太阳能智能降温可充电太阳伞设计

田鑫

【摘 要】太阳伞是人们夏天旅行必备的物品，然而即使在太阳伞的保护下还是酷热难耐。为了解决这个问题，笔者设计了一种太阳能智能降温太阳伞。该伞从太阳伞顶部的太阳能电池上取电，通过超声波换能片将水雾化，然后过风扇将水雾通送出，使其快速蒸发吸热达到降温的目的。富余的太阳能还可以伞体上的锂电池充电，以备阳光不好时使用，并且还可以通过外接USB接口为手机充电。使用者还可以根据自身的情况，设置该伞自动降温的温度上限；不但如此该伞还留有物联网接口，为以后功能升级和物联提供支持。

【关键词】水雾化；太阳能；降温太阳伞；太阳能充电；智能降温

0 引言

在炎热的夏天，户外的烈日和酷热很大程度上阻碍了人们外出，于是就有人发明了太阳伞。然而传统的太阳伞有很大的缺陷，在烈日下传统的太阳伞只能遮阳而不能消暑，并且价格昂贵。通过对传统太阳伞的不足进行分析和改进，笔者设计出了一款节能环保的智能降温太阳伞，使智能降温太阳伞不但兼备了传统太阳伞的功能，而且还可以智能降温和实现物联功能。

1 结构设计和原理方法

1.1 结构设计

伞体设计本着方便实用的设计原则，使伞的整体结构与传统太阳伞的结构并无太大的差异。从顶至下，伞顶周围是缝合在上面的柔性太阳能薄膜电池；在伞的主骨上面是卡扣的3个柔性扇叶小风扇，在风扇的侧上方3个是超声波雾化换能片和3个个方便拆卸的储水盒；在伞的上弹片处设置有一个安全开关，用于保障使用者和太阳扇的安全；在伞的中棒上嵌入温湿度传感器，实时监控伞下温湿度，以便实现智能降温控制；在伞柄上设定有风速控制按键，喷雾量控制按键两个按键和一个电源开关；在伞柄底部有一个用于充电的micro USB接口和一个标准5V电源输出的USB接口。

1.2 工作原理

在使用时，打开伞柄上的电源开关，然后滑动下巢撑开伞，在下巢触动上弹片上的安全开关后，系统自动启动风扇系统和喷雾系统。在阳光的照射下，太阳能薄膜电池将光能转换为电能，通过开关电源升压输出标准的5v直流电源为控制系统和为锂电池充电。当需要为外部供电时，插上USB公头后，系统会自动将锂电池的电能转化为USB输出，为外部设备供电。伞柄底部的micro USB接口为电池充电。使用者可以根据自身的情况，通过伞柄上的风速设置安钮和喷雾量安钮去设置风速和雾量。在系统工作的时候系统会实时的去采集伞下的温度和湿度，并通过蓝牙4.0将数据传送至手机，使用户能直观的了解当前环境参数。结合回传给手机的参数，用户也可以通过手机控制伞的工作状态（图1）。

2 硬件设计及实现

2.1 降温系统设计

2.1.1 电路设计

降温系统采用的是电风扇和雾化降温。其中主要涉及两个部分，电机驱动和超声波换能片的驱动。电机的驱动控制采用的是用单片机通过PWM方式去驱动一个N型MOS管从而控制电机的转动和转速。超声波换能片的驱动采用的是逆变的方式，首先是单片机输出特定频率113kHz的方波去控制MOS管，使其在变压器的输入端产生一个频113kHz，幅度为5v的高频交流电，经变压器升压波形整形后输出一个113kHz的正弦信号去驱动超声波换能片（图2、图3）。

2.1.2 材料选取

电机的选取。风扇驱动电机，我们选取的是130小马达，其主要特点有，体积小、重量轻、价格便宜、易于安装；其工作参数为，工作电压1-6V，在3v空载的条件下转速为17000-18000转/分钟。相比于同等大小的空心杯电机来说成本更低，易于安装便于维修。其缺点在于，噪音大在重负荷下发热量相对较大。因其低廉的价格和易安装性我们选择了130小马达。

超声波换能片我们选取的是微孔超声波雾化片，选取的原因在于其拥有功功耗低，表贴式不用将换能片浸没在水中，喷雾量为每小时50-80ml水和水雾直接喷射等特点。

2.2 太阳能充电系统设计

太阳能充电系统由量大部分组成，第一是太阳能电池，第二是充电电路。

太阳能电池的设计，采用的是多片太阳能能电池片串并联的方法组合而成的，这样组合的好处在于能提供较大的工作电流以满足系统的正常工作。在结构组成上是由5片太阳能薄膜电池片并联，然后六组串联组合而成。最终合成的太阳能电池的参数是，工作电压在3.6V，工作电流在理想光照条件下能达到1.2A。组合图（图4）。

太阳能充电电路设计，太阳能充电电路采用的外接充电和太阳能充电两种结合在一起的方式。外接充电是通过外接电源为伞上面的锂电池充电，太阳能充电则是太阳能电池经过升压变换后为锂电池充电。

外接充电采用的USB充电方式，在PCB板上留有标准的microUSB充电接口。外部5V直流电源输入经过TP4056锂电电池充电管理芯片后输出标准的4.2V电压，然后经过由8205A和DW01组成的锂电池过放过充保护电路为锂电池充电。其电路设计图（图5）。

太阳能充电电路设计，由于太阳能电池输出的电压为3.6V，不能达到锂电池的充电标准。因此在充点电路之前需将其通过开关电源进行升压变换输出5V电源，变换之后再送入锂电池充电电路，为锂电池充电。其中升压模型采用的是常用的Boost升压模型。在具体的电路设计中升压芯片采用的是FP6291，其体积小工作电压宽为2-16v，内置MOS管，低导通电阻，最大输出电流为2A。其设计电路图（图6）。

2.3 对外供电系统设计

对外供电主要是才用的USB对外供电。其原理是将存储在锂电池中的电能同过升压变换电路变换输出5V标准电源，为外部电子设备提供充电服务。其电路设计由前面所提到的锂电保护电路和升压电路组成。

2.4 控制系统设计

系统控制是采用的是STM32F103C8T6作为主控芯片。STM32F103C8T6芯片带有丰富的外接扩展功能。其中包含4个独立定时器，3路串口，10路ADC通道，两路I2C和两路路SPI通信接口，多达10几路PWM输出等。

2.5 太阳能电池和锂电池的选择

太阳能电池片的选择，太阳能电池片的选择可以选用柔性的有机太阳能薄膜电池片、单晶硅太阳能电池片、多晶硅太阳能电池片。柔性太阳能电池具有可卷曲性且弱光性能很好，理想光照情况下带载能力良好，转换但是价格非常的昂贵。单晶硅和多晶硅的弱光性能较差，理想光照情况下带载能力强，价格较柔性太阳能电池薄膜便宜很多，而且在良好的光照情况下转换效率较柔性太阳能电池片高，但是其有一个缺点就是很脆弱容易弄碎，不过在组装合适的情况下也能达到较高的强度。从经济实用的角度去考虑，我们选择的是单晶硅的太阳能电池片，其参数如（表1）。

锂电池的选择。通过对市面上的锂电池的调查，根据价格、容量和形状分析，我们选择了锂聚合物电池。改的电池没有记忆性，可以随充随用，不爆炸、环保无毒、轻便。表2为锂聚合物电池参数。

3 结语

智能太阳伞的经过人性化设计，在功能方面实现了自动温度上限降温，太阳能充电存储和对电子产品充电等功能。在外观上由于实验条件合技术的关系，设计的效果跟理想状态下的有一定的差别。充分利用了夏日丰富的太阳能资源，在能源方面做到了环保无污染实现了资源的可持续发展。综上所诉，只要做好了结构外观设计，雾化降温太阳伞在现实生活中定会有广阔的前景和市场潜力。

【参考文献】

[1]惠晶.新能源转换与控制技术[M].北京：机械工业出版社，2008.02.

[2]冯垛生.太阳能发电原理与应用[M].北京：化学工业出版，2008.02.

[3]林虎，杨健.太阳能风扇伞的设计[J].机械研究与应用，2013.26（5）：121.

[4]王宁寰.节能减排：低碳生活的必由之路[M].济南：山东教育出版社，2010.

[5]刘宏等.实用太阳能光伏电源系统[M].北京：化学工业出版，2007.2.

[6]沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版，2005.8.

[责任编辑：王伟平]