端與電阻(R4)、電阻(R6)相連并接地。

圖2 電路原理圖Fig.2 Circuit principle diagram

P溝道增強型絕緣柵型場效應管(Q1)與肖特基二極管(D1)連接，肖特基二極管(D1)與2節串聯的單體鋰電池(BT1)、(BT2)連接，電容(C1)分別與單體鋰電池(BT1)的正極端、單體鋰電池(BT2)的負極端相連，且負極端接地；串聯的單體鋰電池(BT1、BT2)與熱敏電阻器(RT1)連接，熱敏電阻器(RT1)與溫控器電阻(R5、R6)連接；肖特基二極管(D1)與開關(S1)連接，開關(S1)與碳纖維USB發熱膜(P1)連接，其碳纖維USB發熱膜(P1)2號端口接地；肖特基二極管(D1)與開關(S2)連接，開關(S2)與穩壓芯片(U2)輸入端連接，開關(S2)與穩壓線路的電容器(C3)端連接；穩壓芯片(U2)的輸入端IN、輸出端OUT分別于穩壓線路的電容器(C3)端、(C4)端連接；穩壓芯片(U2)的輸出端OUT與多功能USB插口裝置(P2)連接，多功能USB插口裝置(P2)4號端接地。

圖2中所述柔性非晶硅薄膜太陽能板正極端通過電阻(R1)、P溝道增強型絕緣柵型場效應管(Q1)、肖特基二極管(D1)與鋰電池組(BT1、BT2)電源正極端相連，并提供整個系統電路的供電；所述芯片控制器(U1)采用bq2057WSN的單片機，尺寸小，轉換效率高，外圍電路輸出端寬廣，可自動中斷保護恢復。

P溝道增強型絕緣柵型場效應管(Q1)會降低通過的電流和電壓，以免燒壞芯片控制器；熱敏電阻器(RT1)保護鋰電池組(BT1、BT2)，不能長時間處于工作狀態，會自動中斷進行保護；溫控器電阻(R5、R6)會在設定的溫度范圍之內進行保護，超過范圍，就不再保護；穩壓芯片(U2)控制輸出端的電壓，達到電子設備的穩定電壓，以免燒壞電子設備。

4 服裝設計

目前來說，在太陽能服裝的設計上經常局限于服裝材料和電線線路的設計合理性，同時也忽略了時尚性和功能性的統一。基于消費者對產品的多維度需求分析，本文從時尚性、功能性的結合來探討基于太陽能的老年保暖充電服裝的設計。

4.1 款式設計

基于冬季寒冷和老年人自身的身體特點，以及附著裝備的需求，設計的中長款棉服如圖3所示。立領保暖，寬松，刀背線收腰貼合人體結構，大口袋設計便于裝電子設備。

圖3 老年太陽能服裝正面Fig.3 Aged people solar energy clothing

圖3中：1為多功能USB插口裝置，放置在外口袋中，外口袋中有一個小貼袋，專為其設計，可固定，方便給電子設備充電；2為開關紐扣，外觀就是正常的紐扣，內部裝有控制開關，線路在口袋的雙層夾層中，作用是控制多功能USB插口裝置，既時尚美觀又有功能性；3為開關紐扣，原理和作用于圖中2相同，作用是控制腰部的碳纖維USB發熱膜。

圖4示出老年太陽能服裝背面。圖中：1為柔性非晶硅薄膜太陽能板，采用組裝和可拆卸的方式，鑲嵌在附件的衣服中，使太陽能板的有效采光面積達到最大值，圖中深色部分是柔性非晶硅薄膜太陽能板，剩下的圖形為貼布繡圖案，與表面太陽能板組成的圖案造型相互呼應，幾何造型圖案的分割、分散和集聚形成一個對比；2為碳纖維USB發熱膜，其處于棉服中的夾層中，位于腰部位置，有理療和保暖功效，同時在溫控器的控制下，它會在人體所能接受的溫度范圍內，不會溫度過高導致傷害；在里料腰部位置裝有拉鏈，可取出來便于洗滌服裝。

圖4 老年太陽能服裝背面Fig.4 Aged people solar energy clothing

服裝本體，共有2種著裝狀態：一種是正常生活的穿著狀態，衣服上沒有太陽能板附件和發熱膜；一種是功能性的穿著狀態，帶有各種功能性裝置，同時所有的裝置、元件都是用柔性纖細導線連接，柔性纖細導線藏于衣服的接縫處，隱藏效果和簡潔性比較好，在不工作時與正常服裝一樣。

4.2 面料和色彩

老年人因自身原因，不適合用化纖面料，導致衣服不耐臟，所以選用柔軟的純棉面料為宜，組織為斜紋，這樣使老年人穿著感到柔軟、舒適，行動也方便[13]。人到老年，無論心理上、生理上，還是身體上，都已經感覺嘆惋，不追求潮流，但是如果老年人在穿著上會有改變，心態、精神隨之會改觀，那對其健康也會有好處；因此在顏色選擇上是一個很重要的因素，除了常用的黑、灰、白單色調外，淡紫、淡紅、淡墨綠、奶黃、淡咖啡之類顏色都是可選擇的[14]。條紋太多太雜和炫眼的色彩，一般與老年人不太相配。基于此，大地色系的顏色和其他類似深藏青、絳紅、深中灰顏色等，老年人穿著會顯得比較精神、端莊、素雅。

5 設計效果評估

5.1 性能的評價

從安全性來說，柔性非晶硅薄膜太陽能板產生電壓為5 V左右，滿足手機等充電裝置需求，對人體不會構成傷害；碳纖維USB發熱膜外部柔軟，表面覆蓋絕緣化的乙烯-醋酸共聚膜，不導電，而且長時間工作也不會燒壞表面覆膜；在連接整個系統的運行中，使用的是絕緣纖細導線，防發熱，耐用，柔軟性極高，不會因為工作久而出現安全隱患。

從保暖性來說，碳纖維USB發熱膜一般在10 min內就能加熱到30 ℃左右，而人體冬季最舒適的溫度范圍為17～25 ℃，又因為冬季寒冷，老人身體新陳代謝機能緩慢，需要的熱量多一些，進而要比人體恒定的舒適溫度要高一些，在28～33 ℃之間，所以在溫控器的控制下，不會使溫度過高燙傷皮膚，出現危險事故。

柔性非晶硅薄膜太陽能板以附件形式與服裝結合，而且本身非常軟，易折疊彎曲，解決了在服用性能方面的不適。

5.2 價格和生產工藝

功能性服裝無論是在價格上，還是在生產工藝上都不同于普通服裝，這也是目前功能性服飾所要解決的問題。

所用材料都是近年最新的產品，已經產業化，價格不是很高，整個衣服的成本還是在可控的范圍之內，在價格上對消費者來說是可接受的。在本文研究中花費比較高的是太陽能板和碳纖維USB發熱膜，目前1塊太陽能板(材質和轉化率比較高)在市場上的價格約為20元，達到供電需求需要4塊電板;碳纖維USB發熱膜是目前應用比較成熟的產品，性能優越，價格為10元左右，達到保暖效果，需要2塊左右，加之其他的材料，總體的成本價格還是略低于一些保暖服飾。對于消費者來說，本文研究的產品在新鮮感和智能化上還是具有很大的市場潛力。

因功能服裝的一些特殊位置是比較難處理的，在工作耗時上會比正常工序高一點。研究者在這里把太陽能板和其他附屬裝備設計為可拆卸，以及附屬電線路與縫份固定，這就在工藝上減少了難度，節省了工序的時間，節省了成本；同時也貼合人體工程學的指導；碳纖維發熱膜是處于棉服夾層腰部位置，里夾層中有一個寬的插袋，發熱膜可放進去與內夾層貼伏，減少不適感；其他是屬于常規化的工藝要求。

6 結 論

對功能性太陽能服裝的研究已取得一些進展和成果，但是大部分都處于初級實驗或初級應用階段。現在市場的品類越來越細分化，也就是更關注特殊人群的特點和需求。柔性非晶硅薄膜太陽能板和碳纖維USB發熱膜是新興的技術產品，可最大程度地滿足人們的要求，具有極大的優勢。電路和服裝款式的合理設計，為老年人在多維度的需求(生理、安全、娛樂等)上提供了可能。

盡管老年保暖充電服裝的價格仍能在人們的接受范圍之內，但是太陽能電池板的轉化率和面積、碳纖維USB發熱膜的智能化和電路設計的合理性及制作工藝都有待再改進，才能達到產業化的應用。

FZXB

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“紡織之光”2017年度中國紡織工業聯合會科學技術獎申報工作啟動

“紡織之光”中國紡織工業聯合會科學技術獎旨在獎勵在推進紡織行業科技進步，提高行業的整體技術水平、創新能力和競爭能力等方面做出突出貢獻的單位或個人。自2004年設立以來，堅持“公平、公正、公開”的評審原則，獎勵了一批高水平的紡織科技成果，激發了廣大紡織科技工作者的積極性和創造性，對推動行業科技進步發揮了重要作用。

紡織科技獎設一等獎、二等獎、三等獎3個等級，中國紡織工業聯合會為獲獎項目及個人頒發獲獎證書，并從獲得一等獎的項目中擇優推薦國家科學技術獎。紡織之光科技教育基金會將為獲得一等獎和二等獎的項目頒發獎金。

2017年度紡織科技獎須通過“中國紡織工業聯合會科學技術獎勵綜合業務管理平臺(http://211.154.198.138:8040/website/)” 進行網上申報，申報截止時間為2017年6月15日上午9時。具體申報要求也可在中國紡織科技網(http://www.cntextech.org.cn)查看。

Design and development of warm clothing for the elderly

SHEN Lei, REN Xiangfang, LIU Jiexi, XIE Zhan

(Key Laboratory of Eco-Textiles (Jiangnan University), Ministry of Education, Wuxi, Jiangsu 214122, China)

In view of the current situation of no reasonable application of the solar energy resource and the demand of the elderly to winter warm keeping, the utilization situations of clothing are summarized, and a flexible solar panel, a carbon fiber USB heating film, a multifunctional USB socket, an intelligent temperature controller, etc. are combined to constitute an ecological circuit balance system by adopting ergonomic thinking and man-machine interaction, and on the basis of the flexible amorphous silicon thin film solar panels; and based on the system, fashion and functional warm keeping charging clothes for the elderly are designed and developed. The results show that in the clothes for the elderly having the flexible amorphous silicon thin film solar panels, the carbon fiber USB heating film can quickly heat up to a comfortable state for human body within a few minutes, the clothes cause no harm to the human body, and the multifunctional USB socket can charge different types of electronic products to provide a choice for the multi-dimensional needs of the elderly.

clothing for the elderly; warm keeping charging clothes; flexible amorphous silicon thin film solar; carbon fiber USB heating film

10.13475/j.fzxb.20160400906

2016-04-05

2016-11-17

國家自然科學基金青年科學基金項目(61503154);教育部人文社會科學研究基金項目(11YJA760059);江蘇民間剪紙藝術國際化傳承戰略研究項目(12SYB009);常州市智能化安全服裝工程技術研究中心項目(CM20159009)

沈雷(1963—),男,教授，碩士。主要從事智能服裝設計研究。E-mail:942372345@qq.com。

TS 941.731

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