保暖充电老年服装的设计与开发

沈 雷， 任祥放， 刘皆希， 谢 展

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学), 江苏 无锡 214122)

保暖充电老年服装的设计与开发

沈 雷， 任祥放， 刘皆希， 谢 展

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学), 江苏 无锡 214122)

针对太阳能资源无法得到合理应用和老年人冬季保暖需求的现状，对太阳能在服装方面的利用情况进行总结。采用人体工程学的思维方法、人机交互的理念，利用柔性非晶硅薄膜太阳能板的特点，把柔性太阳能板、碳纤维USB发热膜、多功能USB插口和智能温控器等装置组成一个生态化的电路平衡系统。围绕此系统，设计开发了时尚、功能性完备的老年保暖充电服装。结果表明：在具有柔性非晶硅薄膜太阳能板的老年服装中，碳纤维USB发热膜能在几分钟之内快速升温到人体舒适状态，对人体不会造成伤害，并且多功能USB插口可为不同型号的电子产品充电，为老年人的多维度需求提供了选择。

老年服装； 保暖充电服装； 柔性非晶硅太阳能薄膜； 碳纤维USB发热膜

老年人冬季喜欢在户外晒太阳和活动，因身体因素和户外寒冷，需要采取保暖措施；在户外时，老年人一般喜欢听收音机或用手机看戏曲视频，电量的后续供应成了一个问题。对太阳能在服装领域的应用研究主要在普通功能服装上，极少涉及老年服装领域。如：加州大学伯克利分校设计出一款柔性塑胶太阳能服，背部放置太阳能电池组件，可为电子设备充电。目前市场上主要有老年人太阳能红外线理疗服[1]、太阳能测压服[2]等，因此，设计能取暖、充电的老年服装是非常有必要的。本文基于太阳能资源的充分利用，老年特殊需求的现状，将柔性非晶硅薄膜太阳能板、锂电池、碳纤维USB发热膜和多功能USB插口等装备通过导线连接，依附在特殊设计的老年人服装上，满足功能性、时尚性、健康性的需求。此款太阳能服装可满足老年人户外活动及自身的需求。

1 太阳能服装现状

人类对太阳能资源的利用有史已久，且越来越普遍，功能性太阳能服装的设计开发是其中一个方向。功能性太阳能服装[3]是指通过使用光学理论，把太阳光转换成电能，可为带有USB设备、照明、报警装置供电的功能性服装。目前太阳能服装可产业化的非常少，大都处于实验室研发阶段，因此，设计开发新的功能性太阳能服装对突破产业化瓶颈，以及太阳能服装市场具有重要意义。

目前，根据太阳能服装的功能可分为2种[4]：一种是将太阳能转化为电能为手机、iPad等装备充电的功能性服装；一种是利用太阳能为电热片加热起到发热保暖作用的功能性服装。

国外对于太阳能在服装中的应用研究起步很早，而且在结合度、种类上比较丰富。1996年美国人Lapidus[5]设计了一款太阳能连帽衣，配备微型锂电池和光伏单品硅太阳能集热器，可为MP3、手机等装备充电；美国的科研人员设计了一款太阳能比基尼，用导电纤维将光伏薄膜条缝制一起使用，可为MP3等便携电子装备充电[6]；还有人设计出太阳能裤子，用的是防水防油面料，两侧各有口袋，表面附着太阳能板，为便携式电子装备提供电能。另外，日本、韩国、加拿大等国家也在进行太阳能服装的研究。

国内对太阳能服装的研究相对起步比较晚，大都处于实验室应用阶段，概念型的服装很多，能产业化的很少。最近几年国内太阳能服装也已取得一定研究基础。

2009年马东[7]申请了太阳能充电的太阳帽专利，可避暑，并为携带的MP3、手机充电；徐鹏等[8]申请了太阳能发光衣服的专利，主要运用太阳能充电与灯体警告装置，具有警示和表演的作用；张小雪[9]研制出了功能型太阳能服装，把太阳能板安装在上臂部位，为便携式电子设备充电；这些功能性太阳能服装，一般采用防辐射面料，具有装饰、警示、照明、报警和日常充电功能。

相对于太阳能服装的研究，对特殊人群的功能性太阳能服装的研究目前较少,针对特定的人群，开发能解决特定问题的产品是对智能安全设计研发者的基本要求。作为银色经济的主流代表，老年智能安全产品是其未来发展方向的一个主线。

2 设计思路

功能性的老年保暖充电服不同于一般的传统太阳能产品，人机交互方式要简便、效果好，而且产品设计上符合人体工程学，使产品真正服务于客户。柔性非晶硅薄膜太阳能电池[10]是新型产品，质量轻，可弯曲，易裁剪，转化率高，同时太阳能板是以独立的附件形式和衣服本体组合一起的，用魔术贴或暗扣来固定其与服装的结合，可拆卸进行清洗。碳纤维USB发热膜[11-12]具有发热高效性、使用安全性、移动发热性、控温精确性和穿着舒适性等特点，而且碳纤维还具备发热时产生远红外线的性能，向特定部位发射远红外线能使服装具有热敷保健的功能。尤其是老人在冬天经常腰腹部位酸痛，这可带来便捷的保健理疗功效。多功能USB插口装置是集合多种通用电子充电设备的充电插口设计，可方便地给不同电子设备充电。模块之间的连接式使用插头设计，便于拆卸洗涤。

整个系统包括服装本体，以及柔性非晶硅薄膜太阳能板附件、锂电池组件、碳纤维USB发热膜、多功能USB插口、微型温控器、锂电池充放电指示灯、设备充电指示灯、微型开关、柔性细导线等元素，如图1所示。

图1 系统组成Fig.1 System composition

整个系统基于太阳能资源的充分利用，迎合现在低碳环保的生活理念；整个系统设计合理，满足老年人户外活动的生理性、安全性需求。

3 设计原理

3.1 电路节点设计

整体电路节点设计包括芯片控制器(U1)、P沟道增强型绝缘栅型场效应管(Q1)、电容器(C2)、充电指示灯(D2)、充电完成指示灯(D3)、肖特基二极管(D1)、串联的单体锂电池(BT1和BT2)、电容(C1)、热敏电阻器(RT1)、温控器电阻(R5)(R6)、碳纤维USB发热膜(P1)、稳压芯片(U2)、电容器(C3)、多功能USB插口装置(P2)等主要节点。

3.2 电路设计原理

图2示出基于太阳能的老年保暖充电服装的电路设计原理图。其主要特征是：所述柔性非晶硅薄膜太阳能板(1)正极与电阻(R1)连接，且电阻(R1)与P沟道增强型绝缘栅型场效应管(Q1)相连；P沟道增强型绝缘栅型场效应管(Q1)与芯片控制器(U1)的COMP端和CC端相连，芯片控制器(U1)的VCC端与电容器(C2)连接并接地，芯片控制器(U1)的STAT端与充电指示灯(D2)、充电完成指示灯(D3)连接，其中充电完成指示灯(D3)一端与电阻(R7)连接并接地；充电指示灯(D2)、充电完成指示灯(D3)与R4连接，芯片控制器(U1)的VSS端与电阻(R4)、电阻(R6)相连并接地。

图2 电路原理图Fig.2 Circuit principle diagram

P沟道增强型绝缘栅型场效应管(Q1)与肖特基二极管(D1)连接，肖特基二极管(D1)与2节串联的单体锂电池(BT1)、(BT2)连接，电容(C1)分别与单体锂电池(BT1)的正极端、单体锂电池(BT2)的负极端相连，且负极端接地；串联的单体锂电池(BT1、BT2)与热敏电阻器(RT1)连接，热敏电阻器(RT1)与温控器电阻(R5、R6)连接；肖特基二极管(D1)与开关(S1)连接，开关(S1)与碳纤维USB发热膜(P1)连接，其碳纤维USB发热膜(P1)2号端口接地；肖特基二极管(D1)与开关(S2)连接，开关(S2)与稳压芯片(U2)输入端连接，开关(S2)与稳压线路的电容器(C3)端连接；稳压芯片(U2)的输入端IN、输出端OUT分别于稳压线路的电容器(C3)端、(C4)端连接；稳压芯片(U2)的输出端OUT与多功能USB插口装置(P2)连接，多功能USB插口装置(P2)4号端接地。

图2中所述柔性非晶硅薄膜太阳能板正极端通过电阻(R1)、P沟道增强型绝缘栅型场效应管(Q1)、肖特基二极管(D1)与锂电池组(BT1、BT2)电源正极端相连，并提供整个系统电路的供电；所述芯片控制器(U1)采用bq2057WSN的单片机，尺寸小，转换效率高，外围电路输出端宽广，可自动中断保护恢复。

P沟道增强型绝缘栅型场效应管(Q1)会降低通过的电流和电压，以免烧坏芯片控制器；热敏电阻器(RT1)保护锂电池组(BT1、BT2)，不能长时间处于工作状态，会自动中断进行保护；温控器电阻(R5、R6)会在设定的温度范围之内进行保护，超过范围，就不再保护；稳压芯片(U2)控制输出端的电压，达到电子设备的稳定电压，以免烧坏电子设备。

4 服装设计

目前来说，在太阳能服装的设计上经常局限于服装材料和电线线路的设计合理性，同时也忽略了时尚性和功能性的统一。基于消费者对产品的多维度需求分析，本文从时尚性、功能性的结合来探讨基于太阳能的老年保暖充电服装的设计。

4.1 款式设计

基于冬季寒冷和老年人自身的身体特点，以及附着装备的需求，设计的中长款棉服如图3所示。立领保暖，宽松，刀背线收腰贴合人体结构，大口袋设计便于装电子设备。

图3 老年太阳能服装正面Fig.3 Aged people solar energy clothing

图3中：1为多功能USB插口装置，放置在外口袋中，外口袋中有一个小贴袋，专为其设计，可固定，方便给电子设备充电；2为开关纽扣，外观就是正常的纽扣，内部装有控制开关，线路在口袋的双层夹层中，作用是控制多功能USB插口装置，既时尚美观又有功能性；3为开关纽扣，原理和作用于图中2相同，作用是控制腰部的碳纤维USB发热膜。

图4示出老年太阳能服装背面。图中：1为柔性非晶硅薄膜太阳能板，采用组装和可拆卸的方式，镶嵌在附件的衣服中，使太阳能板的有效采光面积达到最大值，图中深色部分是柔性非晶硅薄膜太阳能板，剩下的图形为贴布绣图案，与表面太阳能板组成的图案造型相互呼应，几何造型图案的分割、分散和集聚形成一个对比；2为碳纤维USB发热膜，其处于棉服中的夹层中，位于腰部位置，有理疗和保暖功效，同时在温控器的控制下，它会在人体所能接受的温度范围内，不会温度过高导致伤害；在里料腰部位置装有拉链，可取出来便于洗涤服装。

图4 老年太阳能服装背面Fig.4 Aged people solar energy clothing

服装本体，共有2种着装状态：一种是正常生活的穿着状态，衣服上没有太阳能板附件和发热膜；一种是功能性的穿着状态，带有各种功能性装置，同时所有的装置、元件都是用柔性纤细导线连接，柔性纤细导线藏于衣服的接缝处，隐藏效果和简洁性比较好，在不工作时与正常服装一样。

4.2 面料和色彩

老年人因自身原因，不适合用化纤面料，导致衣服不耐脏，所以选用柔软的纯棉面料为宜，组织为斜纹，这样使老年人穿着感到柔软、舒适，行动也方便[13]。人到老年，无论心理上、生理上，还是身体上，都已经感觉叹惋，不追求潮流，但是如果老年人在穿着上会有改变，心态、精神随之会改观，那对其健康也会有好处；因此在颜色选择上是一个很重要的因素，除了常用的黑、灰、白单色调外，淡紫、淡红、淡墨绿、奶黄、淡咖啡之类颜色都是可选择的[14]。条纹太多太杂和炫眼的色彩，一般与老年人不太相配。基于此，大地色系的颜色和其他类似深藏青、绛红、深中灰颜色等，老年人穿着会显得比较精神、端庄、素雅。

5 设计效果评估

5.1 性能的评价

从安全性来说，柔性非晶硅薄膜太阳能板产生电压为5 V左右，满足手机等充电装置需求，对人体不会构成伤害；碳纤维USB发热膜外部柔软，表面覆盖绝缘化的乙烯-醋酸共聚膜，不导电，而且长时间工作也不会烧坏表面覆膜；在连接整个系统的运行中，使用的是绝缘纤细导线，防发热，耐用，柔软性极高，不会因为工作久而出现安全隐患。

从保暖性来说，碳纤维USB发热膜一般在10 min内就能加热到30 ℃左右，而人体冬季最舒适的温度范围为17～25 ℃，又因为冬季寒冷，老人身体新陈代谢机能缓慢，需要的热量多一些，进而要比人体恒定的舒适温度要高一些，在28～33 ℃之间，所以在温控器的控制下，不会使温度过高烫伤皮肤，出现危险事故。

柔性非晶硅薄膜太阳能板以附件形式与服装结合，而且本身非常软，易折叠弯曲，解决了在服用性能方面的不适。

5.2 价格和生产工艺

功能性服装无论是在价格上，还是在生产工艺上都不同于普通服装，这也是目前功能性服饰所要解决的问题。

所用材料都是近年最新的产品，已经产业化，价格不是很高，整个衣服的成本还是在可控的范围之内，在价格上对消费者来说是可接受的。在本文研究中花费比较高的是太阳能板和碳纤维USB发热膜，目前1块太阳能板(材质和转化率比较高)在市场上的价格约为20元，达到供电需求需要4块电板;碳纤维USB发热膜是目前应用比较成熟的产品，性能优越，价格为10元左右，达到保暖效果，需要2块左右，加之其他的材料，总体的成本价格还是略低于一些保暖服饰。对于消费者来说，本文研究的产品在新鲜感和智能化上还是具有很大的市场潜力。

因功能服装的一些特殊位置是比较难处理的，在工作耗时上会比正常工序高一点。研究者在这里把太阳能板和其他附属装备设计为可拆卸，以及附属电线路与缝份固定，这就在工艺上减少了难度，节省了工序的时间，节省了成本；同时也贴合人体工程学的指导；碳纤维发热膜是处于棉服夹层腰部位置，里夹层中有一个宽的插袋，发热膜可放进去与内夹层贴伏，减少不适感；其他是属于常规化的工艺要求。

6 结 论

对功能性太阳能服装的研究已取得一些进展和成果，但是大部分都处于初级实验或初级应用阶段。现在市场的品类越来越细分化，也就是更关注特殊人群的特点和需求。柔性非晶硅薄膜太阳能板和碳纤维USB发热膜是新兴的技术产品，可最大程度地满足人们的要求，具有极大的优势。电路和服装款式的合理设计，为老年人在多维度的需求(生理、安全、娱乐等)上提供了可能。

尽管老年保暖充电服装的价格仍能在人们的接受范围之内，但是太阳能电池板的转化率和面积、碳纤维USB发热膜的智能化和电路设计的合理性及制作工艺都有待再改进，才能达到产业化的应用。

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“纺织之光”2017年度中国纺织工业联合会科学技术奖申报工作启动

“纺织之光”中国纺织工业联合会科学技术奖旨在奖励在推进纺织行业科技进步，提高行业的整体技术水平、创新能力和竞争能力等方面做出突出贡献的单位或个人。自2004年设立以来，坚持“公平、公正、公开”的评审原则，奖励了一批高水平的纺织科技成果，激发了广大纺织科技工作者的积极性和创造性，对推动行业科技进步发挥了重要作用。

纺织科技奖设一等奖、二等奖、三等奖3个等级，中国纺织工业联合会为获奖项目及个人颁发获奖证书，并从获得一等奖的项目中择优推荐国家科学技术奖。纺织之光科技教育基金会将为获得一等奖和二等奖的项目颁发奖金。

2017年度纺织科技奖须通过“中国纺织工业联合会科学技术奖励综合业务管理平台(http://211.154.198.138:8040/website/)” 进行网上申报，申报截止时间为2017年6月15日上午9时。具体申报要求也可在中国纺织科技网(http://www.cntextech.org.cn)查看。

Design and development of warm clothing for the elderly

SHEN Lei, REN Xiangfang, LIU Jiexi, XIE Zhan

(Key Laboratory of Eco-Textiles (Jiangnan University), Ministry of Education, Wuxi, Jiangsu 214122, China)

In view of the current situation of no reasonable application of the solar energy resource and the demand of the elderly to winter warm keeping, the utilization situations of clothing are summarized, and a flexible solar panel, a carbon fiber USB heating film, a multifunctional USB socket, an intelligent temperature controller, etc. are combined to constitute an ecological circuit balance system by adopting ergonomic thinking and man-machine interaction, and on the basis of the flexible amorphous silicon thin film solar panels; and based on the system, fashion and functional warm keeping charging clothes for the elderly are designed and developed. The results show that in the clothes for the elderly having the flexible amorphous silicon thin film solar panels, the carbon fiber USB heating film can quickly heat up to a comfortable state for human body within a few minutes, the clothes cause no harm to the human body, and the multifunctional USB socket can charge different types of electronic products to provide a choice for the multi-dimensional needs of the elderly.

clothing for the elderly; warm keeping charging clothes; flexible amorphous silicon thin film solar; carbon fiber USB heating film

10.13475/j.fzxb.20160400906

2016-04-05

2016-11-17

国家自然科学基金青年科学基金项目(61503154);教育部人文社会科学研究基金项目(11YJA760059);江苏民间剪纸艺术国际化传承战略研究项目(12SYB009);常州市智能化安全服装工程技术研究中心项目(CM20159009)

沈雷(1963—),男,教授，硕士。主要从事智能服装设计研究。E-mail:942372345@qq.com。

TS 941.731

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