節能太陽能充電鞋設計*

王林虎，黃天成※，陳澤群，余鄭偉，張子文，楊 靜

（1.長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023；2.長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，人們也在不斷地追求自己生活品質的改善與提升，在一些寒冷天氣或者嚴寒地域，各式各樣的保暖用品層出不窮，其中保暖鞋便是其中一種。而結合現今不可再生資源的日益減少以及綠色節能生活的主題下[1]，馬曉歡等[2]提出了一種太陽能取暖鞋，設計構思新穎，但其結構簡單，將太陽能板、蓄電池等整個太陽能系統均置于鞋面上，對使用者的舒適性和鞋子的美觀性將造成極大影響，其次，太陽能轉換系統的發電效率不高，如果完全依靠太陽能為其充電來實現足部保暖功能，其在太陽能不充足的時候，就將出現能源供應不足、充電時間長的問題。

本文提出的節能太陽能充電鞋將普通電熱鞋與太陽能充電系統結合在一起，將整個太陽能充電系統的元件置于鞋底安裝槽內，并使用蓋板及直流太陽能充電控制器進行保護，保證了鞋子使用的安全性，改進了上述的鞋子舒適性和美觀性不足的缺點。又增加了外部能源供給裝置，在能源無法得到保障的情況下，直接使用外部電源給鋰電池充電，解決了能源供應不足的問題。將太陽能充電與外部電源直接供給相結合，在保證電熱鞋原有保暖足部功能能夠實現的基礎上，又對太陽能這類綠色能源進行合理開發使用[3]。

1 結構設計

本設計在普通電熱鞋所具有的鞋體、電熱鞋墊的基礎上，增加了柔性薄膜太陽能板、直流太陽能充電控制器及鋰電池等零部件，組成一太陽能轉換電路，實現太陽能的轉換利用，并使用一外部能源供應裝置，在太陽能轉化效率過低時，以保證能源供應充足。

1.1 整體結構

該具有太陽能充電功能的電熱鞋，將普通鞋子、碳纖維電熱鞋墊及直流太陽能發電系統結合在一起，將鋰電池和直流太陽能充電控制器安放在鞋底安裝槽內的，電熱鞋墊置于鞋內，鞋面上裝柔性薄膜太陽能板，在鞋底側面開一外部能源充電接口，如圖1所示。

圖1 節能太陽能充電鞋整體結構

1.2 內部結構

在鞋底的安裝槽內放置鋰電池和直流太陽能充電控制器，并通過蓋板進行保護固定，柔性薄膜太陽能板使用粘膠固定于鞋面。利用電線將碳纖維電熱鞋墊、鋰電池、直流太陽能充電控制器、柔性薄膜太陽能板依次連接，構成一個直流太陽能充電系統，使太陽能系統的充電功用得以完成，如圖2所示。

圖2 節能太陽能充電鞋鞋底內部結構

在鞋底側面開有一與鞋底電池安裝槽連通的通孔，用于放置鋰電池充電接口，當太陽能不充足時，電熱鞋將存在充電效率低的問題，可通過該接口對鋰電池進行直接充電，彌補能量供應不足的問題，如圖3所示。

圖3 鞋底充電接口位置

2 工作原理及用途分析

2.1 工作原理

太陽能作為一種清潔的可再生資源，其具備安全、綠色可靠、資源充足等這些長處，在全球各地應用廣泛。目前的太陽能發電系統主要由太陽能電池組、蓄電池以及太陽能充放電控制器3大部件組成。太陽能發電有光熱發電和光伏發電[4]兩種方式，而平時所說的太陽能發電，就是上述兩種發電模式中的光伏發電。光伏發電[5]經過半導體的光電效應，將外界照射于太陽能板上的光能轉化成電能，并在控制器的保護下，將轉換的電能儲存在太陽能電池中，這種技術的得以實現就在于太陽能電池的使用。將小塊的電池串聯成大面積的太陽能電池組，再對其加以封裝保護，再結合蓄電池、太陽能充放電控制器等元件，這樣就組成一個完整的太陽能充電系統。本設計也就是運用了此原理來利用太陽能的，研究表明光伏發電方式有兩種，分別介紹如下。

（1）光——熱——電轉換方式

這種方式利用了光熱轉換、熱電轉換兩種原理，通過將太陽光的輻射能進行收集，轉化為熱能，再轉化為電能儲存起來的過程。第一個過程使用了光熱轉換原理，第二個過程使用了熱電轉換原理，其原理與火力發電相似。

（2）光——電直接轉換方式

這是一種利用光電效應進行電能轉化的方式，其直接將照射在太陽能板上的光能轉換為電能儲存于系統中的蓄電池內，因此對光電轉換的材料也有較高要求，目前主要使用的材料有單晶硅、多晶硅和非晶硅3類[6]。

本節能太陽能充電鞋的設計便使用的是光——電直接轉換方式，將太陽能系統轉化而來的電能儲存在安裝在鞋底內的鋰電池中，再供給加熱碳纖維鞋墊所需的能量，實現足部保暖的功能。再配以外部電能供給裝置，應對可能出現的能源供應不足的問題，其整體轉化流程如圖4所示。

圖4 整體轉換流程

2.2 元件介紹

因為鞋面是曲面，不能使用常規的太陽能板，所以采用柔性薄膜太陽能板[7]，其具有性能優良、成本低的優點，光電轉化效率可達50～60 W/m2，此外，使用柔性薄膜太陽能板將能夠最大限度地對鞋面上的空間進行利用，以達到最大光電轉換量，提升節能太陽能充電鞋的充電效率。

由于太陽能的蓄電池是置于鞋底的安裝槽內的，故不能采用普通的鉛酸電池，其重量過大，將會極大增加鞋子的重量，影響使用者的舒適性。而鋰電池具有重量輕、高溫適應性強、使用壽命長等特點，適合于在鞋內這種較高溫度的環境下使用，也不會對鞋體的重量造成較大影響，故選用鋰電池[8]作為節能太陽能充電鞋的電池。

為了保證直流太陽能轉換系統運行的安全性與穩定性，在系統中加入直流太陽能充電控制器[9]，其連接于柔性薄膜太陽能板與鋰電池之間，能夠在太陽能系統充電過程中起到防止充電過滿和保護鋰電池的作用，在鋰電池電量達到飽和時，及時切斷系統的充電電流，中止通電狀態，并通過控制器上的指示燈指示電池狀態，其基本結構如圖5所示。

圖5 太陽能充電控制器

選用碳纖維[10]作為節能太陽能充電鞋的鞋墊材料，相較于普通電熱鞋使用電阻絲作為電熱鞋的電熱材料，碳纖維電熱材料具有發熱快、健康環保、使用壽命長等明顯優勢，且其也具有一定的防水性，對于一些容易出腳汗的用戶，它的使用安全性也較高。

2.3 用途分析

在一些寒冷季節或者我國西北方這類嚴寒地區，無論是在室內還是室外，人們都經常會出現手腳冰涼，且一直無法恢復正常溫度的現象，這主要是由于天氣寒冷，外界環境溫度低所造成的。此外，除了外界溫度的影響，對于一些工作長時間不活動的工作人群，因長期沒有活動，足部的血液流動減慢，也易出現腳冰涼的情況。而結合我國目前的地理環境，南北跨度較大，太陽能資源分布也極為廣泛，再加之我國人口基數巨大，出現上述情況的人群也一定不在少數，對足類保暖的需求人群也將是龐大的，因此該節能太陽能充電鞋的市場應用前景是巨大的。

本設計最主要的性能就是保溫取暖，通過太陽能轉換的電能給鞋墊加熱，從而達到保溫取暖的作用，長期使用此款電熱鞋還能起到活血、活絡，促進人體的新陳代謝，起到強身健體和加強機體的免疫功能的作用，還能夠預防感冒及腳部凍瘡等[11]。其適用人群有：

（1）體質較弱、血液循環不暢這類冬季畏寒人群，如老年人；

（2）需要在一些環境溫度低的情況下工作的人群，如環衛工、石油勘探、冷庫工作人員等；

（3）長期久坐而缺乏活動的辦公室人群，公交客運司機等；

（4）交警巡查、部隊小區站崗人群；

（5）冬季怕冷的普通人群。

但其也具有一定的局限性，因為該節能太陽能充電鞋的工作原理是通過太陽能系統進行太陽能到電能的轉換，其除了太陽能系統本身轉化效率的影響外，還與柔性薄膜太陽能板的面積有關。上述介紹都是以成年人的鞋子大小為基礎進行的設計與計算，但對于兒童這類足部較小的用戶群體來說，其鞋體本身較小，因此，太陽能系統的各類元件規格也需隨之減小，光電轉換效率也將造成影響。

3 理論計算

該節能太陽能充電鞋選擇碳纖維加熱片作為鞋墊加熱材料，鋰電池作為太陽能蓄電池。其中鞋墊工作電壓U＝7.4 V，工作電流I＝0.5 A，鋰電池容量3 000 mA·h，可發熱時間t＝6 h，則工作總輸出：

太陽能系統采用光－電直接轉換的方式，柔性薄膜太陽能電池板的光電轉換率η＝50～60 W/m2，鞋面上柔性薄膜太陽能板面積S＝0.02 m2，則利用太陽能系統充滿電所需時間為：

4 結束語

該節能太陽能充電鞋的研究設計采用了當前應用廣泛的太陽能發電系統技術，并考慮到電熱鞋使用的安全性、舒適性及美觀性，在普通電熱鞋的基礎上進行改良，增加了太陽能充電系統和外部能源輔助部分。在實現了電熱鞋的保暖功能的同時，又對太陽能這類清潔能源進行了合理的開發與利用，節能環保。采用了鋰電池、柔性薄膜太陽能板、太陽能充電控制器、碳纖維電熱鞋墊等元件，并在鞋底內設置了安裝槽，優化了太陽能系統的發電效率，增加了使用者的舒適性，提高了產品的安全性，解決了現有的太陽能取暖鞋存在的光電效率低、能源供應不足的問題。