太阳能可升温保温杯创新设计

谢雨新 郭忠爽 罗旺

【摘  要】 随着科学技术的发展以及大众消费水平的提高，保温杯功能的多样化、智能化，以及节能低碳环保理念的推广，使人们对保温杯的功能提出了新的要求。太阳能作为高效率的新能源，成了环保设计应用的重要因素。文章阐述了太阳能在保温杯行业的创新应用，贯彻了绿色环保的理念，真正将太阳能应用至大众生活，让大众参与了国家的环境保护。

【关键词】 太阳能;保温杯;环境保护理念

市面上的保温杯，大多数是由陶瓷或者不锈钢加上一个真空层做成的，顶部有盖且密封严实，以达到保温的目的。保温杯内的银色内胆可以反射热水的辐射，使杯胆和杯身的真空阻断热量的传递，而不易传递热量的保温杯，能阻止热对流，从而达到保温效果。

为了提高保温杯的保温效果，本研究在现有保温杯的基础上进行了改造和升级，以适应各种人群对杯内恒温的要求，例如教师、律师和医生等需要长时间工作及交流的职业。保温杯可以直接加热，如果杯内是药物或者茶叶等，可以最大限度地保持其药效和口感等。

一、太阳能可升温保温杯的基本原理

该保温杯的外层主要应用了透光材料，具有简单的防撞击功能，内胆为不锈钢，内外层中添加了两个内胆，内层的内胆缠绕了电热丝，外层的内胆镀了银或铜。镀银能够提高瓶胆玻璃的反光度，如果反光度高，水瓶里的热量就无法通过玻璃向外辐射。镀铜则可以形成一层有效的隔热层，既能把热反射回去，又能防止冷空气进入，从而减少了热量丢失，做到了隔绝热传导。外层与内层中间添加了一个可弯曲柔性太阳能板和电热丝，以实现该杯的保温、可升温功能。通过改变柔性太阳能板的排列形状，将太阳能转化的多余电能进行储存，能够增强多功能保温杯的续航能力。考虑到实际的应用情况，可以添加热敏电阻，设置加热阈值，可以防止出现安全事故、增加实用性。在应用安全上，添加了电路总开关，防止出现干烧情况而导致安全隐患。太阳能可升温保温杯整体结构如图1所示。

注：①透光材料;②柔性太阳能板;③沿杯壁缠绕的电热丝;④磷酸铁锂电池、电路总开关;⑤自动反弹装置;⑥镀银或镀铜的保温内胆

杯盖设置了一个自动反弹装置，以防忘记关闭杯盖导致保温杯的功能效率降低。本研究先将电热丝、太阳能光板、滑动变阻器、电池、开关和保护电阻组成的电路安装到杯子底部，然后将电热丝与滑动变阻器进行串联，此时滑动变阻器的开关能够连接到转动的绝缘转盘上，随后太阳能光板接收太阳能，将其转换成电能。使用者可以根据个人的升温需求，调节滑动变阻器不同的档位，使杯子的温度上升到相应度数。为了提高保温杯的卫生性，杯内内置了紫外线除菌功能装置。

（一）柔性太阳能板的选择

本研究选择了MPS5560高效单晶太阳能板，其重量轻、易携带、有一定的弯曲度，采用PET层压，能够用于太阳能发电、野外旅游等，是一种比较理想的太阳能板;其工作电压为5.5V（±5%），工作电流为1000 mA（±5%），额定功率为6.0 W，转换效率达21%。

（二）太阳能可升温保温杯蓄电池的选择

因为太阳能板的输出具有波动性，所以需要储存到蓄电池后再进行释放，使电流趋于平稳。一般的电池为铅酸电池，需要将直流电转换成交流电，因此需要使用逆变器提供的220 VAC、110 VAC的交流电源。而太阳能的直接输出一般都是12 VDC、24 VDC和48 VDC，因此需要使用DC-AC逆变器。

磷酸铁锂电池具有体积小、重量轻、使用寿命长、容量大、充放电效率高和环保无污染等优势，有利于优化保温杯的性能，因此磷酸铁锂电池是一个较佳的选择。磷酸铁锂电池的性能如表1所示。

磷酸铁锂电池的正极为橄榄石结构，由铝箔与电池的正极连接，中间是聚合物的隔膜，将正极与负极隔开。锂离子Li+可以通过隔膜，而电子e-则不能通过。电池的负极由碳（石墨）组成，由铜箔与电池的负极相连，电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。

磷酸铁锂电池在充电的过程中，正极中的Li+通过聚合物隔膜向负极迁移，在放电的过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。公式为：

充电：LiFePO4-xLi+-xe-→Li1-xFePO4

放电：xLi++xe-+6C→LixC6

总反应：LiFePO4+6C=FePO4+LiC6

二、太阳能可升温保温杯的电路设计

在本设计中，导线在柔性太阳能板保温杯的杯壁缠绕一圈，实现了杯壁的加热，从而使水溫保持恒定或升温。向下走向的导线与保温杯杯底的开关相连，再由导线将电池、开关与电热丝、保护电阻、滑动变阻器，以及在太阳能可升温保温杯杯底处的柔性太阳能板进行串联，将滑动变阻器与转动的绝缘转盘进行连接，以实现不同档位的调节。向上走向的导线则连接了瓶口的自动反弹装置。

太阳能可升温保温杯杯底的电路设计如图2所示。

注：①负极;②防反射隔膜;③N型半导体;④P型半导体;⑤正极;⑥定值电阻;⑦电热丝;⑧保险丝

太阳能转化成电能的效率公式：

η=Pout / Pin×100%

假设一块光伏组件的面积分别为1.638 m2（0.992 m×1.652 m）和3.895 m2（0.992 m×1.956 m），辐照度为1000 W/m2时，则1.638 m2组件上接收的功率为1638 W，功率为255 W时，太阳能转化成电能的效率为15.6%，即：

Pout=I×V=8.37×30.5=255.285W

η=×100%=15.6%

由上述公式的计算结果和柔性太阳能板的转换效率可知，由太阳能转换成电能的效率，可以给保温杯加热，并使保温杯中的水保持在恒温状态。

三、太阳能可升温保温杯的散热说明

Q=cmΔt

公式为物体吸收（放出）热量的公式。式中Q为物体吸收（放出）的热量、c为物体的比热容、m为物体的质量、△t为物体升高（降低）的温度。

已知柔性太阳能板每平方米的功率为150 W，水的比热容为4.2×103 J/（kg·℃），设定该太阳能可升温保温杯的容量为700 ml，柔性太阳能板的表面积为500 cm2，保温杯加热1 h，由公式Q=cm△t，可以计算出△t大约为10 ℃。根据计算结果可知，该太阳能可升温保温杯能在一定基础温度上，使杯内温度保持不变或逐渐上升到一定的温度。

通常，保温杯的保温时间应该在6小时以上，保温效果应该在60℃以上，即保温杯的保温效率至少应达到45%以上，在保温的同时，贮存物温度的升高率比室内温度低45%以上。该太阳能可升温保温杯在符合国家标准的基础上，能有效减少散热量、实现高保温。

四、太阳能可升温保温杯的优势

太阳能可升温保温杯利用了紫外线除菌功能，而紫外线消毒技术具有较高的杀菌作用。根据针对衰减常数k的研究来看，影响保温杯消毒效果的因素包括微生物种类、环境参数等，因此在空气中的k值，往往大于处于表面上的k值。根据针对辐照度I的研究来看，其影响因素包括紫外光源、紫外线强度场分布和反射率等，研究紫外光源的最终目标是无毒、节能和高效。如果保温杯的相对体积较小，则单位面积的紫外线强度较大、杀菌消毒的效果较好。通过紫外线除菌技术能够减少水垢和细菌的产生，减少了人们清理保温杯的麻烦。

太阳能可升温保温杯利用可弯曲柔性太阳能板，增加了受光面积，使其能够进行充分的光电转换，也解决了太阳能电池板在阴雨天无法产生电能的问题。

杯体外壳采用了可循环使用的环保材料，内胆采用了环保不锈钢，杯体外壳和内胆外壁之间夹有真空绝热层，防止散热，能使杯体长时间保温。内胆中间充入的石蜡类相变蓄热材料可以存储热能，大幅提高了其保温效果。

五、大众对太阳能可升温多功能杯的接受度调查

为了进一步了解大众对太阳能可升温多功能杯的接受度，以及太阳能可升温多功能杯与市场上普通保温杯在性能方面的差异，本团队于2022年10月对普通大众的喜好进行了相關研究，根据实际情况，再结合与本项目研究的理论观点，设计了一份问卷，主要涉及三个方面的内容：1. 针对不同的大众特征;2. 着重了解大众对现有保温杯产品的满意度;3. 重点调查大众对太阳能可升温多功能杯的期待程度，以及是否会因其功能产生消费。

根据问卷情况的分析可知，保温杯的使用者多为学生、在职工作者，其中女性普遍更看重太阳能可升温多功能杯的保温性能。在大众群体中，七成人数认为，将太阳能环保技术应用于保温杯行业十分可取，对保温杯更长久的恒温有极高的期待度。这证明了本项目在投入市场后，将会有极其可观的回报。

六、结语

根据相关数据和资料，以及贯彻国家节能低碳、绿色环保的理念，太阳能在我国的应用相对普遍。因此太阳能可升温多功能杯项目也具有较好的市场前景，该项目的应用与量产，也可以推进我国太阳能资源的相关利用，在一定程度上促进了我国节能环保事业的发展，能够让大众更好、切实地参与到清洁能源的利用中，减少了常规化石燃料对水质、空气和土壤的污染，为我国的可持续发展战略贡献了自己的力量。

参考文献：

[1] 王伟，黄晨，宿春晓. 室内紫外线照射杀菌技术十年研究综述[J]. 暖通空调，2022，52（07）：18-25

[2] 江涌，魏斯胜，韩心如，等. 可蓄热新型多功能保温杯的技术研究[J]. 设备管理与维修，2022（02）：42-44.

[3] 李立群，余新杰，陈宇. 太阳能光伏发电在市政照明中的应用[J]. 光源与照明，2022（10）：113-115.