户外多功能救急充电伞设计

赵军丽 彭梦萦 郑圆圆 张彪 臧园

（武汉科技大学城市学院 湖北省武汉市 430083）

太阳能作为一种可永续利用、可再生的清洁能源，有着巨大的开发应用潜力[1]。太阳辐射到达地球表面的能量高达4×1015MW，约为全球能耗的2000 倍；我国2/3 以上地区年日照大于2000h，太阳能资源理论储量达每年1.7 万亿吨标准煤，开发利用潜力巨大[2-4]。风能也是一种可再生的清洁能源，风力发电逐渐成为世界的主力电源[5-6]。我国风能资源丰富，约为32 亿kW，风光互补发电已成为未来最具有发展潜力和开发价值的发电模式[7-8]。

目前的户外遮阳伞基本只起到遮阳作用，而现在手机等电子设备的普及和长时间使用的需求，使得人们需要在户外休闲娱乐的地方有充电装置。针对上述问题，以及现在国家大力倡导发展新能源的背景下，我们研究设计了一种多功能救急充电伞，将太阳能和风能结合，充分利用自然能量，提高优质清洁、可再生能源在能源结构中的比例。我们设计的救急伞可用于咖啡和甜品店的室外、游乐场、大型广场以及公交车站等公共场所，可为在这些场所活动的人们提供遮阳、避雨功能，也有望为生态宜居城市的建设贡献一份力量。

1 结构设计及工作原理

1.1 结构设计

本项目以户外大型遮阳伞为主体，将其与太阳能电池板，风力发电装置结合在一起，设计了一款户外救急充电和照明一体的多功能户外伞，如图1所示。在伞面上黏附柔性太阳能电池板，顶端装有风机，通过固定在伞支撑杆上的风光互补控制器将光能和风能转换为电能，给伞底座上固定的蓄电池充电；并将电能储存进蓄电池，然后通过固定在底座上的逆变器逆变为220V 电压。伞支撑杆和伞骨架都为中空结构，以便连接的电线通过，伞杆上设置有充电接口，供用户使用。此外，伞面下的伞骨架上安装的LED 灯和控制器相连，可在夜晚提供照明。通过充分利用可再生的太阳能和风能，户外遮阳伞可实现为伞下活动人们的手机等电子设备救急充电功能。

1.2 工作原理

在阳光的照射下，太阳能薄膜电池利用光生伏特效应将光能转换为电能，有风时，风力发电机工作将风能转化为电能，通过风光互补控制器存储在蓄电池中，通过逆变器逆变为220V 电压供用户使用[9-10]。

本设计是为了能够满足人们日常生活中的实际需要，在户外太阳伞中装载了由太阳能电池板和蓄电池所组成的小型太阳能光伏发电系统，如图2所示，以此来为太阳伞中所配备的耗电负载提供电能。

图1：户外多功能救急伞结构示意图

图2：太阳能风能发电系统示意图

图3：风轮机示意图（单位：mm）

由于单个太阳能电池板的电压比较低，我们在设计中将多个太阳能电池板串联起来组成一个有实用价值的应用单元，不仅可以实现为蓄电池充电的效果，同时也可以为耗电负载提供电能。系统中的蓄电池是一个储能装置，主要负责在夜间或光照不充足、无风及负载消耗超出太阳能电池板转换的电量时，向电子设备供电，以保证负载的正常运行。

表1：太阳能板不同连接方式下，不同型号电池充满电所需要的时间

1.3 设备选用

（1）太阳能电池板、蓄电池和逆变器的选用，可以根据地理位置等实际情况来具体设定其容量[11]。

（2）风机选用P-50（额定功率：50W，额定电压：直流12V，额定电流4.4A）型号的风轮机，如图3所示。此风轮机在额定风速12m/s 的情况下，能输出其额定功率。

2 节能计算

2.1 蓄电池充电需要的时间计算

所采用的单片柔性太阳能薄膜电池的额定功率是0.5W，额定电压是2V，额定电流是250mA，对太阳能电池进行不同的串联及并联后，对不同型号电池充满电所需要的时间如表1所示。

为了储存较多的电能并满足风轮机的额定电压，且为了最大程度缩短充电时间，我们选用电池5，即12V 15AH 的蓄电池，采用将8 片太阳能薄膜电池串联再并上4 片已经串联好的薄膜电池的方式。

2.2 多功能救急充电伞的节能计算

蓄电池储存电量=电压×电流×光照时间+风机功率×有风时间。

选用蓄电池电压和电流为12V 和15AH，时间按该规格电池充满电时间（大约为白昼平均时间）12h 计算；有风时间最大值取24h，最小有风时间取0。

蓄电池一天最多能储存的电量：

12×15×12+50×24=3408W·h=3.4 kW·h

蓄电池一天最少能储存的电量：

12×15×12+50×0=2160 W·h=2.2 kW·h

根据我国大多数地区年日照总时数约2000h，粗略计算该多功能救急伞的一年产生的最大和最小限度的能量。一年下来该多功能伞利用风能和太阳能产生的最大限度的能量：

3.4×2000=6800 kW·h

一年下来该多功能伞利用风能和太阳能产生的最小限度的能量：

2.2×2000=4400 kW·h

根据国家发改委的数据，现在一度（1kW·h）电相当于0.32kg标准煤，故一年下来该多功能伞利用风能和太阳能节约的标准煤最多为：

6800×0.32= 2176kg

一年下来该多功能伞能利用风能和太阳能节约的标准煤最少为：

4400×0.32= 1408kg

故一款该救急充电伞每年可节约的标准煤最约多2176kg，最少约为1408kg。

3 结论

（1）该多功能救急充电伞将风能和太阳能转化为电能储存起来，可供户外活动的人们为电子设备救急充电，也可在夜晚供使用者照明。

（2）该多功能救急充电伞适用范围广，在广场、游乐场、茶餐厅，咖啡店，奶茶店，沙滩，报刊亭以及公交车站等地方都可以使用。

（3）该多功救急充电伞充分利用了太阳能和风能等新能源，每年可节约的标准煤最约多2176kg，最少约为1408kg；充分利用绿色能源，具有节能减排，环保无污染的特点；并贯彻落实了我国的可持续性发展战略目标，有望为建设生态宜居城市提供一份力量。