衣物式智能便攜太陽能充電器

衛倩

（安徽三聯學院，安徽合肥，230601）

0 引言

普通常規的太陽能電池為了保證有足夠的光電轉換效率，往往會比較笨重。原本設計衣物式便攜太陽能充電器時，因為考慮到太陽能電池較重不利于便攜，且為了達到快充的目的而只嘗試如何提升光電轉換效率。即便光電轉換效率較高，衣物式便攜太陽能充電器的使用條件比較苛刻，這對于產品進入市場十分不利。使用衣物式便攜太陽能充電器共有以下兩個條件與缺陷：

（1）受環境影響大。光照必須足夠強才能使產品能夠獲得足夠的光照。光照是直接影響光電轉換速率的基礎條件。

（2）無法儲存電量。太陽能充電器是以太陽能電池為核心器件。為了更加輕便與環保因素，沒有加上儲蓄電池。因此衣物式便攜太陽能充電器只能將太陽能轉化為電能，無法做到儲蓄電能。使用者穿戴使用過程中，從光照強的地方走入陰影處，會直接無法供電。

因此在衣物式便攜太陽能充電器做了優化后的—衣物式智能便攜太陽能充電器。首先，為了環保與輕便，還是不加入儲蓄電池。為了避免出現當衣物式智能便攜太陽能充電器不會因為沒有光照而立刻無法供能的現象，智能調控電流的速率是一個可行的思路。當有強光照的條件下，可以使用高光電轉換效率的充電方式；當即將步入陰暗處，將電流速率變慢，做到弱光照甚至無光照的條件下也可以實現充電功能。此外，衣物式智能便攜太陽能充電器需要設置多個接口，去做到盡量滿足使用者對于戶外小型移動電子設備的充電需求。

1 充電接口設計

為了滿足使用者對于常見移動電子設備的充電需求，選擇并篩選了主要的接口，如表1 所示。接口選用了一些戶外常見使用的手機接口、筆記本電腦以及相機類產品的配備的型號。衣物式智能便攜太陽能充電器依舊只適用于應急情況。如很多筆記本電腦依舊是傳統DC 接口，這種圓形孔的充電接口往往被需要配備變壓器，這并不符合便攜的特點。

表1 適用接口類型

接口的數量與使用者使用的便捷性無疑是呈現正態分布的。接口數量多，會不利于接口位置設計，也不利于使用者進行接口類型識別。因此，衣物式智能便攜太陽能充電器配備8 個接口，足以滿足人們日常外出的充電需求。

接口的位置設置共有兩個方案：方案一是利用衣物下擺位置進行接口的固定。衣物的俯視圖所得出的是一個近圓形的圖案。這有利于接口間有距離的分開固定。但穿戴衣物時，常用的會是衣物正方下擺處的充電接口。這會導致接口設計不便于使用。方案二是將接口固定于衣物正前方替代扣子的使用。將接口分別等距固定在衣物兩側，接口外側套有磁吸式保護套，可以與另一側接口的保護套直接合并。使用時可以直接將接口從保護套中取出。如圖1 所示接口可被磁吸保護套保護，延遲其使用壽命。兩端的磁吸保護套會自動吸引，可以避免保護套的丟失，也可以使得穿著者省去扣扣子的麻煩。實際穿著時，使用者可以直接采取套頭式穿法來保護接口。

圖1 接口設計圖

如果拋棄所有接口，使用無線充電其實會更便于使用。但是無線充電利用磁場變化進行充電。設計中使用的磁簧開關會因為這個產生影響。故不選用無限充電的方式。并且利用無線充電的移動電子設備，基本只面向于手機。這會造成使用者的不便。

2 智能儲能系統設計

不同移動電子設備接受的最大電流不同，根據電流的大小可以滿足不同的充電需求。如led 燈所需的電流會比較小，以此來保證led 燈可以使用較長時間；而急需充電的手機與筆記本電腦等可以增大輸出電流來減少使用者使用缺電的電子設備造成的不適感。因此為了解決僅有的太陽能電池無法完成的供電情況，設計了用電容替代儲蓄電池對接口處連接的設備進行充放電。因此用電容進行了儲能系統的設計。

從圖2 中可以看出，儲能系統主要是由逆變器、并聯電容于整流器組成。電容接受和釋放的均是交流電，而移動電子設備用直流電是更普遍的。因此太陽能電池獲得光源處的能量轉換成電流，在逆變器完成直流電向交流電的轉換。這也是讓電容進行充電的過程。逆變器共有兩個作用：①電容無法使用直流進行充電，逆變器可以將太陽能電池輸出的直流電轉變成電容所需要的交流電。②逆變器還可以使電容無法對太陽能電池進行放電過程。太陽能電池接受到電容的放電，會縮短太陽能電池的使用壽命。

圖2 儲能系統原理圖

電容的電容量與其能儲存的電量是正比關系。大容量的電容成本會更高，所以此處采用多個同規格的電容進行并聯來儲存電量。之所以用同個規格的電容是因為不同電容對于電壓的要求不同，從產品的實用性與安全性看，同個規格的電容更便于產品設計和儲蓄功能實現。

磁吸式保護套會吸引內側開關，使用時將磁吸式保護套拿下，此接口的磁性開關閉合，所有電容開始向此接口進行充電過程。當磁吸式保護套位于接口上，磁力使磁簧開關呈現斷開狀態。

電容使用時輸出電流為交流電，移動電子設備所需電流是直流電。因此在并行電容與接口之間加入整流器。加入整流器最主要的目的是將交流電轉變成直流電供給移動電子設備充電使用。同時加入整流器，可以延長電流在衣物式智能便攜太陽能充電器中的過程，很大程度上改善出現使用者一旦位于陰影處電流立馬消失的現象。

3 智能開關的使用

隨著社會時代的發展，智能開關開始改善人們的生活。智能開關可以檢測數據并發送至移動手機app，也可以實時或定時控制開關使用電器。在衣物式智能便攜太陽能充電器中應用智能開關，可以實時檢測是否有電流泄漏問題；還可以檢測各硬件的使用情況去進行及時的進行更換維修；最關鍵的是可以智能控制電流位于衣物式智能便攜太陽能充電器中的各器件使用。

設計衣物式智能便攜太陽能充電器中共使用兩個智能開關與8 個智能磁簧開關。如圖3 所示，智能開關1 通過手機控制太陽能電池產生的電流是直接流向接口還是要經過儲能電路再流向接口，也可控制同時進行電流的輸出。智能開關內也加入電流表去檢測電流大小。因此智能開關1與智能開關2 之間檢測出的電流進行分析，即可檢測是否有漏電現象發生，保證產品使用者的安全性。

圖3 整體原理圖

此外，智能開關還應用于磁性開關位置處。磁性開關閉合原本是通過接口處的磁性保護套控制。磁性會隨著使用時間變長而減弱。將智能開關用于磁性開關中，直接通過手機端進行開關控制，實施檢測充電接口的輸出電流數值發送至手機端。當磁性開關因磁性減弱而無法使用時，直接通過手機控制多個智能磁簧開關的使用狀態。

智能開關在衣物式智能便攜太陽能充電器中，主要起到的作用共有兩點，一是控制電池的大小；二就是檢測各個開關呈現閉合狀態或斷開狀態。

4 智能磁簧開關

一般磁簧開關[1]沒有磁場影響時，可切換的簧片與常閉簧片接觸，這也就是斷開現象。因為磁性保護套的保護作用，所以將可切換簧片在無磁場作用時與常開簧片接觸。這樣使得有磁性保護套位于接口上時，磁簧開關因為磁力影響與常閉簧片接觸，處于斷開狀態。

將磁簧開關與智能開關的功能融入，形成智能磁簧開關。智能磁簧開關中具有電流表來實時監控電流數據，當電流數值過大進行斷電功能。同時將電流信息發送到手機端，以供實時查閱。通過手機端也可以智能控制個磁性開關的閉合與斷開。考慮到磁性開關受磁力條件下，磁力保護套的影響比較小時，通過手機端app 來控制開關閉合。

圖4 整體硬件電路圖

設置智能磁簧開關的目的是讓使用者可以大幅度的利用太陽光產生的電能。當使用者將衣物式智能便攜太陽能充電器放于家中陽臺的能接受到光照的地方給移動電子設備充電。使用者檢測到移動電子設備滿電狀態時，可以通過智能磁性開關進行斷電工作，而無需實時監控。

5 總結

衣物式智能便攜太陽能充電器考慮了兩種方案。通過手機端控制智能開關的接入電路。當光源較強，太陽能電池轉化的光源會一部分流向儲能系統，一部分直接通過導線供給接口進行電子設備的充電。而當光源較弱時，太陽能電池所能轉化的電能全部供給電子設備后，由儲能元件替代太陽能電池完成充電。而選擇何種方案，是有使用者在手機端app自己控制，以此來達到使用者的對于不同移動電子設備充電的需求。

在儲能元件中，用并聯電容器替代儲能電池可以極大地減輕重量，并且對于環境的友好度會較高。儲能電池的原料一般會對環境造成危害，而電容元件造成的危害會更小。而之所以使用并聯電容器，是因為單個電容的電容量無法達到要求。當電容量越大，所能儲存的電能也就越大。并聯電容器用同種規格的多個電容進行并聯，同規格會導致電容電壓不同而導致無法正常工作。將同種規格的電容器并聯在一起時，電容量會大幅度提升。同時使用多個同規格的電容比大容量電容的制作成本要更低，維修成本也更便宜。當電容出現損壞的情況下，并聯也不會很快影響到整體供電。

儲能系統中加入逆變器和整流器，是進行交直流轉變。一是可以適當延長電流的傳輸速率。二是讓并聯電容作為儲能器件正常工作。

本文的創新點也在于使用并聯電容替代儲蓄電池使用來保護環境且易于便攜。以及將智能開關應用于磁簧開關中，使得使用者可以通過手機app 控制智能開關的狀態來選用適合自己的模式。

6 展望

隨著智能化水平越來越高，人們對移動電子設備的依賴越來越深。當人們對于移動電子設備的接口擁有統一標準時，可以將衣物式智能便攜太陽能充電器的口設計復雜度大幅度降低。

為了提升衣物式便攜編寫太陽能充電器的智能化程度，是否可以將移動電子設備接一個反饋到智能開關1 處，進行一個實時檢測電量，滿電時自動斷電。而這需要與移動電子設備進行一個信息交換過程。為了保證智能開關的準確性，是否可以檢測移動電子設備滿電后給移動手機發送斷電請求。使用者結合電流數據判斷情況是否屬實。這是未來需要研究的。