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

缺点——更换电池。风扇伞供能的电池电量有限，并且风扇耗电快，需要频繁的更换电池，在使用过程中会产生新的费用，而且风扇伞本身的价格也不低，这样在后期的使用中将会继续增加成本。有关专家的报告指出:对于有害物质的测定, 一颗纽扣电池可污染60000L水,等同于一个人一辈子所用的水量；烂在地里的一节一号电池,就能污染12m地，并且是永久性的。所以风扇伞使用中产生的废电池会破坏环境，造成环境污染。从成本和环保两方面来看，风扇伞在市面上也就得不到很好的推广应用。

通过对上面的分析看出，人们出行降温的工具越来越有技术含量，随着环境的恶化、生活水平的提高以及环保的要求，人们越来越需要一个环保、方便、低成本的避暑出行工具。我设计的太阳能风扇伞是利用太阳能电池带动风扇并与太阳伞结合的方式，使人们在高温天气仍能凉爽出行，获得明显的降温效果，并且在伞的结构与重量上基本保持不变，价格趋于大众化。太阳能风扇伞以太阳能电池为能源驱动风扇，为人们的出行送风降温，解决了带风扇太阳伞所存在的问题，使用过程不会产生新的费用，避免了经常性的更换电池，既经济又实惠。

在外出时太阳能电池既可以给风扇供电又可以将多余电储存在蓄电池中，这样就可以在需要电能的时候使用，随着社会的进步，高科技产品越来越多，随身携带的电子产品的种类也在增多，手机等电子产品的屏幕越来越大、应用软件越来越多，电池也就越来越不禁用。太阳能风扇伞可以利用蓄电池将电能储存起来，通过USB接口给手机等电子产品充电，解决户外充电的问题，做到功能多样化，使太阳能

风扇伞拥有更高的性价比。

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；在功能上比一般便携式降温工具降温效果更好；在技术方面利用了太阳能，既做到了节能环保，又兼有一般伞的遮阳功能。蓄电池还能通过USB接口给手机等电子产品充电，并且在伞的结构与重量上保持基本不变，保持了伞的统一性。在能源危机的情况下，太阳能风扇伞利用可再生环保的能源，减少环境污染，方便户外给手机等电子产品充电，给人们增添一份舒适，可谓顺应时代与环境的要求，开创了伞类的科技创新，让我们的生活工具越来越环保高效，使科技创新更贴近我们的生活。

1.2国内外研究现状

日常生活中几乎没看到有带风扇的伞在使用，网上可查到个别厂家生产了电池供电的风扇伞，价格约200元左右。网上查询显示太阳能风扇伞的专利申请是有的，但都还处于专利技术保护阶段，无法获得详细技术资料。关于太阳能电池技术，国内外都已经达到很高的水平了，我国更是一个光伏产业大国，所以在国内太阳能电池的应用也是比较成熟的。

国内出现的用电池带动风扇的伞，其伞架有所改变。主要是支架下移，使支架与伞顶留出空间，将风扇叶片安装在其中。方便了伞的收缩，风扇叶片可以折叠，线路通过空心的支杆连接，将电源安装在手柄处，并设置了开关。风扇伞的特点就是利用电池提供的能量带动风扇的转动，给使用者带来风。此产品优点在于既能遮阳也能使用风扇，风扇叶片方便伞的收放为铰链连接，整体结构做到了紧凑、可靠。

由于环保和使用成本的问题，风扇伞需要进一步的研究和改进。

在专利网上可以看到，很早以前就有人申请了一种太阳能带动风扇的伞的专利，但目前在国内还没有发现这一专利的应用。从专利介绍可以看出这种伞跟前面所介绍的电池带动风扇的伞在结构上基本相同，而在太阳能转换控制和数据参数方面没有任何介绍，可以理解为此专利处在纯理论阶段，或还在专利保护期，还需要进一步的研究。

在国外，一名在沃达丰工作的华裔童博发明了一种伞，可以用太阳能给手机充电，能进行一定程度弯折的柔性太阳能电池是这个发明的核心。把它贴在伞面顶上，它将不仅仅能为人们遮阳，还能为人们提供电能。伞面上的12块柔性太阳能电池板会把获得的电能储存至伞柄内的蓄电池中，将手机电量充满只需3个小时。我们可以根据风扇伞的结构和童博士的创意来研制出太阳能风扇。

一家位于江宁开发区的南京焜耀光电技术有限公司研制出了一种能够弯曲的太阳能电池片，这些轻薄的太阳能电池片只要在阳光下照射6个小时便可以为两台智能手机充电。过去常见的太阳能电池常为比较重、还容易破碎的晶硅电池，而这种柔性太阳能电池片采用的是非晶硅材料，柔性比晶硅材料更高，可以随意弯曲，在相同发电量下，此电池的重量只有晶硅材料的五分之一。经过试验证明，将它放在地上踩也不会踩坏，就算对着它用枪击穿一个孔，也只是损坏了那一小块地方，不影响整块电池片的使用。

通过对国内外太阳能薄膜电池发展现状、电池风扇伞结构的分析研究，我有信心利用现目前的技术试制一把太阳能风扇伞。它将利用

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：UitraFIre 18650

材料:锂电池（Li-ion）

品牌:神火

型号:18650

规格: Φ 18*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好；在技术方面采用了太阳能控制系统，既做到了节能环保，又做到了其他伞没有的功能。蓄

电池还能通过USB接口给手机等电子产品充电，并且在伞的结构与重量上保持基本不变，做到了伞的统一性。在能源危机的情况下，太阳能风扇伞利用环保、可再生能源，实现了伞类的科技创新。

太阳能风扇伞的设计改变了太阳伞的单一遮阳功能，能有效送风降温，改善高温酷热的出行条件且该伞集遮阳、送风、移动充电功能于一体，使用安全可靠，节能环保、成本合理。大众化的价格，极高的性价比，应该能在生活中得到推广，所以说太阳能风扇伞具有很好的使用前景和市场潜力。