多功能太阳伞的设计分析

摘 要：本次研究设计一种多功能太阳伞，伞杆的内部有MP3播放器、集成电路板、蓄电池、照明装置。伞面顶面有多个太阳能电池板。伞杆杆壁上有耳机插孔、MP3控制键、MP3数据传输插口、照明装置、控制开关、手机充电USB。本次设计的多功能太阳伞使用和加工都比较方便，结构新颖，功能多样，具有较强的实用性，并且节能环保、美观大方，成本比较低，是一种兼具实用性和经济性的多功能太阳伞。

关键词：多功能；太阳伞；太阳能；实用性

中图分类号：T472 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0000-00

人们通常在炎热的天气使用太阳伞遮阳，传统的太阳伞价格高而且只是用来遮阳的，随着人们需求的提升，对太阳伞提出了更多的功能要求[1]。大多功能需要电力的支持，不方便人们使用。目前还没有能够遮阳的同时，提供电力的太阳伞[2]。利用太阳光提供电力，设计多功能的太阳能是可行的。当前国家倡导发展使用新能源，注重环保，本次设计多功能太阳伞，充分利用太阳能提供电力，满足人们的多功能需求。

1 总体设计

本次基于人们日常生活使用的需求，设计新型的多功能太阳伞，如图1所示。1表示伞面，2为导线，3为太阳能电池板，4为伞骨，5为蓄电池，6为伞杆，7为集成电路板，8为MP3播放器，9为MP3控制键，10为耳机插孔，11为MP3数据传输插口，12为手机充电标准USB口，13为照明装置控制开关，14为照明装置。

图1 总体设计结构示意图

本次设计的多功能太阳伞，以导线作为连接，连接所有的电子器件，形成一个整体回路。多功能太阳伞中的收集和存储电能的系统，主要是蓄电池和太阳能电池板。其他部件都是耗电负载的部分。在太阳伞的伞杆底部，实行L型的加工方式弯折。为方便人们使用，大约高于九十度的弯折部分。照明装置以及相应的控制开关，安装在伞杆底部的弯折部分前端。当在光线不好或者夜间使用太阳伞，可以通过照明装置照明。在两根伞骨之间，安装有太阳能电池板。太阳能电池板靠近伞骨的同侧位置。通过蓄电池、导线、集成电路板，将太阳能电池板连接成回路，从而发挥太阳能的作用。本次设计的多功能太阳伞，有照明功能、手機充电、MP3播放、遮阳等作用。在光线充足的条件下，太阳能电池为各个装置发挥功用提供相应的电力[3]。当光照不充分的情况下，或者无光照时，供电主要使用蓄电池。由于太阳能板的存在，以及蓄电池的作用，可以将光能转化成电能，在蓄电池中存储，使人们更加方便地使用。

2 太阳能光伏发电系统

2.1 太阳能

太阳能指的是太阳的热辐射能，主要表现为太阳光线[4]。太阳能通常用来发电，或者应用于热水器中[5]。人们的生产生活都离不开电力行业，我国长期以来以火力发电为主，煤炭是电力供应的主要能源，电力行业是碳排放的主要来源之一，随着经济的发展，环境问题越来越突出，实现经济发展和环境保护的和谐统一，是影响我国经济健康稳定发展的一个重要问题。在环境压力下，新能源的地位逐渐凸显，包括地热能、太阳能、风能、核能、生物能等等，为促进新能源发电的利用，我国出台了许多相关政策，提高新能源发电在电力行业中的比重。太阳能是一种重要的新能源，是新兴的可再生能源。随着化石燃料的减少，利用太阳能已经成为共识。太阳能也得到不断发展。

太阳能的利用有两种，光电转换和光热转换。太阳能发电有太阳能光发电和太阳能热发电。太阳能光发电是不需要热传递，将光能直接转变成电能，常用的是光伏发电。太阳能热发电系统由储热、传输和集热部分组成，根据聚光式系统，有碟式太阳能热发电系统、槽式和塔式[6]。太阳能光伏发电系统主要由超级电容、蓄电池组、光伏电池模拟器、系统监控、正弦波逆变器等组成。太阳能发电系统的组成部分主要有蓄电池、太阳能控制器、太阳能电池组。如果输出的电流是110V交流或者220V交流，也需要逆变器。太阳能普遍、无害、巨大并且长久，太阳光没有地域的限制，可以直接开发利用，因此也可以直接应用于本次多功能太阳伞的设计中，不需要开采和运输。太阳能是清洁能源，有利于环保，本次设计中使用太阳能，达到了节能环保的效果。太阳的能量的长久的，可以为多功能太阳伞提供源源不断的电力，能耗成本低，便利人们的使用。但同时也会受自然条件和天气等随机因素的影响，具有不稳定性。

2.2 太阳能光伏发电系统

地球自西向东自转形成昼夜，自转的同时围绕太阳公转，对于地平面来说，由于自转和公转，太阳位置不断变化。太阳能光发电包括光伏发电、光化学发电、光生物发电、光感应发电等。光伏发电依据光生伏特效应的原理，通过太阳电池将太阳光转变成电能，是太阳光发电的主流。在太阳能光伏发电中，首先要建立太阳位置模型，地面接收到的太阳能量是时刻变化的，太阳位置的变化，太阳入射角也会随之改变。在光化学发电中，实际应用最广的是光伏电池，光伏电池在工作环境中可能受到粒子辐射、温度、光照等多种因素的影响，温度和光照是时常存在的。在一定的温度和光照下，光伏电池的电流、电压和输出功率都是不断变化的，需要找到最佳输出功率，最大化地利用太阳能。太阳能光伏发电系统需要考虑该地的日光辐射情况，承载的负载功率，系统每天工作的时间，输出电压是直流电还是交流电，如果是阴雨天气，需要系统连续供电时间。

本次设计的多功能太阳伞，主要满足人们的日常生活需求，具有较大的实用性。在设计中制作小型太阳能光伏发电系统，为实现太阳伞的多功能提供电能。光伏发电系统主要使用蓄电池、太阳能电池板，如下图所示。太阳能电池板是利用太阳能发电中，设计系统的核心部分，是重要的部件之一。太阳电池是否有使用价值，主要与太阳能电池板的使用寿命、转换率有关。太阳能电池板将光能转化成电能，可以在蓄电池中存储输出的直流电。太阳能发电系统是一种装置系统，利用电池组件，将太阳能转变成电能。太阳电池组件在光照条件下会产生一定的电动势，串并联形成太阳能电池方阵，达到合适的电压。蓄电池充电利用充放电控制器，可以存储电能。太阳能电池和蓄电池组成系统的电源单元，系统的工作特性受蓄电池的性能的影响。

光伏发电中对太阳辐射能的吸收，主要使用太阳能光伏电池这种半导体电子器件。通过太阳能光伏电池，将太阳能转化成电能，从而为太阳伞配备的耗电负载服务。单个太阳能电池板的电压比较低，因此使用多个太阳能电池板，将它们串联起来，形成有实用价值的单元。串联多个太阳能电池板，能够为耗电负载提供电能，为蓄电池充电。本次设计中的蓄电池，作为一个储能的装置，方便在光照不足和夜间使用。在光照不足、夜间，或者负载消耗的电能超过太阳能电池板的电量时，作为储能装置的蓄电池就负责供电，使各项功能能够正常使用运行。

在多功能太阳伞的实际应用中，不同地理位置的太阳光照实际情况有所差异，并且要兼顾制造成本，要合理使用太阳能电池板和蓄电池组。根据实际情况制定具体的数量。以Ns表示太阳能电池板串联数，蓄电池浮充电压为Uf，太阳能电池组件最佳工作电压为Uoc。太阳能电池方阵输出最小电压为UR。其他因素因数引起的压降为UC。二极管压降为UD，取值0.7V。公式为： 。太阳能电池组件的日输出量为负载的1.25倍，工作电压是其的1.4倍。蓄电池组容量Bc，为最长连续阴雨天和日工作时数和CX负载工作电流的乘积。C=1.8为酸性蓄电池，C=1.5为碱性蓄电池。如果最低温度为-10℃，乘以1.1。

3 多功能太陽伞的特点

本次设计的多功能太阳伞，将太阳能电池板装置在伞面上，太阳能电池板使用多块，用导线串联，能够随时向蓄电池充电。太阳能电池板也能够为耗电荷载提供电能，实现各种携带的功能，照明装置、MP3播放器等。多功能太阳伞使用小型的太阳能电池板，在伞骨的同一侧装置，质量很轻，容易携带，体积也比较小，不容易损坏，也方便收起太阳伞。随着手机的普遍应用，手机充电成为重要的问题，本次设计的多功能太阳伞，设置有USB口，方便使用者可以随时为手机充电，满足人们的生活需求。设计的多功能太阳伞中装置MP3播放器，可以让使用者随时收听音频，并且有耳机插孔、数据传输接口等，功能齐全。设计中考虑到使用者的提拿，伞杆底部弯折角度略大于九十度，成L型。考虑到夜间照明问题，设置有照明装置和开关，对使用者来说比较实用。本次设计的多功能太阳伞，加工方便、使用方便，结构新颖，实用性强，成本低，并且做到节能环保，兼顾经济效益和社会效益。

总之，多功能太阳伞考虑到人们日常的使用，集中多种电子部件，通过太阳能提供负载消耗的电能，具有较强的实用性。多功能太阳伞方便使用者的同时，也体现了绿色环保的理念，可以加工使用。

参考文献

[1]谭丁铭，卫江红，赵俊伟，等.太阳能空调伞的设计[J].内蒙古科技与经济，2015，（20）：75-75.

[2]张晓明，潘启明，朱明慧，等.基于单片机的太阳伞随动系统设计[J].林业机械与木工设备，2012，（5）：46-48.

[3]王玉勤，张连新.一种新型太阳伞的设计[J].佳木斯职业学院学报，2015，（3）：395-396.

[4]田鑫.太阳能智能降温可充电太阳伞设计[J].科技视界，2016，（15）：275-276.

[5]林虎，杨健.太阳能风扇伞的设计[J].机械研究与应用，2013，（5）：120-121.

[6]高超.太阳能发电伞[J].物理教学探讨：初中学生版，2010，（5）：62-62.

收稿日期：2018-06-11

作者简介：李子玥，女，江苏南京人，研究方向：机械设计、太阳能。