太阳能风扇伞的设计

太阳能风扇伞的设计摘要目前地球正处在全球变暖的情况下，夏天室外的平均气温可达34℃，电能带动的风扇和空调便成为人们最主要的降温工具。太阳能是一种干净、绿色、储量大、清洁环保的可再生能源。本文设计的目的就是将柔性太阳能电池与带风扇的伞结合在一起，带动伞中的小风扇工作，可以将电能存储在锂蓄电池中，经过电压变换后给手机等电子产品充电，也可在太阳光照不足时给风扇供能，本文主要是涉及了对太阳能风扇伞的整体设计，包括电池选型设计，手柄结构的设计和太阳能风扇伞的安装调试等，最后使太阳能风扇伞达到既遮阳有送风的功能。本文在遮阳伞的基础上，融入了太阳能和风扇相结合的创新点，体现了本设计的实用性和绿色节能性。关键词：太阳能薄膜电池风扇伞USB接口充电器1绪论1.1研究目的地球目前是处在全球变暖的情况下，温室效应变得明显。全球夏天越来越炎热，某些地区室外平均气温可达44℃，就算是打着遮阳伞出门，室外的高温，也会使人满身是汗，浑身不舒服，在这样的环境下出门便成了人们苦恼的事。在这样的高温天气下，人们急需要一个可以有效降温的出行工具。市面上解决这个问题的方法是外出使用扇子、太阳伞和带小型风扇的帽子等，可这些产品的降温效果却不怎么明显或不怎么实用。从古至今扇子都是我们夏天降温的普遍工具，扇子成本虽然很低，但是需要人们自己运动产生风，而且也避免不了阳光的直射。随着人们生活水平的提高，它已远达不到人们对降温的要求。市场调研显示，通常一把遮阳伞的价格在30—400元不等，虽然遮阳伞下可以避免阳光的直射，但周围的高温热气仍给人酷暑难耐的感觉，难以舒适出门，所以遮阳伞的性价比不高。带风扇的帽子在生活中的出现，虽能达到一定的降温效果，但降温区域有限，效果不是很明显。不但避免不了太阳的直射，而且戴在头上也不自在，最麻烦的是需要经常更换电池，使用过程持续产生的消费成本只升不降，既不利于能源的利用，也破坏环境。这些问题使带风扇的帽子难以在生活中得到更广泛的使用。带风扇的伞却结合了遮阳伞和风扇帽的优点，既能有效遮挡阳光的直射，又能达到一定的降温作用，但同时也带来了跟风扇帽一样的太阳能提供能量带动风扇旋转，达到人们在夏日降温出行的要求，还能储存电能，在必要时给手机等电子产品充电。1.3太阳能电池工作原理将光能转化成电能输出的一种发电方式。太阳电池产生的电是直流电，因此可以直接给电机和蓄电池供电。1.4柔性太阳能电池介绍柔性太阳能电池属于太阳能薄膜电池的一种，具有技术先进、成本低廉、性能优良、用途广泛等优点。它可以在太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能伞、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船以及太阳能飞机上得到应用。柔性太阳能电池以后的一个重要应用领域是光伏建筑一体化，它可以贴在窗户玻璃上、屋顶或外墙面。2太阳能风扇伞的结构设计整体框架示意图2.1太阳能风扇伞总体结构设计为了使伞保持普通太阳伞所具有的结构简单、轻便和收缩的特性，在普通伞的基础上进行了创新改制。太阳能风扇伞主要由柔性太阳能电池、太阳伞、小风扇、USB接口、锂蓄电池和控制转换电路等组成。如上图，为使太阳能风扇伞轻便美观，可将柔性太阳能电池封装在外伞面，所有线路藏于伞的中杆内；小风扇安装在内伞面与伞骨架之间的中杆上；控制转换电路、开关及锂蓄电池安装在经过相关设计的伞柄中；为安全起见，在伞中杆的卡口处设计安装一个安全开关。使用时，将伞完全撑开，伞架上的卡头就会卡在卡口处，将安全开关打开。当伞面受到阳光直射时，太阳能电池就会将光能转换为电能，通过稳压电路给锂蓄电池充电，在室内没有太阳光时，还可以利用USB接口通过家用电源给锂电池充电。当打开手柄上的开关后，锂电池便可以通过升压电路使风扇工作。手柄做应急电源时，只要将电子产品的USB接头插在手柄的USB接口上就可以为其充电了。2.2风扇结构分析通过观察普通风扇伞我们发现风扇电机的转轴被固定在中棒上，不能转动。当电机通电时，电机的定子和转子就会相对转动，而现在转子（转轴）被固定，所以此时定子（与电机外壳相连）就会相对于转轴转动，风扇叶片与外壳相连，这样外壳就会带动叶片旋转而产生风。通过对风扇结构的研究，风扇的叶片与电机的外壳是铰链连接，在风扇没有工作时，叶片就会因重力自然垂下，大大减小风扇在伞中所占用的空间，方便伞的收拢。当风扇开始工作时，叶片跟随电机外壳旋转，使得叶片受到一个离心力而张开。风扇叶片安装结构示意图3太阳能系统设计及元件选型3.1太阳能转换系统设计根据太阳能风扇伞的整体设计要求，太阳能系统的设计框如下图所示，太阳光照射到太阳能电池上后产生电能输出，由于太阳能产生的电流不稳定，所以需要通过恒流充电电路才能稳定、连续的给蓄电池充电，蓄电池的电压是3.7V不能达到负载所需要的电压，所以蓄电池需要通过升压放电电路才能给风扇电机提供电能。为了使太阳能风扇伞的供能更人性化，我们增设了USB接口以便进行电能输入和输出。太阳能系统能量转化关系如下：3.2太阳能电池的选择经网络查寻，柔性太阳能电池的工作电压为1.5V，由于1.5V的电压太小，我们需要串联四块同样的电池片为负载供电，这样太阳能电池组的输入电压可达到6V。太阳能电池板的净尺寸为18cm×4cm×0.05cm(即0.5毫米)，出厂标称正午太阳光直射板面时，它的电流在500MA-700MA，电压为2V。此太阳能电池携带很方便,在强光下充电效果好，是携带充电设备的好材料。3.3蓄电池的选择在选择蓄电池时，我要考虑电能的储存问题，因为单纯的太阳能电池组产生的电流不稳定、不能连续的给负载供电，不使用时会浪费电能。所以需要一个蓄电池来储存，根据伞的手柄小、负载的耗电量大、伞的使用年限长的特征，我们选择的蓄电池必须要体积小、容量大、寿命长，为了满足这些要求我们选择18650蓄电池。（1）电池参数名称：UitraFIre18650材料:锂电池（Li-ion）品牌:神火型号:18650规格:Φ18*65(mm)容量:4800MAH重量：50g寿命：1000次以上标准电压:3.7V推荐电流：1A最大电流：2A工作温度：-20℃-50℃（2）电池特点18650蓄电池可以随充随用，安全系数高，不会爆炸，不会燃烧；是无毒、无污染的环保电池，通过RoHS商标认证，各种安全性能达标，循环充电次数可达1000次以上；耐高温性能好，温度在65℃时的放电效率达100%。为防止电池工作时短路，18650锂电池的正负极是在两端的，所以将它发生短路的可能降到了最低。电池可以加装保护电路，避免电池过充或者过放，这样能够延长电池的使用寿命。（3）充电说明电池充满电的容量是4800MAH，在阳光充足的情况下，太阳能电池组8小时能够使电池充满。通过升压电路后的输出电压为5V，充满电的电池经试验测得可以给1200MAH的手机电池充电4次，给伞的风扇供电2小时，储存电量一般能够满足人们的日常需要。3.4电机的介绍考虑了整个太阳能风扇伞的结构，风扇的电机可采用双轴电机，这样就能如下图安装。根据太阳能电池组提供的电压，电机的标称电压为5.2V，工作电压为5-9V，额定电流为500mA，额定转速为1360转/分。4.1恒流充电模块由于太阳能电池4片串联起来后的太阳能电池组电压是6V，并且太阳能电池产生的电流并不稳定，是会根据太阳光的强弱而发生变化的，所以太阳能电池组不能给3.7V的18650蓄电池直接充电。故我们可以通过CN3082芯片给锂电池充电，CN3082是可以对多种蓄电池充电进行控制的芯片。本芯片只需很少的外围元器件，并且符合USB总线技术规范的要求，适用于便携式产品的制作。稳压充电电路图5手柄设计5.1手柄相关尺寸的确定由于要在伞的手柄中放置电路板，开关，蓄电池和连接伞的中杆，所以我们在对手柄进行设计时，必须考虑这些东西的尺寸，根据相关尺寸及经验进行设计。（1）电池及伞中杆尺寸根据我们前面选择的锂电池18650的规格是φ18*65(mm)和电池正负极弹簧片的大小可以初步确定电池盒部分的尺寸；通过对普通伞的中杆进行测量，伞中杆的尺寸为φ10mm，我们就可以确定伞中杆和手柄连接处孔的尺寸。（3）开关尺寸由于在伞的手柄中将放置开关，所以必须根据开关的尺寸来确定开关在手柄中的尺寸及位置。图5.2开关尺寸图5.3手柄设计图（1）手柄座手柄座是手柄最主要的一部分，在它的里面将放置蓄电池、开关、电路板、电池正极弹簧片、相连导线及连接伞的中杆，并与手柄盖通过螺钉连接组合成一个完整的手柄。根据以上部件的大小，手柄座大体为一个被切掉两边的圆柱体，尺寸为φ36×138mm；根据蓄电池的尺寸，设计电池盒为φ19×65.5mm；电路板的大小由PCB设计可知27×62mm，根据情况固定螺钉选用M3×6mm；由于导线是由中杆连接电路板的，所以手柄座的电路板与中杆之间需要一个孔连通，设计为能放下4根导线的尺寸φ5mm；手柄座与中杆的钉紧螺钉选用M4×12mm，与手柄盖的固定螺钉为M3×8mm。（2）手柄盖为了使手柄盖与手柄得到更好的配合，就需要根据电路板中USB、LED的位置进行设计，手柄盖还将放置电池的负极弹簧片，所以要设计一个弹簧片卡槽。（3）防水塞由于方便手柄盖上电池负极弹簧片的放置，所以手柄座和手柄盖的连接后会出现一个孔，故需要一个防水、防尘的橡胶塞堵住这个孔。为了更好的连接手柄和伞的中杆，防止手柄松动，所以在手柄和中杆的连接处设计了一个橡胶的防水塞，这样既固定了手柄又防止了水流入手柄中。6.1太阳能电池的测试安装通过对太阳能电池的光照实验显示，一块太阳能电池的工作电压在1.5V，4块串联的工作电压为6V，在一般光照下的电流为300MA左右，正午最强光照的电流为600MA。根据实验数据，太阳能电池满足本产品的设计。将4块太阳能电池串联后分布在伞面上，并将导线通过中杆连接到伞柄中的控制开关。通过光照实验发现一般光照环境下太阳能电池组能够带动风扇旋转。太阳能电池带动实验6.2锂电池的测试安装将锂蓄电池装入控制电路，连接电路，伞中的风扇能够正常工作，风也能给人凉爽的感觉，并且将伞进行光照实验时，控制电路显示为充电状态，说明锂蓄电池能够作为本设计的中间电源。蓄电池带动风扇实验

6.3整体的安装调试最后的调试阶段，我们将风扇安装固定在伞面和伞骨架之间，没通电时，叶片自然垂下，通电时因离心力而旋转。锂电池及充电器安装在伞柄中，控制开关和充电接口安装在伞柄上，所有线路及导线通过中杆连接，为了保证安全，在中杆上安装一个安全开关，只有当伞撑开是才闭合。所以部件通过安装固定后，太阳能风扇伞携带就跟普通的伞一样方便，并且能够满足本设计要求。太阳能风扇伞工作图7结束语太阳能风扇伞控制系统设计课题对太阳能风扇伞总体结构进行了设计，探讨了伞架与风扇的结构，讨论了太阳能电池的工作原理、介绍了柔性太阳能薄膜电池的应用，设计了太阳能风扇伞的太阳能转换系统，对太阳能薄膜电池、锂蓄电池进行了参数分析和元件选型,给出了手柄的设计图与装配图。借助普通风扇伞进行了太阳能风扇伞的改装调试，测试了所选用柔性太阳能薄膜电池、锂蓄电池带动风扇工作时的相关参数，风扇的正常运行证明所设计的充放电控制系统工作原理正确、设计参数合理。太阳能风扇伞借助柔性太阳能电池，实现了太阳能向电能的转化，可有效持久的驱动扇叶转动，既遮阳有送风，并可转换储存太阳能为手机等电子产品充电。使用过程一般不产生新的费用，还避免了普通风扇伞经常性更换电池的问题，为人们在炎热夏天出行提供了新的选择。太阳能风扇伞在结构上采用与原来太阳伞相似的轻便折叠结构；在功能上比一般携带的降温工具降温效果更