基于光伏多用一體式百葉窗的研究

石 瑩，宮德健，李帥飛，張長壘，王躍翰

（燕山大學 車輛與能源學院，河北 秦皇島066000）

引言

百葉窗是居家用品，體現(xiàn)著人們的生活質量水平，百葉窗的原始作用就是遮擋陽光，隨著人們生活質量的提高，百葉窗在國際上已經(jīng)有了很長時間的研究，并產(chǎn)生了一系列的重大成果。長期以來，作為室內外隔絕的屏障，窗戶在房屋構件中起到了重要的作用。窗戶的安裝設計、材質等也在隨著科技的革新而與時俱進。大多數(shù)用戶現(xiàn)今仍選擇市面上常見的平開式玻璃窗，僅起到為室內通風換氣、隔絕風雨的作用，且會隨著使用年限增加而出現(xiàn)老化等問題，影響使用效果?，F(xiàn)今，一些人家也會選擇使用百葉窗，通過調節(jié)葉片的角度實現(xiàn)調節(jié)室內溫度，阻擋紫外線的作用，同時通過葉片的阻擋，也可有效保護室內人員的隱私，但百葉窗仍具有功能單一的缺點，有時無法實現(xiàn)室內的采光需要。

1 問題分析

隨著國民經(jīng)濟水平的提高，生活質量也隨之提高，越來越多的人住進了樓房，普通的窗簾只能起到遮光的作用，還會阻礙空氣流通，如果沒有遮擋類的窗簾，則又會暴露家庭隱私。目前商務樓中百葉窗作為辦公環(huán)境的使用場景越來越多，也逐漸融入家用百葉窗的市場，針對此類問題，本項目可以有效解決，其三棱柱的葉片，使其調節(jié)不同角度，既能起到遮光作用，又能有空氣流進，產(chǎn)品前景可期，具有廣泛的市場應用價值。百葉窗是由一片一片的葉片組成的，這些葉片經(jīng)過長時間的使用容易積塵，清洗擦拭都比較麻煩。遮擋功能不足，百葉窗的葉子不是緊密相連的，中間還存在縫隙，所以不利于隱私的保護而且還不具有很好的隔音效果。裝飾功能較弱，不管百葉窗使用的是什么材料，但其外觀的裝飾視覺效果還是比不上豐富多彩的布藝窗簾。目前還沒有把光伏發(fā)電補光、空氣過濾、遮擋保護隱私、排氣噴水改善空氣濕度、檢測空氣溫度濕度這些功能都綜合在一起的一體式百葉窗，本產(chǎn)品在國內外有很大的發(fā)展空間。

2 設計與制作描述

百葉窗起源于中國，但百葉窗在美國卻很流行。國外一家烏克蘭公司開發(fā)了一種太陽能百葉窗，既能夠為住戶遮擋陽光，又能夠充分利用太陽能可以為用戶節(jié)省70%的電費。智能太陽能百葉窗可以安裝在窗戶內部或外部，可以自動跟蹤機構以遵循太陽的位置可調整百葉窗的角度。百葉窗由SunPower 太陽能電池制造，其使用壽命為25 年，其生成的電能可以直接使用或存儲在家用電池系統(tǒng)中，以便在停電之時，應急使用。百葉窗的專利很多，改進的也較快，光伏發(fā)電百葉窗，改善空氣質量的百葉窗。但國內外目前還沒有把光伏發(fā)電補光、空氣過濾、遮擋保護隱私、排氣噴水改善空氣濕度、檢測空氣溫度濕度這些功能都綜合在一起的一體式百葉窗，本產(chǎn)品在國內外有很大的發(fā)展空間?，F(xiàn)在居民使用的窗戶如果關上，就會阻礙空氣流通，使空氣不能進行循環(huán)；如果打開窗戶，拉上紗窗，則又會有一些顆粒等有害物質會伴隨空氣飛進來，為此我們在此百葉窗的葉片上安裝上了微型空氣凈化裝置，此裝置可以過濾掉有害物質，使進入屋內的空氣更加安全，使室內空氣更加清潔，為居住者安全提供保障。風扇內部采用舵機進行角度旋轉控制，并配合軸承進行，使得角度可以隨意改變，舵機具有多角度控制的作用。葉片上裝有的微型風扇，無風狀態(tài)下，打開風扇，既可使室外空氣流入室內，又可把室內空氣排出，這樣可加速空氣流通，達到室內外空氣循環(huán)的效果，使居住環(huán)境更加安全舒適?？紤]到百葉窗上需要安裝多種用電設施，當用戶使用該百葉窗的時候，又可以不使用自家的電能，所以在百葉窗的一面裝上了大功率太陽能板，大面積的太陽能板吸收大量光能，儲存并轉化能量，利用光伏發(fā)電最大功率為儲能設備進行充電，既可為室內提供光亮，使屋內停電時能改善屋內光照環(huán)境，又可為葉片上的電子元件供電，不會使用其他電源，為居民節(jié)省了電量，具有良好經(jīng)濟效益，提高能量利用率。三棱柱形的葉片使得陽光能最大面積的照到太陽能板上，同時也防止了隱私的泄露，葉片是由新型可調節(jié)透光度材料制成，在關閉百葉窗的同時，又可以調節(jié)透光度，使陽光能夠按照居住者需求照進室內，達到屋內采光充分的效果。產(chǎn)品使用霧化玻璃作為結構材料，在自然狀態(tài)下，它內部的液晶分子無規(guī)則地排列，液晶折射率比外面聚合物的折射率低，入射光在聚合物層發(fā)生散射，呈乳白色，即不透明。通電以后，彌散分布的液晶分子迅速從無規(guī)則排列變?yōu)槎ㄏ蛴幸?guī)則排列，使液晶的折射率與聚合物的折射率相等，入射光完全可以通過，形成透明狀態(tài)。不透明與透明兩種狀態(tài)可以在瞬間內隨意轉換。

圖1 霧化原理示意圖

同時夾層使用光伏超白玻璃，這種玻璃有夾層，在這兩層玻璃之間加進了超薄化合物，這種化合物可以吸收光能，還可以導電。當太陽光照射這種玻璃的時候，化合物可以吸收光能，轉化為電能并儲存起來，這時，只要用導線接通，就可以用于照明或為其他電器供電。在380nm-1100nm 范圍內的透過率在91%以上，有助于增加太陽電池對入射光的吸收，獲得更高的光電轉換效率。在光伏玻璃上鍍減反膜可以提高2.5%的透過率。該百葉窗上面裝有微型溫度檢測計和空氣質量檢測裝置。溫度檢測計實時反映室內外溫度差，便于在居民出行時能及時了解內外溫差，空氣質量依然是當代居民所關心的，該百葉窗上的空氣質量檢測器能夠反映室外空氣質量，使人們隨時了解室外空氣質量，便于居民出行。兩種裝置極大的方便了人們出行，使人們能夠了解屋外情況。檢測出來室內外差別，百葉窗上裝有存水排水功能，陰雨天時能夠儲存水源，在室內空氣被檢測出干燥時自動物化水汽進行噴水，使室內環(huán)境保持濕潤，增加居民的居住舒適度。考慮到百葉窗上需要安裝多種用電設施，當用戶使用該百葉窗的時候，又可以不使用自家的電能，所以在百葉窗的一面裝上了大功率太陽能板，大面積的太陽能板吸收大量光能，儲存并轉化能量，利用光伏發(fā)電最大功率為儲能設備進行充電，既可為室內提供光亮，使屋內停電時能改善屋內光照環(huán)境，又可為葉片上的電子元件供電，不會使用其他電源，為居民節(jié)省了電量，具有良好經(jīng)濟效益，提高能量利用率。三棱柱形的葉片使得陽光能最大面積的照到太陽能板上，同時也防止了隱私的泄露，葉片是由新型可調節(jié)透光度材料制成，在關閉百葉窗的同時，又可以調節(jié)透光度，使陽光能夠按照居住者需求照進室內，達到屋內采光充分的效果。產(chǎn)品使用霧化玻璃作為結構材料，在自然狀態(tài)下，它內部的液晶分子無規(guī)則地排列，液晶折射率比外面聚合物的折射率低，入射光在聚合物層發(fā)生散射，呈乳白色，即不透明。通電以后，彌散分布的液晶分子迅速從無規(guī)則排列變?yōu)槎ㄏ蛴幸?guī)則排列，使液晶的折射率與聚合物的折射率相等，入射光完全可以通過，形成透明狀態(tài)。不透明與透明兩種狀態(tài)可以在瞬間內隨意轉換。同時夾層使用光伏超白玻璃，這種玻璃有夾層，在這兩層玻璃之間加進了超薄化合物，這種化合物可以吸收光能，還可以導電。當太陽光照射這種玻璃的時候，化合物可以吸收光能，轉化為電能并儲存起來，這時，只要用導線接通，就可以用于照明或為其他電器供電。在380nm-1100nm 范圍內的透過率在91%以上，有助于增加太陽電池對入射光的吸收，獲得更高的光電轉換效率。在光伏玻璃上鍍減反膜可以提高2.5%的透過率。

隨著居民用電量的增大，某些城市的供電系統(tǒng)明顯供不起來，這樣就有可能不定時停電。當在漆黑的夜晚停電時，就會影響到人們的生活，在樓房里面沒有備用電源，所以我們考慮到如果在百葉窗上裝上燈管，讓其在屋內黑暗而又沒有電的情況下自發(fā)的提供光亮，將會極大地方便居民。三棱柱葉片上的一面安裝有照明燈管，鄰面的太陽能板吸收的光能用來為燈管供。白天，陽光充足的時候，太陽能板可以吸收大量光能，用來為燈管，微型風扇等其他用電設施提供電能。當下雨陰天，夜晚家中停電時用戶可不必點燃蠟燭來供亮，如果安裝了這扇百葉窗，它就會自動為您提供光亮，不用自家電源，利用太陽能供電，具有良好經(jīng)濟效益，用來方便用戶，為用戶提供良好的體驗。百葉窗的一個普遍作用是遮擋強烈的陽光，在夏天干燥的空氣流進室內會使居民煩躁，而安裝在這扇百葉窗上的排水集水并霧化水裝置會解決這個問題。三棱柱葉片內部裝有排水集水裝置，既可在下雨天時收集雨水儲存起來，也可以居民向其內部加水，收集起來的水可以長時間存放，當百葉窗檢測出室內的空氣變得干燥時，將會啟動排水功能，儲存的水會以霧氣的形式噴出，其內部的霧化裝置會把其中要排出的水變成氣體，再由微型風扇進行排出，但這個過程不會消耗室內的電量，而是消耗百葉窗上太陽能板儲存起來的電能。該百葉窗上面裝有微型溫度檢測計和空氣質量檢測裝置。溫度檢測計實時反映室內外溫度差，便于在居民出行時能及時了解內外溫差，空氣質量依然是當代居民所關心的，該百葉窗上的空氣質量檢測器能夠反映室外空氣質量，使人們隨時了解室外空氣質量，便于居民出行。

3 設計目標與解決技術問題

制作出一款光伏多用一體式百葉窗，既可以實現(xiàn)在白天透光、儲光，夜晚給光，還可以凈化污濁空氣，同時也能監(jiān)控室外天氣及空氣質量，檢測室內溫度，調節(jié)濕度，在為住戶提供優(yōu)質的室內環(huán)境的同時，節(jié)約能源，綠色環(huán)保。

實現(xiàn)方案：（1）通過對于產(chǎn)品的機械結構進行設計以達到一體化及智能聯(lián)動的作用，將機械結構與智能化電氣元件相結合，并解決傳統(tǒng)百葉窗的不同弊端。設計產(chǎn)品外形，采用三棱柱形狀，使產(chǎn)品功能合理實現(xiàn)，既增大透光率，又增大折光率，更好的保護人們隱私。（2）結合新材料光伏發(fā)電等功能，實現(xiàn)能源的重復回收與利用。設計太陽能裝置，通過吸收陽光，并將光能轉換，儲存能量，為葉片上用電設施供電，為室內補充光源，具有良好的經(jīng)濟效益。設計葉片材料，可調節(jié)透明度，可遮可透，提高陽光利用率。（3）對于多角度適應環(huán)境，采用履帶式傳動結構，可以多角度的調節(jié)百葉窗位置，實現(xiàn)功能合理化。（4）對于排糞系統(tǒng)進行多角度控制，加快室內外空氣流通速度。設計微型排氣扇，達到存水排水功能，使外面新鮮空氣流進屋內，使屋內氣體排到外面，當屋內空氣干燥時，啟動排水功能，增大屋內的空氣濕度。設計空氣過濾系統(tǒng)，改善室內空氣環(huán)境，提供更加安全的居住環(huán)境。（5）對于空氣霧化裝置使用階段調控，設置微型機械結構，控制出水口的流量及方向，合理有效控制環(huán)境濕度與室內環(huán)境。選擇合適的溫度檢測計，反映室內外的溫度差，使使用者了解內外溫差。設計產(chǎn)品形態(tài)變化，便于裝卸，方便清洗與攜帶，滿足使用者的多種需求。

4 結束語

采用三棱柱的外形做葉片，使葉片內部可以有空間來安裝更多的零件，目前單片狀百葉窗從某個特殊角度看，仍可以看見室內，會涉及人們的隱私，用三棱柱可以調節(jié)不同角度，保護人們隱私。葉片上安裝微型智能排風扇，以及存水排水功能，采用霧化水汽裝置，用來改善室內的空氣質量，加速空氣流通，保持濕度，本產(chǎn)品提供更好的室內環(huán)境，更加舒適。產(chǎn)品安裝了溫度測量計、空氣濕度檢測器以及空氣過濾器，能夠實時檢測室內外溫度和濕度差，便于人們了解室內溫差，空氣過濾器過濾掉有害氣體，使室內空氣更加清潔，為居民安全提供了保障，可以調節(jié)透明度的新型材料，以達到給屋內采光充分的效果。有太陽能裝置，通過陽光照射吸收熱量并對能量進行儲存利用，設計室內光源補給，通過百葉窗的自發(fā)電供電設備進行室內光源補給，改善室內光照環(huán)境，保證透光度，滿足用戶對于產(chǎn)品的多種需求。