基于光熱發電的多功能充電傘功能設計

霍鈺佳 汪風傳 張瑤

摘 ?要：在電子產品迅速發展、自然資源供不應求的時代，節約不可再生資源并充分利用自然能源已引起人們的高度重視。應時代背景要求，該文主要設計了一款多功能太陽能充電傘，綜合考慮光能發電和溫差發電兩種發電方式，提高了能量利用率。并采用砷化鎵薄膜作為傘布的一部分，光電轉化效率達30.5%，通過對傘架與傘柄的結構改造，使得產品可在多方面滿足人們夏日出行的需求。

關鍵詞：光能發電;溫差發電;薄膜太陽能電池;多功能

中圖分類號：TS959.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）21-0160-04

Function Design of Multifunctional Charging Umbrella

Based on Photothermal Power Generation

HUO Yujia1，WANG Fengchuan2，ZHANG Yao2

（1.College of Electrical Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan ?063210，China;

2.School of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan ?063210，China）

Abstract：In an era when electronic products are developing rapidly and natural resources are in short supply，saving non-renewable resources and making full use of natural energy have attracted peoples attention. In response to the requirements of the times，this article mainly designed a multifunctional solar charging umbrella，which comprehensively considered the two power generation methods of solar power generation and thermoelectric power generation to improve energy utilization. The gallium arsenide film is used as a part of the umbrella cloth，and the photoelectric conversion efficiency reaches 30.5%. Through the structural transformation of the umbrella frame and handle，the product can meet the needs of peoples summer travel in many aspects.

Keywords：solar power generation;thermoelectric power generation;thin film solar cell;multi-function

0 ?引 ?言

隨著現代信息技術與能源行業的不斷發展，清潔能源的廣泛使用成為了當下各大產業的發展趨勢。其中清潔能源與電子信息技術的多樣結合使人們生活更加豐富多彩。華北理工大學機電設計實驗室的學生團隊通過構思設計，將電子技術與清潔能源利用結合，設計一款具有多功能作用的太陽能充電傘。夏日出行，人們都會攜帶一把遮陽傘，在防止紫外線曬傷的同時卻未能解決到降溫的問題。因此將光輻射能與熱能的轉換為電能，利用砷化鎵光電轉化薄膜與溫差發電片結合供電，一方面可用于手機充電等較小電子產品的充電;另一方面可用于為人體降溫的電子設備充電。在以往的太陽能手機充電器[1]的基礎上進行了產品樣式與技術的革新。另外在對光能的利用效率和對傘重量設計等方面進行了優化。本文設計并實現了一種新型的，具備遮陽、蓄電充電、送風降溫、夜晚照明等多個實用性功能的多功能太陽能充電傘，不僅實現了對清潔能源的高效利用，還滿足人們生活需求。

1 ?產品設計思路與結構

1.1 ?設計原理

太陽能發電部分：利用了光生伏特效應[2]，當光線照射砷化鎵光電轉化薄膜上時，一部分光子被薄膜吸收;光子的能量傳遞，使電子發生了躍遷，成為自由電子，在P-N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。而電流傳送至蓄電池以供手機使用的過程，即是對手機充電器[3]充電功能和原理的簡化使用。電流轉換原理如圖1所示。

溫差發電部分：基于塞貝克效應[4]，對于不同的金屬導體（或半導體）具有不同的自由電子密度（或載流子密度），當兩種不同的金屬導體相互接觸時，在接觸面上的電子就會由高濃度向低濃度擴散。而電子的擴散速率與接觸區的溫度成正比，所以只要維持兩金屬間的溫差，就能使電子持續擴散，在兩塊金屬的另兩個端點形成穩定的電壓。

1.2 ?設計思路

此外，目前太陽能設備大多使用太陽能電池板，相較而言我們使用砷化鎵光電轉化薄膜具有很大優勢。晶體硅光伏電池組件與砷化鎵光電轉換薄膜的比較如表1所示。

因此，我們在改善原有的太陽能充電產品的基礎上利用砷化鎵光電轉化薄膜設計了一款集聚多方面功能的產品——太陽能充電傘，使人們的生活更加便利。整體思路是將砷化鎵光電轉化薄膜與遮陽傘結合，傘布外層結合砷化鎵光電轉化薄膜，利用光電子躍遷與PN結發電[5]的原理產生光電流內部與溫差發電片結合，不穩定的光電流與熱導電流流經傘柄頂端的穩壓器裝置，變為穩定電流，經傘柄內部線路流入傘把處蓄電池儲存電能，蓄電池通過配備的USB接口可將電能輸出供給電子產品充電此外，傘柄處打幾個漸縮噴管的小孔，可將傘把底端空氣抽入，在達到送風效果的同時可以為發熱的蓄電池降溫，延長壽命。

1.3 ?傘的結構

一種多功能的太陽能充電傘，如圖2至圖5所示，其中：穩壓器1、穩壓器蓋2、傘帽3、砷化鎵光電轉化薄膜4、傘布5、可折疊型傘骨6、溫差發電片7、傘柄運動套8、傘柄外層9、傘柄內層10、直充器11、蓄電池12、傘把13、風扇電機14、風扇15。

圖3中，穩壓器1是光能轉化裝置的重要組成部分，能夠保證輸入電壓的穩定，其被放置于傘帽3之上，通過螺栓螺母的連接與傘帽3固連在一起，隨后為了防止穩壓器1遭到破壞，將穩壓器蓋2亦通過螺栓螺母的連接與傘帽3固連在一起，起到保護穩壓器的作用。將砷化鎵光電轉化薄膜4粘連在傘布5的表面之上，在此太陽能充電傘之中，砷化鎵光電轉化薄膜4連同傘布5，其二者左右兩側的邊緣與可折疊型傘骨6縫合在一起，其上端左右兩頂點與傘帽3外端的支撐抓部分進行連接。在傘布5的下表面，將12片相同大小的溫差發電片7放置在傘骨折疊處，憑借外界溫度與傘布5之間的溫差發電。由砷化鎵光電轉化薄膜4和溫差發電片7產生的電能依次通過可折疊型傘骨6和傘帽3中布置的導線傳輸到穩壓器1中，隨后穩壓器1再將穩定的電流向下輸送。傘骨部分是由6個互呈60°夾角的可折疊型傘骨6組成，用于支撐砷化鎵光電轉化薄膜4、傘布5以及溫差發電片7等能源轉化裝置，這些可折疊型傘骨6的始端互呈60°夾角連接到傘柄運動套8的上端凹槽中，由傘柄運動套8的上下移動可以實現太陽能充電傘的折疊功能。

圖4中，傘柄部分由傘柄外層9、傘柄內層10組成，二者呈抽拉式雙層結構，傘柄內層10之中纏繞導線，用來傳輸由穩壓器穩定電壓之后的電能，傘柄外層9中部區域開有幾個呈漸縮噴管結構的小孔，可以將來自傘把底部的流動空氣高速噴出，實現人體降溫的目的，同時也可為發熱的蓄電池降溫，延長使用壽命（傘柄下端為電池保護蓋，USB口要對著）。

圖5中，傘把部分以傘把13為主體，其包括上端用于盛放直充器11、蓄電池12的支撐部分，也包括下端呈鏤空設計，用于安放風扇電機14、風扇15的手持傘把部分。在支撐部分中，將直充器11放置于中間處的圓形凹坑中，隨后將6個蓄電池12放置于直充器11周圍6個互呈60°角的圓形凹坑中，且6個蓄電池12之間以并聯的形式連接。除此之外，在上端支撐部位的外墻中部開設有兩個USB接口，可以實現對用電器等裝置的充電[3]。在下端手持傘把部分中，首先將風扇電機14自上而下放入到其中，并通過螺釘與傘把13進行連接，隨后將風扇15自下而上放入手持傘把部分中，將其底端與風扇電機14輸出端進行連接，由風扇電機14帶動風扇15旋轉以此使空氣得以自下而上流通，使得風沿傘把及傘柄外層向上傳至傘柄頂端的小孔處，提供了較大的風力，一定程度上可降低人體表溫度。同時也可為發熱的蓄電池降溫，延長使用壽命。

除此之外，傘柄內層10下端的電池保護蓋放置于傘把13上端支撐部分的外部，二者之間用螺栓螺母進行連接，并且要使傘柄內層10下端的電池保護蓋部分的USB輸出口正對著傘把13上端支撐部分的USB接口。

1.4 ?設計計算

砷化鎵光電轉換薄膜[6]的光電轉換效率，作為表征光電轉換薄膜性能優劣的關鍵指標，它的意義是在光照條件下，砷化鎵光電轉換薄膜最大功率與入射到該轉換薄膜上的全部輻射功率的百分比，一般采用替代法測量砷化鎵光電轉換薄膜的光電性能參數，以此獲得效率數據。實驗方法是通過標定太陽模擬器的輻照度至標準輻照度，即調節太陽模擬器的輻照度至標準砷化鎵光電轉換薄膜短路電流輸出達到其標定值，然后太陽模擬器狀態不變，測量被測新型砷化鎵光電轉換薄膜的I-V特性曲線，得到開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pm等參數;并根據被測砷化鎵光電轉換薄膜的尺寸及有效受光面積S，計算短路電流密度Jsc、填充因子FF和光電轉換效率η，如式（1）、式（2）和式（3）：

Jsc=Isc/S ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

FF=Pm/（Voc×Isc） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

η=Pm/（S×Pin） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

其中，Pin為單位面積入射光功率（W/m2），S為砷化鎵光電轉換薄膜有效面積，轉換效率應按包括柵線面積在內的電池受光總面積來計算。

在具備標準測試條件的基礎上，即光源總輻照度為1 000 W/m2，具有AM 1.5 G光譜輻照度分布，測試溫度為25 ℃的基礎上，測試出砷化鎵光電轉換薄膜的最高轉換效率為30.5%。

2 ?應用前景

針對目前市面上設計的產品大多以太陽能電池板為主，其功能單一、效率較低、蓄電不足、長期高溫縮短使用壽命等弊端。隨著節能環保理念的不斷宣傳和推廣，將薄膜太陽能電池[7]等新能源應用于人們的生活已成為了一種發展趨勢。我們從實際出發，設計了一款太陽能充電傘，大大方便了那些炎炎夏日在外工作、旅行的人，不僅滿足人們遮陽及充電的需求，同時兼顧蓄電、降溫、照明等多項功能。充分利用可再生清潔能源包括太陽能和熱能，實現了清潔能源的有效合理利用，采用砷化鎵光電轉化薄膜以及設計獨特精準的傘把結構，不僅造價便宜，造型美觀，而且使用方便，收納便捷。在未來的市場及利用普遍性方面都有很大的前景。

3 ?結 ?論

本文設計研發的多功能太陽能充電傘滿足傘布采用的砷化鎵光電轉化薄膜轉化效率提高到30.5%，重量大約560 g，LED燈選用2X 1 W型號。外形可塑性強，具有柔性好、可彎曲、質量輕、形狀可調的優勢，耐溫性好，弱光性好，相比于單晶硅光伏系統，其在弱光環境下，也是可以工作的;此外，傘柄處打幾個漸縮噴管的小孔，可將傘把底端空氣抽入，可以為發熱的蓄電池降溫，解決了暴曬引起的壽命縮短問題，延長充電器使用壽命。同時，該產品包含充電、遮陽、降溫、照明等多項功能，便于攜帶，具有生產實踐的價值，同時還具備學術價值以及科學研究的意義，為多方面利用太陽能技術的產業發展做出貢獻。

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作者簡介：霍鈺佳（1999.10—），女，漢族，河北邢臺人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化;汪風傳（1998.12—），男，漢族，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向：安全科學與工程;張瑤（1999.03—），女，漢族，河北唐山人，本科在讀，研究方向：安全工程。