太陽能可升溫保溫杯創新設計

謝雨新 郭忠爽 羅旺

【摘 ?要】 隨著科學技術的發展以及大眾消費水平的提高，保溫杯功能的多樣化、智能化，以及節能低碳環保理念的推廣，使人們對保溫杯的功能提出了新的要求。太陽能作為高效率的新能源，成了環保設計應用的重要因素。文章闡述了太陽能在保溫杯行業的創新應用，貫徹了綠色環保的理念，真正將太陽能應用至大眾生活，讓大眾參與了國家的環境保護。

【關鍵詞】 太陽能;保溫杯;環境保護理念

市面上的保溫杯，大多數是由陶瓷或者不銹鋼加上一個真空層做成的，頂部有蓋且密封嚴實，以達到保溫的目的。保溫杯內的銀色內膽可以反射熱水的輻射，使杯膽和杯身的真空阻斷熱量的傳遞，而不易傳遞熱量的保溫杯，能阻止熱對流，從而達到保溫效果。

為了提高保溫杯的保溫效果，本研究在現有保溫杯的基礎上進行了改造和升級，以適應各種人群對杯內恒溫的要求，例如教師、律師和醫生等需要長時間工作及交流的職業。保溫杯可以直接加熱，如果杯內是藥物或者茶葉等，可以最大限度地保持其藥效和口感等。

一、太陽能可升溫保溫杯的基本原理

該保溫杯的外層主要應用了透光材料，具有簡單的防撞擊功能，內膽為不銹鋼，內外層中添加了兩個內膽，內層的內膽纏繞了電熱絲，外層的內膽鍍了銀或銅。鍍銀能夠提高瓶膽玻璃的反光度，如果反光度高，水瓶里的熱量就無法通過玻璃向外輻射。鍍銅則可以形成一層有效的隔熱層，既能把熱反射回去，又能防止冷空氣進入，從而減少了熱量丟失，做到了隔絕熱傳導。外層與內層中間添加了一個可彎曲柔性太陽能板和電熱絲，以實現該杯的保溫、可升溫功能。通過改變柔性太陽能板的排列形狀，將太陽能轉化的多余電能進行儲存，能夠增強多功能保溫杯的續航能力。考慮到實際的應用情況，可以添加熱敏電阻，設置加熱閾值，可以防止出現安全事故、增加實用性。在應用安全上，添加了電路總開關，防止出現干燒情況而導致安全隱患。太陽能可升溫保溫杯整體結構如圖1所示。

注：①透光材料;②柔性太陽能板;③沿杯壁纏繞的電熱絲;④磷酸鐵鋰電池、電路總開關;⑤自動反彈裝置;⑥鍍銀或鍍銅的保溫內膽

杯蓋設置了一個自動反彈裝置，以防忘記關閉杯蓋導致保溫杯的功能效率降低。本研究先將電熱絲、太陽能光板、滑動變阻器、電池、開關和保護電阻組成的電路安裝到杯子底部，然后將電熱絲與滑動變阻器進行串聯，此時滑動變阻器的開關能夠連接到轉動的絕緣轉盤上，隨后太陽能光板接收太陽能，將其轉換成電能。使用者可以根據個人的升溫需求，調節滑動變阻器不同的檔位，使杯子的溫度上升到相應度數。為了提高保溫杯的衛生性，杯內內置了紫外線除菌功能裝置。

（一）柔性太陽能板的選擇

本研究選擇了MPS5560高效單晶太陽能板，其重量輕、易攜帶、有一定的彎曲度，采用PET層壓，能夠用于太陽能發電、野外旅游等，是一種比較理想的太陽能板;其工作電壓為5.5V（±5%），工作電流為1000 mA（±5%），額定功率為6.0 W，轉換效率達21%。

（二）太陽能可升溫保溫杯蓄電池的選擇

因為太陽能板的輸出具有波動性，所以需要儲存到蓄電池后再進行釋放，使電流趨于平穩。一般的電池為鉛酸電池，需要將直流電轉換成交流電，因此需要使用逆變器提供的220 VAC、110 VAC的交流電源。而太陽能的直接輸出一般都是12 VDC、24 VDC和48 VDC，因此需要使用DC-AC逆變器。

磷酸鐵鋰電池具有體積小、重量輕、使用壽命長、容量大、充放電效率高和環保無污染等優勢，有利于優化保溫杯的性能，因此磷酸鐵鋰電池是一個較佳的選擇。磷酸鐵鋰電池的性能如表1所示。

磷酸鐵鋰電池的正極為橄欖石結構，由鋁箔與電池的正極連接，中間是聚合物的隔膜，將正極與負極隔開。鋰離子Li+可以通過隔膜，而電子e-則不能通過。電池的負極由碳（石墨）組成，由銅箔與電池的負極相連，電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。

磷酸鐵鋰電池在充電的過程中，正極中的Li+通過聚合物隔膜向負極遷移，在放電的過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。公式為：

充電：LiFePO4-xLi+-xe-→Li1-xFePO4

放電：xLi++xe-+6C→LixC6

總反應：LiFePO4+6C=FePO4+LiC6

二、太陽能可升溫保溫杯的電路設計

在本設計中，導線在柔性太陽能板保溫杯的杯壁纏繞一圈，實現了杯壁的加熱，從而使水溫保持恒定或升溫。向下走向的導線與保溫杯杯底的開關相連，再由導線將電池、開關與電熱絲、保護電阻、滑動變阻器，以及在太陽能可升溫保溫杯杯底處的柔性太陽能板進行串聯，將滑動變阻器與轉動的絕緣轉盤進行連接，以實現不同檔位的調節。向上走向的導線則連接了瓶口的自動反彈裝置。

太陽能可升溫保溫杯杯底的電路設計如圖2所示。

注：①負極;②防反射隔膜;③N型半導體;④P型半導體;⑤正極;⑥定值電阻;⑦電熱絲;⑧保險絲

太陽能轉化成電能的效率公式：

η=Pout / Pin×100%

假設一塊光伏組件的面積分別為1.638 m2（0.992 m×1.652 m）和3.895 m2（0.992 m×1.956 m），輻照度為1000 W/m2時，則1.638 m2組件上接收的功率為1638 W，功率為255 W時，太陽能轉化成電能的效率為15.6%，即：

Pout=I×V=8.37×30.5=255.285W

η=×100%=15.6%

由上述公式的計算結果和柔性太陽能板的轉換效率可知，由太陽能轉換成電能的效率，可以給保溫杯加熱，并使保溫杯中的水保持在恒溫狀態。

三、太陽能可升溫保溫杯的散熱說明

Q=cmΔt

公式為物體吸收（放出）熱量的公式。式中Q為物體吸收（放出）的熱量、c為物體的比熱容、m為物體的質量、△t為物體升高（降低）的溫度。

已知柔性太陽能板每平方米的功率為150 W，水的比熱容為4.2×103 J/（kg·℃），設定該太陽能可升溫保溫杯的容量為700 ml，柔性太陽能板的表面積為500 cm2，保溫杯加熱1 h，由公式Q=cm△t，可以計算出△t大約為10 ℃。根據計算結果可知，該太陽能可升溫保溫杯能在一定基礎溫度上，使杯內溫度保持不變或逐漸上升到一定的溫度。

通常，保溫杯的保溫時間應該在6小時以上，保溫效果應該在60℃以上，即保溫杯的保溫效率至少應達到45%以上，在保溫的同時，貯存物溫度的升高率比室內溫度低45%以上。該太陽能可升溫保溫杯在符合國家標準的基礎上，能有效減少散熱量、實現高保溫。

四、太陽能可升溫保溫杯的優勢

太陽能可升溫保溫杯利用了紫外線除菌功能，而紫外線消毒技術具有較高的殺菌作用。根據針對衰減常數k的研究來看，影響保溫杯消毒效果的因素包括微生物種類、環境參數等，因此在空氣中的k值，往往大于處于表面上的k值。根據針對輻照度I的研究來看，其影響因素包括紫外光源、紫外線強度場分布和反射率等，研究紫外光源的最終目標是無毒、節能和高效。如果保溫杯的相對體積較小，則單位面積的紫外線強度較大、殺菌消毒的效果較好。通過紫外線除菌技術能夠減少水垢和細菌的產生，減少了人們清理保溫杯的麻煩。

太陽能可升溫保溫杯利用可彎曲柔性太陽能板，增加了受光面積，使其能夠進行充分的光電轉換，也解決了太陽能電池板在陰雨天無法產生電能的問題。

杯體外殼采用了可循環使用的環保材料，內膽采用了環保不銹鋼，杯體外殼和內膽外壁之間夾有真空絕熱層，防止散熱，能使杯體長時間保溫。內膽中間充入的石蠟類相變蓄熱材料可以存儲熱能，大幅提高了其保溫效果。

五、大眾對太陽能可升溫多功能杯的接受度調查

為了進一步了解大眾對太陽能可升溫多功能杯的接受度，以及太陽能可升溫多功能杯與市場上普通保溫杯在性能方面的差異，本團隊于2022年10月對普通大眾的喜好進行了相關研究，根據實際情況，再結合與本項目研究的理論觀點，設計了一份問卷，主要涉及三個方面的內容：1. 針對不同的大眾特征;2. 著重了解大眾對現有保溫杯產品的滿意度;3. 重點調查大眾對太陽能可升溫多功能杯的期待程度，以及是否會因其功能產生消費。

根據問卷情況的分析可知，保溫杯的使用者多為學生、在職工作者，其中女性普遍更看重太陽能可升溫多功能杯的保溫性能。在大眾群體中，七成人數認為，將太陽能環保技術應用于保溫杯行業十分可取，對保溫杯更長久的恒溫有極高的期待度。這證明了本項目在投入市場后，將會有極其可觀的回報。

六、結語

根據相關數據和資料，以及貫徹國家節能低碳、綠色環保的理念，太陽能在我國的應用相對普遍。因此太陽能可升溫多功能杯項目也具有較好的市場前景，該項目的應用與量產，也可以推進我國太陽能資源的相關利用，在一定程度上促進了我國節能環保事業的發展，能夠讓大眾更好、切實地參與到清潔能源的利用中，減少了常規化石燃料對水質、空氣和土壤的污染，為我國的可持續發展戰略貢獻了自己的力量。

參考文獻：

[1] 王偉，黃晨，宿春曉. 室內紫外線照射殺菌技術十年研究綜述[J]. 暖通空調，2022，52（07）：18-25

[2] 江涌，魏斯勝，韓心如，等. 可蓄熱新型多功能保溫杯的技術研究[J]. 設備管理與維修，2022（02）：42-44.

[3] 李立群，余新杰，陳宇. 太陽能光伏發電在市政照明中的應用[J]. 光源與照明，2022（10）：113-115.