衛(wèi)倩

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽合肥，230601）

0 引言

普通常規(guī)的太陽能電池為了保證有足夠的光電轉(zhuǎn)換效率，往往會(huì)比較笨重。原本設(shè)計(jì)衣物式便攜太陽能充電器時(shí)，因?yàn)榭紤]到太陽能電池較重不利于便攜，且為了達(dá)到快充的目的而只嘗試如何提升光電轉(zhuǎn)換效率。即便光電轉(zhuǎn)換效率較高，衣物式便攜太陽能充電器的使用條件比較苛刻，這對(duì)于產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)十分不利。使用衣物式便攜太陽能充電器共有以下兩個(gè)條件與缺陷：

（1）受環(huán)境影響大。光照必須足夠強(qiáng)才能使產(chǎn)品能夠獲得足夠的光照。光照是直接影響光電轉(zhuǎn)換速率的基礎(chǔ)條件。

（2）無法儲(chǔ)存電量。太陽能充電器是以太陽能電池為核心器件。為了更加輕便與環(huán)保因素，沒有加上儲(chǔ)蓄電池。因此衣物式便攜太陽能充電器只能將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，無法做到儲(chǔ)蓄電能。使用者穿戴使用過程中，從光照強(qiáng)的地方走入陰影處，會(huì)直接無法供電。

因此在衣物式便攜太陽能充電器做了優(yōu)化后的—衣物式智能便攜太陽能充電器。首先，為了環(huán)保與輕便，還是不加入儲(chǔ)蓄電池。為了避免出現(xiàn)當(dāng)衣物式智能便攜太陽能充電器不會(huì)因?yàn)闆]有光照而立刻無法供能的現(xiàn)象，智能調(diào)控電流的速率是一個(gè)可行的思路。當(dāng)有強(qiáng)光照的條件下，可以使用高光電轉(zhuǎn)換效率的充電方式；當(dāng)即將步入陰暗處，將電流速率變慢，做到弱光照甚至無光照的條件下也可以實(shí)現(xiàn)充電功能。此外，衣物式智能便攜太陽能充電器需要設(shè)置多個(gè)接口，去做到盡量滿足使用者對(duì)于戶外小型移動(dòng)電子設(shè)備的充電需求。

1 充電接口設(shè)計(jì)

為了滿足使用者對(duì)于常見移動(dòng)電子設(shè)備的充電需求，選擇并篩選了主要的接口，如表1 所示。接口選用了一些戶外常見使用的手機(jī)接口、筆記本電腦以及相機(jī)類產(chǎn)品的配備的型號(hào)。衣物式智能便攜太陽能充電器依舊只適用于應(yīng)急情況。如很多筆記本電腦依舊是傳統(tǒng)DC 接口，這種圓形孔的充電接口往往被需要配備變壓器，這并不符合便攜的特點(diǎn)。

表1 適用接口類型

接口的數(shù)量與使用者使用的便捷性無疑是呈現(xiàn)正態(tài)分布的。接口數(shù)量多，會(huì)不利于接口位置設(shè)計(jì)，也不利于使用者進(jìn)行接口類型識(shí)別。因此，衣物式智能便攜太陽能充電器配備8 個(gè)接口，足以滿足人們?nèi)粘Ｍ獬龅某潆娦枨蟆?/p>

接口的位置設(shè)置共有兩個(gè)方案：方案一是利用衣物下擺位置進(jìn)行接口的固定。衣物的俯視圖所得出的是一個(gè)近圓形的圖案。這有利于接口間有距離的分開固定。但穿戴衣物時(shí)，常用的會(huì)是衣物正方下擺處的充電接口。這會(huì)導(dǎo)致接口設(shè)計(jì)不便于使用。方案二是將接口固定于衣物正前方替代扣子的使用。將接口分別等距固定在衣物兩側(cè)，接口外側(cè)套有磁吸式保護(hù)套，可以與另一側(cè)接口的保護(hù)套直接合并。使用時(shí)可以直接將接口從保護(hù)套中取出。如圖1 所示接口可被磁吸保護(hù)套保護(hù)，延遲其使用壽命。兩端的磁吸保護(hù)套會(huì)自動(dòng)吸引，可以避免保護(hù)套的丟失，也可以使得穿著者省去扣扣子的麻煩。實(shí)際穿著時(shí)，使用者可以直接采取套頭式穿法來保護(hù)接口。

圖1 接口設(shè)計(jì)圖

如果拋棄所有接口，使用無線充電其實(shí)會(huì)更便于使用。但是無線充電利用磁場(chǎng)變化進(jìn)行充電。設(shè)計(jì)中使用的磁簧開關(guān)會(huì)因?yàn)檫@個(gè)產(chǎn)生影響。故不選用無限充電的方式。并且利用無線充電的移動(dòng)電子設(shè)備，基本只面向于手機(jī)。這會(huì)造成使用者的不便。

2 智能儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不同移動(dòng)電子設(shè)備接受的最大電流不同，根據(jù)電流的大小可以滿足不同的充電需求。如led 燈所需的電流會(huì)比較小，以此來保證led 燈可以使用較長時(shí)間；而急需充電的手機(jī)與筆記本電腦等可以增大輸出電流來減少使用者使用缺電的電子設(shè)備造成的不適感。因此為了解決僅有的太陽能電池?zé)o法完成的供電情況，設(shè)計(jì)了用電容替代儲(chǔ)蓄電池對(duì)接口處連接的設(shè)備進(jìn)行充放電。因此用電容進(jìn)行了儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

從圖2 中可以看出，儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是由逆變器、并聯(lián)電容于整流器組成。電容接受和釋放的均是交流電，而移動(dòng)電子設(shè)備用直流電是更普遍的。因此太陽能電池獲得光源處的能量轉(zhuǎn)換成電流，在逆變器完成直流電向交流電的轉(zhuǎn)換。這也是讓電容進(jìn)行充電的過程。逆變器共有兩個(gè)作用：①電容無法使用直流進(jìn)行充電，逆變器可以將太陽能電池輸出的直流電轉(zhuǎn)變成電容所需要的交流電。②逆變器還可以使電容無法對(duì)太陽能電池進(jìn)行放電過程。太陽能電池接受到電容的放電，會(huì)縮短太陽能電池的使用壽命。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

電容的電容量與其能儲(chǔ)存的電量是正比關(guān)系。大容量的電容成本會(huì)更高，所以此處采用多個(gè)同規(guī)格的電容進(jìn)行并聯(lián)來儲(chǔ)存電量。之所以用同個(gè)規(guī)格的電容是因?yàn)椴煌娙輰?duì)于電壓的要求不同，從產(chǎn)品的實(shí)用性與安全性看，同個(gè)規(guī)格的電容更便于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和儲(chǔ)蓄功能實(shí)現(xiàn)。

磁吸式保護(hù)套會(huì)吸引內(nèi)側(cè)開關(guān)，使用時(shí)將磁吸式保護(hù)套拿下，此接口的磁性開關(guān)閉合，所有電容開始向此接口進(jìn)行充電過程。當(dāng)磁吸式保護(hù)套位于接口上，磁力使磁簧開關(guān)呈現(xiàn)斷開狀態(tài)。

電容使用時(shí)輸出電流為交流電，移動(dòng)電子設(shè)備所需電流是直流電。因此在并行電容與接口之間加入整流器。加入整流器最主要的目的是將交流電轉(zhuǎn)變成直流電供給移動(dòng)電子設(shè)備充電使用。同時(shí)加入整流器，可以延長電流在衣物式智能便攜太陽能充電器中的過程，很大程度上改善出現(xiàn)使用者一旦位于陰影處電流立馬消失的現(xiàn)象。

3 智能開關(guān)的使用

隨著社會(huì)時(shí)代的發(fā)展，智能開關(guān)開始改善人們的生活。智能開關(guān)可以檢測(cè)數(shù)據(jù)并發(fā)送至移動(dòng)手機(jī)app，也可以實(shí)時(shí)或定時(shí)控制開關(guān)使用電器。在衣物式智能便攜太陽能充電器中應(yīng)用智能開關(guān)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)是否有電流泄漏問題；還可以檢測(cè)各硬件的使用情況去進(jìn)行及時(shí)的進(jìn)行更換維修；最關(guān)鍵的是可以智能控制電流位于衣物式智能便攜太陽能充電器中的各器件使用。

設(shè)計(jì)衣物式智能便攜太陽能充電器中共使用兩個(gè)智能開關(guān)與8 個(gè)智能磁簧開關(guān)。如圖3 所示，智能開關(guān)1 通過手機(jī)控制太陽能電池產(chǎn)生的電流是直接流向接口還是要經(jīng)過儲(chǔ)能電路再流向接口，也可控制同時(shí)進(jìn)行電流的輸出。智能開關(guān)內(nèi)也加入電流表去檢測(cè)電流大小。因此智能開關(guān)1與智能開關(guān)2 之間檢測(cè)出的電流進(jìn)行分析，即可檢測(cè)是否有漏電現(xiàn)象發(fā)生，保證產(chǎn)品使用者的安全性。

圖3 整體原理圖

此外，智能開關(guān)還應(yīng)用于磁性開關(guān)位置處。磁性開關(guān)閉合原本是通過接口處的磁性保護(hù)套控制。磁性會(huì)隨著使用時(shí)間變長而減弱。將智能開關(guān)用于磁性開關(guān)中，直接通過手機(jī)端進(jìn)行開關(guān)控制，實(shí)施檢測(cè)充電接口的輸出電流數(shù)值發(fā)送至手機(jī)端。當(dāng)磁性開關(guān)因磁性減弱而無法使用時(shí)，直接通過手機(jī)控制多個(gè)智能磁簧開關(guān)的使用狀態(tài)。

智能開關(guān)在衣物式智能便攜太陽能充電器中，主要起到的作用共有兩點(diǎn)，一是控制電池的大??；二就是檢測(cè)各個(gè)開關(guān)呈現(xiàn)閉合狀態(tài)或斷開狀態(tài)。

4 智能磁簧開關(guān)

一般磁簧開關(guān)[1]沒有磁場(chǎng)影響時(shí)，可切換的簧片與常閉簧片接觸，這也就是斷開現(xiàn)象。因?yàn)榇判员Ｗo(hù)套的保護(hù)作用，所以將可切換簧片在無磁場(chǎng)作用時(shí)與常開簧片接觸。這樣使得有磁性保護(hù)套位于接口上時(shí)，磁簧開關(guān)因?yàn)榇帕τ绊懪c常閉簧片接觸，處于斷開狀態(tài)。

將磁簧開關(guān)與智能開關(guān)的功能融入，形成智能磁簧開關(guān)。智能磁簧開關(guān)中具有電流表來實(shí)時(shí)監(jiān)控電流數(shù)據(jù)，當(dāng)電流數(shù)值過大進(jìn)行斷電功能。同時(shí)將電流信息發(fā)送到手機(jī)端，以供實(shí)時(shí)查閱。通過手機(jī)端也可以智能控制個(gè)磁性開關(guān)的閉合與斷開?？紤]到磁性開關(guān)受磁力條件下，磁力保護(hù)套的影響比較小時(shí)，通過手機(jī)端app 來控制開關(guān)閉合。

圖4 整體硬件電路圖

設(shè)置智能磁簧開關(guān)的目的是讓使用者可以大幅度的利用太陽光產(chǎn)生的電能。當(dāng)使用者將衣物式智能便攜太陽能充電器放于家中陽臺(tái)的能接受到光照的地方給移動(dòng)電子設(shè)備充電。使用者檢測(cè)到移動(dòng)電子設(shè)備滿電狀態(tài)時(shí)，可以通過智能磁性開關(guān)進(jìn)行斷電工作，而無需實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5 總結(jié)

衣物式智能便攜太陽能充電器考慮了兩種方案。通過手機(jī)端控制智能開關(guān)的接入電路。當(dāng)光源較強(qiáng)，太陽能電池轉(zhuǎn)化的光源會(huì)一部分流向儲(chǔ)能系統(tǒng)，一部分直接通過導(dǎo)線供給接口進(jìn)行電子設(shè)備的充電。而當(dāng)光源較弱時(shí)，太陽能電池所能轉(zhuǎn)化的電能全部供給電子設(shè)備后，由儲(chǔ)能元件替代太陽能電池完成充電。而選擇何種方案，是有使用者在手機(jī)端app自己控制，以此來達(dá)到使用者的對(duì)于不同移動(dòng)電子設(shè)備充電的需求。

在儲(chǔ)能元件中，用并聯(lián)電容器替代儲(chǔ)能電池可以極大地減輕重量，并且對(duì)于環(huán)境的友好度會(huì)較高。儲(chǔ)能電池的原料一般會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害，而電容元件造成的危害會(huì)更小。而之所以使用并聯(lián)電容器，是因?yàn)閱蝹€(gè)電容的電容量無法達(dá)到要求。當(dāng)電容量越大，所能儲(chǔ)存的電能也就越大。并聯(lián)電容器用同種規(guī)格的多個(gè)電容進(jìn)行并聯(lián)，同規(guī)格會(huì)導(dǎo)致電容電壓不同而導(dǎo)致無法正常工作。將同種規(guī)格的電容器并聯(lián)在一起時(shí)，電容量會(huì)大幅度提升。同時(shí)使用多個(gè)同規(guī)格的電容比大容量電容的制作成本要更低，維修成本也更便宜。當(dāng)電容出現(xiàn)損壞的情況下，并聯(lián)也不會(huì)很快影響到整體供電。

儲(chǔ)能系統(tǒng)中加入逆變器和整流器，是進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)變。一是可以適當(dāng)延長電流的傳輸速率。二是讓并聯(lián)電容作為儲(chǔ)能器件正常工作。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)也在于使用并聯(lián)電容替代儲(chǔ)蓄電池使用來保護(hù)環(huán)境且易于便攜。以及將智能開關(guān)應(yīng)用于磁簧開關(guān)中，使得使用者可以通過手機(jī)app 控制智能開關(guān)的狀態(tài)來選用適合自己的模式。

6 展望

隨著智能化水平越來越高，人們對(duì)移動(dòng)電子設(shè)備的依賴越來越深。當(dāng)人們對(duì)于移動(dòng)電子設(shè)備的接口擁有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以將衣物式智能便攜太陽能充電器的口設(shè)計(jì)復(fù)雜度大幅度降低。

為了提升衣物式便攜編寫太陽能充電器的智能化程度，是否可以將移動(dòng)電子設(shè)備接一個(gè)反饋到智能開關(guān)1 處，進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)電量，滿電時(shí)自動(dòng)斷電。而這需要與移動(dòng)電子設(shè)備進(jìn)行一個(gè)信息交換過程。為了保證智能開關(guān)的準(zhǔn)確性，是否可以檢測(cè)移動(dòng)電子設(shè)備滿電后給移動(dòng)手機(jī)發(fā)送斷電請(qǐng)求。使用者結(jié)合電流數(shù)據(jù)判斷情況是否屬實(shí)。這是未來需要研究的。