[一种太阳能电热LED照明雨伞的设计与实现]创新设计方案led雨伞
时间：2019-04-21 03:18:35 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：文章介绍了一种太阳能电热照明雨伞，所述雨伞包括伞面、伞骨、伞杆；以及伞柄，伞面内侧装有电热膜，在伞面外侧固定有以高品质柔性非晶硅材料制成的太阳能光伏电池，在伞柄内嵌入有蓄电池，在特质的空心圆柱型伞柄内置有LED高亮照明灯并将灯壳置于柄底部，柄上设有双开关。通过开关控制电热涂层的通电以及LED灯的开启，从而达到快速烘干和警示照明的效果。所述雨伞采用新型太阳能电池作为驱动能源，节能环保，且操作简单，造价低廉，具有较高的实用价值和市场前景。
关键词：太阳能；电热烘干；LED照明；节能环保
中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）11-0009-02
本项目设计的雨伞从使用者的舒适度出发，开发出电热烘干和夜间照明的实用功能，电热功能让使用者可以在需要雨伞立刻变干的时候通过拨动电热开关来迅速烘干伞面上的雨水，方便高效，安全可靠，同时，当使用者在夜间等能见度低的环境下打伞行走时，同样可以拨动开关启动位于伞柄下的高光LED灯来照明，既方便了使用者行走，又可以让过往车辆注意到行人，从而有效降低危险发生的可能性，此外，该伞以太阳能作为动力来源，既能缓解传统能源的实用压力，又能符合当前低碳环保的发展需求，为今后日常用品的设计和开发提供了新的思路。
1 雨伞的功能设计
该雨伞的理论外观结构如图1所示。结构和功能如下：伞面外侧铺有柔性非晶硅薄膜太阳能电池组件，主要作用是收集太阳能并转化成电能；伞面内侧铺有隔热性良好的电热膜，主要作用是通过短时发热来快速烘干伞面上的雨水；位于伞柄内的DC/DC变换系统，主要用来将光伏组件的直流输入电压降低到略高于磷酸铁锂蓄电池的电压（通常为3.65V左右）；在DC/DC变换系统的下部装设以CN3705电源控制管理芯片为核心的光伏组件充电电路，主要作用是在锂电池充电的各个阶段，通过调整外部功率晶体管，以合适的电流为电池线性充电；磷酸铁锂蓄电池位于伞柄内中部，用于存储光伏组件转化成的电能；安装在伞柄底部的LED灯，主要用于夜间为使用者照明；伞柄上装有开关，用于控制电热膜和LED灯的开启和关断。
2 雨伞的电路设计
2.1 太阳能光伏组件转换电路
该电路包括工作电压18V厂家长期供应便携式柔性非晶硅薄膜SPCA36.0（18.0）太阳能光伏组件和DC/DC转换系统，由于要对工作电压为3.2 V的磷酸铁锂电池充电，而所用的太阳能电池板的工作电压为18 V，开路电压为20 V，所以不能将磷酸铁锂电池直接连到太阳能电池板两端，所以采用带buck变换器的降压型DC-DC变换电路，将直流输入电压降低到略高于磷酸铁锂电池工作电压3.2 V（约为3.65 V）并且串联一个二极管以防止蓄电池电流回流到太阳能电池板。该部分电路图如图2所示。
2.2 电热膜和LED照明电路
照明电路核心使用ICM7555时基集成电路为核心，该时基电路是一个CMOS定时器电热膜工作电压为10V，功率为100W。电路图如图3所示。
2.3 LiFePO4蓄电池充电电路
根据李正鹏等人的太阳能光伏组件对磷酸铁锂电池充电电路的研究成果，由于磷酸铁锂电池的材料特性，故它的充电方式比较独特，通常分为以下三个阶段。第一，预充阶段，当电池电压降到某一个阀值时，充电器对电池用小电流进行充电。第二，恒流充电阶段，当电池电压达到恒流规定的阀值时，充电器以恒定电流对电池进行充电。第三，恒压充电阶段，当电池电压达到恒压阀值电压时，其充电量已经接近满格电量的40%～70%，为了进一步充满电池，采用恒定电压的方式继续充电，当充电电流逐渐下降到低于电池的0.1 C时，充电完成。所以我们选用电路的核心是CN3705电源控制管理芯片，该芯片能够独立对磷酸铁锂电池的充电进行自动管理，通过调整外部调整管，控制合适的电流为电池线性充电，更加符合磷酸铁锂电池三个阶段的充电特性，该部分电路图如图4所示。
3 该雨伞的实验效果
先将该雨伞撑开放在日间环境下接受阳光照射，从上午9点照射至下午4点后收起备用，然后将雨伞置于夜间阴雨天气中测试，当测试人员手持雨伞时，把手柄上的照明开关打开，位于手柄底部的LED灯即发出强度为400 mcd的光照，在未聚焦的情况下，测试人员可以清楚看见半径约2 m范围内的路面，当进入室内后将沾满雨水的雨伞撑起正放于地面，按下手柄上的电热开关后，经过10 min后伞面上的雨水基本消退，15 min后大部分消退，20 min后完全消退。但是当同时使用照明和烘干功能的时候，电力明显不足。
4 结 语
本太阳能电热照明雨伞采用新型太阳能电池板作为发电系统，在很大程度上提高了节能水平，但是也存在一些问题，如柔性非晶硅太阳能电池板的光电转化效率较低（约15%～20%），导致电力不足的缺陷，此外，由于受制于太阳光照，光伏组件的转换不稳定，所以，蓄电池的设置必不可少，传统用于光电储能的电池通常采用铅酸蓄电池和聚合物锂电池，成本低廉但是寿命很短，而本太阳能伞使用的蓄电池是磷酸铁锂电池，其循环使用寿命高达2 000多次，为同类电池中最高，除此之外，磷酸铁锂电池具有优良的安全性能，且高温充电时的容量稳定性好，由于P, Fe, Li等金属价格也相对便宜，所以电池成本不高。本太阳能伞的电路系统相对简洁，使得生产成本降低，而且性能可靠，烘干和照明效果较好，符合低碳环保的发展需求，可以在用电紧张的地区进行推广。
参考文献：
[1] 洪瑞江,沈辉.薄膜太阳电池的研发现状和产业发展[J].中国材料进展,2009,(9).
[2] 李正鹏,黄冬.太阳能光伏组件对磷酸铁锂电池充电电路的设计[J].硅谷,2011,(21).
