孫麗兵，何永艷，陳永平，王金玉，陳素瑩

(1.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 201411；2.智電創(chuàng)能(上海)電力科技有限公司，上海 201110)

太陽能戶外公共座椅產(chǎn)品，主要采用光伏清潔能源轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過智能控制系統(tǒng)，將電能儲存在座椅內(nèi)部的儲能電池中；當(dāng)遇見光伏能源供電不足時，可自動切換為市電供能，確保整體設(shè)備正常運(yùn)行[1-3]。將太陽能發(fā)電技術(shù)、智能化技術(shù)和日常生活中的公共座椅功能有機(jī)結(jié)合，在彌補(bǔ)傳統(tǒng)公共座椅實(shí)用性和美觀性不足缺陷的同時，增加多種實(shí)用性功能，滿足人們在休息的同時為手機(jī)、IPad等小功率設(shè)備充電、播放音樂、人機(jī)語音互動的等休閑需要，構(gòu)建太陽能產(chǎn)品便民、利民、惠民新主題。

1 整體設(shè)計(jì)方案

為了滿足功能性和實(shí)用性兼顧的需求，將太陽能智能座椅設(shè)計(jì)成長椅，其產(chǎn)品功能采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，兼顧外形特征的設(shè)計(jì)，滿足人們在休息的同時為小功率設(shè)備充電及休閑娛樂的需要。

太陽能智能座椅功能模塊主要有4點(diǎn)：①綠色供電模塊；②智能人機(jī)語音模塊；③景觀照明模塊；④無線充電模塊。

太陽能智能座椅外形設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①人體工學(xué)外觀設(shè)計(jì)研究；②城市景觀美學(xué)美譽(yù)度研究。

太陽能智能座椅的方案如下。

(1)椅子為一字型外觀，椅子中央為光儲充電供電模塊，模塊上方安裝光伏面板，可吸收太陽能轉(zhuǎn)化為電能并存儲在內(nèi)部電池中。

(2)中央供電模塊設(shè)置有線和無線兩種充電模式，以適應(yīng)不同電子產(chǎn)品的充電需求。

(3)智能語音模塊位于中央供電模塊側(cè)邊，智能語音模塊內(nèi)置Wi-Fi、人工智能語音等功能模塊，具備無線上網(wǎng)、智能對話、音樂播放、地圖查詢等多種便民功能。

2 綠色供電模塊

太陽能電池板是太陽能智能座椅的重要組成部分。整個太陽能智能座椅的能源主要是依靠太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，轉(zhuǎn)化的電能一部分用于智能座椅的智能語音模塊、無線充電模塊等，此外系統(tǒng)可以將多余的電量儲存到智能座椅內(nèi)置的儲能電池，在陰雨天氣、夜晚等太陽能電池板產(chǎn)生的電力不足時，持續(xù)為智能座椅提供電能供給。

綠色供電模塊采用光儲獨(dú)立供電模式。以基于PECVD工藝的硅基薄膜太陽電池作為主電源，采用PET封裝，通過光電效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，蓄電池充放電管理系統(tǒng)將電能存儲在儲能電池中，并優(yōu)化管理電池的充放電過程。太陽能智能座椅供電模塊外觀圖如圖1所示。

圖1 太陽能智能座椅供電模塊外觀圖

太陽能智能座椅的綠色供電模塊利用太陽能電池板在陽光照耀下的光電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，鋰離子電池將太陽能電池板產(chǎn)生的電荷存儲起來，利用A/D轉(zhuǎn)換器采集充電電池的電壓并在顯示屏上顯示電壓值，單片機(jī)系統(tǒng)可對其他智能模塊進(jìn)行控制及功能擴(kuò)展。供電電路最主要關(guān)鍵部件有：太陽能電池板、鋰電池。太陽能智能座椅供電模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 太陽能智能座椅供電模塊系統(tǒng)框圖

根據(jù)地域、功能需求等采用不同材質(zhì)太陽能電池板。采用高集成一體化設(shè)計(jì)，光伏輸入采用MPPT控制通過H橋DC/DC變換器將電壓變?yōu)镈C與儲能部分并入直流母線。采用電壓電流雙閉環(huán)控制，直流母線接單相逆變器將電壓變?yōu)锳C230V供給交流母線，由交流母線給負(fù)載供電。

儲能電池是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種電子器件，原理是通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)反復(fù)的充放電。目前，從安全性、實(shí)用性角度一般采用鋰電池，在充電時電能儲存為化學(xué)能，在放電時再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。近幾年，新能源汽車、電子產(chǎn)品、5G通信、科研教學(xué)等的快速發(fā)展，儲能電池已廣泛應(yīng)用在人們的日常生活中。

3 智能人機(jī)語音模塊

智能語音交互模塊將語音識別與合成技術(shù)、即時通信技術(shù)相融合，模塊主要由主控模塊、數(shù)據(jù)存儲器、語音識別模塊、微控制器和揚(yáng)聲器等組成，內(nèi)置Wi-Fi、Bluetooth模塊?；贗EEE 802.11協(xié)議實(shí)現(xiàn)近距離無線傳輸，使產(chǎn)品具備無線上網(wǎng)、智能對話、音樂播放、地圖查詢等多種便民功能。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時嚴(yán)格遵守以下4點(diǎn)原則。

(1)操作簡單，用戶界面友好。

(2)價(jià)格優(yōu)勢，要有性價(jià)比。

(3)系統(tǒng)可持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，可靠性高。

(4)模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性好，方便系統(tǒng)升級和剪裁。

4 景觀照明模塊

太陽能是一種較為理想的綠色清潔能源，其參與到照明中可為能源合理利用的一種有效途徑[4-7]。景觀照明模塊供電系統(tǒng)來自綠色供電系統(tǒng)模塊，將時控、光控和感應(yīng)控制三者結(jié)合智能調(diào)節(jié)路燈亮度。其中，主控制器控制太陽能供電以及對路燈照明的智能控制。景觀照明模塊整體框架圖如圖3所示。

圖3 景觀照明模塊整體框架圖

景觀照明模塊的功能如下。

(1)主控制器：負(fù)責(zé)整個景觀照明模塊的智能控制，采集信號，并發(fā)出照明的控制命令。

(2)儲能控制器：負(fù)責(zé)實(shí)時檢測儲能電池的電壓及電流，控制充放電。

(3)照明燈：智能檢測環(huán)境明暗情況，實(shí)現(xiàn)輔助照明。

5 無線充電模塊

人們每天使用手機(jī)時長的增加，也造成了手機(jī)電池耗電量的增大。短時間內(nèi)手機(jī)電池在工藝技術(shù)上很難取得突破性進(jìn)展，而通過增大電池體積來增加電池電量更不符合現(xiàn)在年輕人對電子產(chǎn)品輕薄的追求。太陽能智能座椅設(shè)計(jì)了智能充電模塊，可實(shí)現(xiàn)一個設(shè)備同時給多個手機(jī)充電，突破了目前共享充電的不便捷性。人們可以在戶外椅子上休息的同時為手機(jī)充電，給人們帶來了更舒適的充電體驗(yàn)。

研制了具備廣域特性的多負(fù)載耦合無線充電模塊，在小功率充電平臺的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了寬功率輸出模塊，能滿足不同功率范圍設(shè)備及不同數(shù)量設(shè)備同時充電的需求，實(shí)現(xiàn)即放即充、即拿即用，提升了用戶使用感受。同時未來智能物聯(lián)網(wǎng)的接入，能夠?qū)崿F(xiàn)充電平臺與手機(jī)互聯(lián)，通過異物檢測系統(tǒng)及負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無線供電模塊的遠(yuǎn)程控制及安全監(jiān)控。具備廣域特性的多負(fù)載耦合無線充電模塊使用場景如圖4所示。

圖4 具備廣域特性的多負(fù)載耦合無線充電模塊使用場景

具備廣域特性的多負(fù)載耦合無線充電模塊主要解決小微功率設(shè)備的無線充電問題。充電對象通常包括手機(jī)、智能手表、平板電腦等小功率產(chǎn)品。項(xiàng)目目前具備三大核心優(yōu)勢：具備廣域特性，即設(shè)備可在一個較大的充電區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)“非接觸式”充電，而不僅是一個較小的充電模塊；寬功率輸出范圍，可實(shí)現(xiàn)多臺、多種類設(shè)備同時供電；智能物聯(lián)網(wǎng)接入實(shí)現(xiàn)人機(jī)互聯(lián)，以保障對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而確保設(shè)備工作的安全性。

(1)寬供電范圍。通過多線圈串并聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)有效供電范圍的拓展。目前無線充電器傳輸方式主要是采用感應(yīng)耦合的方式進(jìn)行能量傳輸，傳輸距離一般為7 mm，極大地影響使用便利性，通過磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，傳輸距離可提高至10～30 cm，在較大平面范圍內(nèi)，放置設(shè)備均能實(shí)現(xiàn)設(shè)備較大功率供電。既有效解決有線供電帶來的安全問題，又能在較寬的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線供電。

(2)多設(shè)備兼容。主逆變電路采用可切換諧振支路的E類逆變器。在保證逆變電路始終工作于軟開關(guān)，保證高效率輸出的同時，兼容多種功率輸出，同時兼容多種負(fù)載特性設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)不同數(shù)量、不同功率設(shè)備的同時接入。

(3)具備智能監(jiān)測及智能識別功能。通過智能物聯(lián)網(wǎng)接入，能有效實(shí)現(xiàn)人機(jī)互聯(lián)以及對工作狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控。同時，可以智能識別充電，對充電設(shè)備的剩余電量檢測能有效實(shí)現(xiàn)設(shè)備工作過程可視化。用戶在體驗(yàn)便利性的同時，也可實(shí)時觀測充電數(shù)據(jù)，使用體驗(yàn)極佳。

6 結(jié)語

針對目前太陽能產(chǎn)品功能定位模糊，實(shí)用性較差等不足的現(xiàn)狀，開展光伏產(chǎn)品市場應(yīng)用分析，設(shè)計(jì)了一款兼具功能性和舒適性的太陽能智能座椅。根據(jù)日常生活各種用電設(shè)備的需求，通過智能控制器輸入到不同的設(shè)備中，可解決戶外電子產(chǎn)品充電的問題。