趙軍麗 彭夢縈 鄭圓圓 張彪 臧園

（武漢科技大學城市學院 湖北省武漢市 430083）

太陽能作為一種可永續(xù)利用、可再生的清潔能源，有著巨大的開發(fā)應用潛力[1]。太陽輻射到達地球表面的能量高達4×1015MW，約為全球能耗的2000 倍；我國2/3 以上地區(qū)年日照大于2000h，太陽能資源理論儲量達每年1.7 萬億噸標準煤，開發(fā)利用潛力巨大[2-4]。風能也是一種可再生的清潔能源，風力發(fā)電逐漸成為世界的主力電源[5-6]。我國風能資源豐富，約為32 億kW，風光互補發(fā)電已成為未來最具有發(fā)展?jié)摿烷_發(fā)價值的發(fā)電模式[7-8]。

目前的戶外遮陽傘基本只起到遮陽作用，而現(xiàn)在手機等電子設備的普及和長時間使用的需求，使得人們需要在戶外休閑娛樂的地方有充電裝置。針對上述問題，以及現(xiàn)在國家大力倡導發(fā)展新能源的背景下，我們研究設計了一種多功能救急充電傘，將太陽能和風能結合，充分利用自然能量，提高優(yōu)質清潔、可再生能源在能源結構中的比例。我們設計的救急傘可用于咖啡和甜品店的室外、游樂場、大型廣場以及公交車站等公共場所，可為在這些場所活動的人們提供遮陽、避雨功能，也有望為生態(tài)宜居城市的建設貢獻一份力量。

1 結構設計及工作原理

1.1 結構設計

本項目以戶外大型遮陽傘為主體，將其與太陽能電池板，風力發(fā)電裝置結合在一起，設計了一款戶外救急充電和照明一體的多功能戶外傘，如圖1所示。在傘面上黏附柔性太陽能電池板，頂端裝有風機，通過固定在傘支撐桿上的風光互補控制器將光能和風能轉換為電能，給傘底座上固定的蓄電池充電；并將電能儲存進蓄電池，然后通過固定在底座上的逆變器逆變?yōu)?20V 電壓。傘支撐桿和傘骨架都為中空結構，以便連接的電線通過，傘桿上設置有充電接口，供用戶使用。此外，傘面下的傘骨架上安裝的LED 燈和控制器相連，可在夜晚提供照明。通過充分利用可再生的太陽能和風能，戶外遮陽傘可實現(xiàn)為傘下活動人們的手機等電子設備救急充電功能。

1.2 工作原理

在陽光的照射下，太陽能薄膜電池利用光生伏特效應將光能轉換為電能，有風時，風力發(fā)電機工作將風能轉化為電能，通過風光互補控制器存儲在蓄電池中，通過逆變器逆變?yōu)?20V 電壓供用戶使用[9-10]。

本設計是為了能夠滿足人們日常生活中的實際需要，在戶外太陽傘中裝載了由太陽能電池板和蓄電池所組成的小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示，以此來為太陽傘中所配備的耗電負載提供電能。

圖1：戶外多功能救急傘結構示意圖

圖2：太陽能風能發(fā)電系統(tǒng)示意圖

圖3：風輪機示意圖（單位：mm）

由于單個太陽能電池板的電壓比較低，我們在設計中將多個太陽能電池板串聯(lián)起來組成一個有實用價值的應用單元，不僅可以實現(xiàn)為蓄電池充電的效果，同時也可以為耗電負載提供電能。系統(tǒng)中的蓄電池是一個儲能裝置，主要負責在夜間或光照不充足、無風及負載消耗超出太陽能電池板轉換的電量時，向電子設備供電，以保證負載的正常運行。

表1：太陽能板不同連接方式下，不同型號電池充滿電所需要的時間

1.3 設備選用

（1）太陽能電池板、蓄電池和逆變器的選用，可以根據(jù)地理位置等實際情況來具體設定其容量[11]。

（2）風機選用P-50（額定功率：50W，額定電壓：直流12V，額定電流4.4A）型號的風輪機，如圖3所示。此風輪機在額定風速12m/s 的情況下，能輸出其額定功率。

2 節(jié)能計算

2.1 蓄電池充電需要的時間計算

所采用的單片柔性太陽能薄膜電池的額定功率是0.5W，額定電壓是2V，額定電流是250mA，對太陽能電池進行不同的串聯(lián)及并聯(lián)后，對不同型號電池充滿電所需要的時間如表1所示。

為了儲存較多的電能并滿足風輪機的額定電壓，且為了最大程度縮短充電時間，我們選用電池5，即12V 15AH 的蓄電池，采用將8 片太陽能薄膜電池串聯(lián)再并上4 片已經串聯(lián)好的薄膜電池的方式。

2.2 多功能救急充電傘的節(jié)能計算

蓄電池儲存電量=電壓×電流×光照時間+風機功率×有風時間。

選用蓄電池電壓和電流為12V 和15AH，時間按該規(guī)格電池充滿電時間（大約為白晝平均時間）12h 計算；有風時間最大值取24h，最小有風時間取0。

蓄電池一天最多能儲存的電量：

12×15×12+50×24=3408W·h=3.4 kW·h

蓄電池一天最少能儲存的電量：

12×15×12+50×0=2160 W·h=2.2 kW·h

根據(jù)我國大多數(shù)地區(qū)年日照總時數(shù)約2000h，粗略計算該多功能救急傘的一年產生的最大和最小限度的能量。一年下來該多功能傘利用風能和太陽能產生的最大限度的能量：

3.4×2000=6800 kW·h

一年下來該多功能傘利用風能和太陽能產生的最小限度的能量：

2.2×2000=4400 kW·h

根據(jù)國家發(fā)改委的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在一度（1kW·h）電相當于0.32kg標準煤，故一年下來該多功能傘利用風能和太陽能節(jié)約的標準煤最多為：

6800×0.32= 2176kg

一年下來該多功能傘能利用風能和太陽能節(jié)約的標準煤最少為：

4400×0.32= 1408kg

故一款該救急充電傘每年可節(jié)約的標準煤最約多2176kg，最少約為1408kg。

3 結論

（1）該多功能救急充電傘將風能和太陽能轉化為電能儲存起來，可供戶外活動的人們?yōu)殡娮釉O備救急充電，也可在夜晚供使用者照明。

（2）該多功能救急充電傘適用范圍廣，在廣場、游樂場、茶餐廳，咖啡店，奶茶店，沙灘，報刊亭以及公交車站等地方都可以使用。

（3）該多功救急充電傘充分利用了太陽能和風能等新能源，每年可節(jié)約的標準煤最約多2176kg，最少約為1408kg；充分利用綠色能源，具有節(jié)能減排，環(huán)保無污染的特點；并貫徹落實了我國的可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略目標，有望為建設生態(tài)宜居城市提供一份力量。