太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的設(shè)計(jì)摘要目前地球正處在全球變暖的情況下，夏天室外的平均氣溫可達(dá)34℃，電能帶動(dòng)的風(fēng)扇和空調(diào)便成為人們最主要的降溫工具。太陽(yáng)能是一種干凈、綠色、儲(chǔ)量大、清潔環(huán)保的可再生能源。本文設(shè)計(jì)的目的就是將柔性太陽(yáng)能電池與帶風(fēng)扇的傘結(jié)合在一起，帶動(dòng)傘中的小風(fēng)扇工作，可以將電能存儲(chǔ)在鋰蓄電池中，經(jīng)過(guò)電壓變換后給手機(jī)等電子產(chǎn)品充電，也可在太陽(yáng)光照不足時(shí)給風(fēng)扇供能，本文主要是涉及了對(duì)太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的整體設(shè)計(jì)，包括電池選型設(shè)計(jì)，手柄結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的安裝調(diào)試等，最后使太陽(yáng)能風(fēng)扇傘達(dá)到既遮陽(yáng)有送風(fēng)的功能。本文在遮陽(yáng)傘的基礎(chǔ)上，融入了太陽(yáng)能和風(fēng)扇相結(jié)合的創(chuàng)新點(diǎn)，體現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的實(shí)用性和綠色節(jié)能性。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能薄膜電池風(fēng)扇傘USB接口充電器1緒論1.1研究目的地球目前是處在全球變暖的情況下，溫室效應(yīng)變得明顯。全球夏天越來(lái)越炎熱，某些地區(qū)室外平均氣溫可達(dá)44℃，就算是打著遮陽(yáng)傘出門，室外的高溫，也會(huì)使人滿身是汗，渾身不舒服，在這樣的環(huán)境下出門便成了人們苦惱的事。在這樣的高溫天氣下，人們急需要一個(gè)可以有效降溫的出行工具。市面上解決這個(gè)問(wèn)題的方法是外出使用扇子、太陽(yáng)傘和帶小型風(fēng)扇的帽子等，可這些產(chǎn)品的降溫效果卻不怎么明顯或不怎么實(shí)用。從古至今扇子都是我們夏天降溫的普遍工具，扇子成本雖然很低，但是需要人們自己運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生風(fēng)，而且也避免不了陽(yáng)光的直射。隨著人們生活水平的提高，它已遠(yuǎn)達(dá)不到人們對(duì)降溫的要求。市場(chǎng)調(diào)研顯示，通常一把遮陽(yáng)傘的價(jià)格在30—400元不等，雖然遮陽(yáng)傘下可以避免陽(yáng)光的直射，但周圍的高溫?zé)釟馊越o人酷暑難耐的感覺(jué)，難以舒適出門，所以遮陽(yáng)傘的性價(jià)比不高。帶風(fēng)扇的帽子在生活中的出現(xiàn)，雖能達(dá)到一定的降溫效果，但降溫區(qū)域有限，效果不是很明顯。不但避免不了太陽(yáng)的直射，而且戴在頭上也不自在，最麻煩的是需要經(jīng)常更換電池，使用過(guò)程持續(xù)產(chǎn)生的消費(fèi)成本只升不降，既不利于能源的利用，也破壞環(huán)境。這些問(wèn)題使帶風(fēng)扇的帽子難以在生活中得到更廣泛的使用。帶風(fēng)扇的傘卻結(jié)合了遮陽(yáng)傘和風(fēng)扇帽的優(yōu)點(diǎn)，既能有效遮擋陽(yáng)光的直射，又能達(dá)到一定的降溫作用，但同時(shí)也帶來(lái)了跟風(fēng)扇帽一樣的太陽(yáng)能提供能量帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，達(dá)到人們?cè)谙娜战禍爻鲂械囊螅€能儲(chǔ)存電能，在必要時(shí)給手機(jī)等電子產(chǎn)品充電。1.3太陽(yáng)能電池工作原理將光能轉(zhuǎn)化成電能輸出的一種發(fā)電方式。太陽(yáng)電池產(chǎn)生的電是直流電，因此可以直接給電機(jī)和蓄電池供電。1.4柔性太陽(yáng)能電池介紹柔性太陽(yáng)能電池屬于太陽(yáng)能薄膜電池的一種，具有技術(shù)先進(jìn)、成本低廉、性能優(yōu)良、用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)。它可以在太陽(yáng)能背包、太陽(yáng)能敞篷、太陽(yáng)能傘、太陽(yáng)能手電筒、太陽(yáng)能汽車、太陽(yáng)能帆船以及太陽(yáng)能飛機(jī)上得到應(yīng)用。柔性太陽(yáng)能電池以后的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是光伏建筑一體化，它可以貼在窗戶玻璃上、屋頂或外墻面。2太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體框架示意圖2.1太陽(yáng)能風(fēng)扇傘總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了使傘保持普通太陽(yáng)傘所具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便和收縮的特性，在普通傘的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新改制。太陽(yáng)能風(fēng)扇傘主要由柔性太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)傘、小風(fēng)扇、USB接口、鋰蓄電池和控制轉(zhuǎn)換電路等組成。如上圖，為使太陽(yáng)能風(fēng)扇傘輕便美觀，可將柔性太陽(yáng)能電池封裝在外傘面，所有線路藏于傘的中桿內(nèi)；小風(fēng)扇安裝在內(nèi)傘面與傘骨架之間的中桿上；控制轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)及鋰蓄電池安裝在經(jīng)過(guò)相關(guān)設(shè)計(jì)的傘柄中；為安全起見(jiàn)，在傘中桿的卡口處設(shè)計(jì)安裝一個(gè)安全開(kāi)關(guān)。使用時(shí)，將傘完全撐開(kāi)，傘架上的卡頭就會(huì)卡在卡口處，將安全開(kāi)關(guān)打開(kāi)。當(dāng)傘面受到陽(yáng)光直射時(shí)，太陽(yáng)能電池就會(huì)將光能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)穩(wěn)壓電路給鋰蓄電池充電，在室內(nèi)沒(méi)有太陽(yáng)光時(shí)，還可以利用USB接口通過(guò)家用電源給鋰電池充電。當(dāng)打開(kāi)手柄上的開(kāi)關(guān)后，鋰電池便可以通過(guò)升壓電路使風(fēng)扇工作。手柄做應(yīng)急電源時(shí)，只要將電子產(chǎn)品的USB接頭插在手柄的USB接口上就可以為其充電了。2.2風(fēng)扇結(jié)構(gòu)分析通過(guò)觀察普通風(fēng)扇傘我們發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)軸被固定在中棒上，不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子就會(huì)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而現(xiàn)在轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)軸）被固定，所以此時(shí)定子（與電機(jī)外殼相連）就會(huì)相對(duì)于轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)扇葉片與外殼相連，這樣外殼就會(huì)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生風(fēng)。通過(guò)對(duì)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的研究，風(fēng)扇的葉片與電機(jī)的外殼是鉸鏈連接，在風(fēng)扇沒(méi)有工作時(shí)，葉片就會(huì)因重力自然垂下，大大減小風(fēng)扇在傘中所占用的空間，方便傘的收攏。當(dāng)風(fēng)扇開(kāi)始工作時(shí)，葉片跟隨電機(jī)外殼旋轉(zhuǎn)，使得葉片受到一個(gè)離心力而張開(kāi)。風(fēng)扇葉片安裝結(jié)構(gòu)示意圖3太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)及元件選型3.1太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的整體設(shè)計(jì)要求，太陽(yáng)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框如下圖所示，太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池上后產(chǎn)生電能輸出，由于太陽(yáng)能產(chǎn)生的電流不穩(wěn)定，所以需要通過(guò)恒流充電電路才能穩(wěn)定、連續(xù)的給蓄電池充電，蓄電池的電壓是3.7V不能達(dá)到負(fù)載所需要的電壓，所以蓄電池需要通過(guò)升壓放電電路才能給風(fēng)扇電機(jī)提供電能。為了使太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的供能更人性化，我們?cè)鲈O(shè)了USB接口以便進(jìn)行電能輸入和輸出。太陽(yáng)能系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系如下：3.2太陽(yáng)能電池的選擇經(jīng)網(wǎng)絡(luò)查尋，柔性太陽(yáng)能電池的工作電壓為1.5V，由于1.5V的電壓太小，我們需要串聯(lián)四塊同樣的電池片為負(fù)載供電，這樣太陽(yáng)能電池組的輸入電壓可達(dá)到6V。太陽(yáng)能電池板的凈尺寸為18cm×4cm×0.05cm(即0.5毫米)，出廠標(biāo)稱正午太陽(yáng)光直射板面時(shí)，它的電流在500MA-700MA，電壓為2V。此太陽(yáng)能電池?cái)y帶很方便,在強(qiáng)光下充電效果好，是攜帶充電設(shè)備的好材料。3.3蓄電池的選擇在選擇蓄電池時(shí)，我要考慮電能的儲(chǔ)存問(wèn)題，因?yàn)閱渭兊奶?yáng)能電池組產(chǎn)生的電流不穩(wěn)定、不能連續(xù)的給負(fù)載供電，不使用時(shí)會(huì)浪費(fèi)電能。所以需要一個(gè)蓄電池來(lái)儲(chǔ)存，根據(jù)傘的手柄小、負(fù)載的耗電量大、傘的使用年限長(zhǎng)的特征，我們選擇的蓄電池必須要體積小、容量大、壽命長(zhǎng)，為了滿足這些要求我們選擇18650蓄電池。（1）電池參數(shù)名稱：UitraFIre18650材料:鋰電池（Li-ion）品牌:神火型號(hào):18650規(guī)格:Φ18*65(mm)容量:4800MAH重量：50g壽命：1000次以上標(biāo)準(zhǔn)電壓:3.7V推薦電流：1A最大電流：2A工作溫度：-20℃-50℃（2）電池特點(diǎn)18650蓄電池可以隨充隨用，安全系數(shù)高，不會(huì)爆炸，不會(huì)燃燒；是無(wú)毒、無(wú)污染的環(huán)保電池，通過(guò)RoHS商標(biāo)認(rèn)證，各種安全性能達(dá)標(biāo)，循環(huán)充電次數(shù)可達(dá)1000次以上；耐高溫性能好，溫度在65℃時(shí)的放電效率達(dá)100%。為防止電池工作時(shí)短路，18650鋰電池的正負(fù)極是在兩端的，所以將它發(fā)生短路的可能降到了最低。電池可以加裝保護(hù)電路，避免電池過(guò)充或者過(guò)放，這樣能夠延長(zhǎng)電池的使用壽命。（3）充電說(shuō)明電池充滿電的容量是4800MAH，在陽(yáng)光充足的情況下，太陽(yáng)能電池組8小時(shí)能夠使電池充滿。通過(guò)升壓電路后的輸出電壓為5V，充滿電的電池經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得可以給1200MAH的手機(jī)電池充電4次，給傘的風(fēng)扇供電2小時(shí)，儲(chǔ)存電量一般能夠滿足人們的日常需要。3.4電機(jī)的介紹考慮了整個(gè)太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇的電機(jī)可采用雙軸電機(jī)，這樣就能如下圖安裝。根據(jù)太陽(yáng)能電池組提供的電壓，電機(jī)的標(biāo)稱電壓為5.2V，工作電壓為5-9V，額定電流為500mA，額定轉(zhuǎn)速為1360轉(zhuǎn)/分。4.1恒流充電模塊由于太陽(yáng)能電池4片串聯(lián)起來(lái)后的太陽(yáng)能電池組電壓是6V，并且太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電流并不穩(wěn)定，是會(huì)根據(jù)太陽(yáng)光的強(qiáng)弱而發(fā)生變化的，所以太陽(yáng)能電池組不能給3.7V的18650蓄電池直接充電。故我們可以通過(guò)CN3082芯片給鋰電池充電，CN3082是可以對(duì)多種蓄電池充電進(jìn)行控制的芯片。本芯片只需很少的外圍元器件，并且符合USB總線技術(shù)規(guī)范的要求，適用于便攜式產(chǎn)品的制作。穩(wěn)壓充電電路圖5手柄設(shè)計(jì)5.1手柄相關(guān)尺寸的確定由于要在傘的手柄中放置電路板，開(kāi)關(guān)，蓄電池和連接傘的中桿，所以我們?cè)趯?duì)手柄進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮這些東西的尺寸，根據(jù)相關(guān)尺寸及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。（1）電池及傘中桿尺寸根據(jù)我們前面選擇的鋰電池18650的規(guī)格是φ18*65(mm)和電池正負(fù)極彈簧片的大小可以初步確定電池盒部分的尺寸；通過(guò)對(duì)普通傘的中桿進(jìn)行測(cè)量，傘中桿的尺寸為φ10mm，我們就可以確定傘中桿和手柄連接處孔的尺寸。（3）開(kāi)關(guān)尺寸由于在傘的手柄中將放置開(kāi)關(guān)，所以必須根據(jù)開(kāi)關(guān)的尺寸來(lái)確定開(kāi)關(guān)在手柄中的尺寸及位置。圖5.2開(kāi)關(guān)尺寸圖5.3手柄設(shè)計(jì)圖（1）手柄座手柄座是手柄最主要的一部分，在它的里面將放置蓄電池、開(kāi)關(guān)、電路板、電池正極彈簧片、相連導(dǎo)線及連接傘的中桿，并與手柄蓋通過(guò)螺釘連接組合成一個(gè)完整的手柄。根據(jù)以上部件的大小，手柄座大體為一個(gè)被切掉兩邊的圓柱體，尺寸為φ36×138mm；根據(jù)蓄電池的尺寸，設(shè)計(jì)電池盒為φ19×65.5mm；電路板的大小由PCB設(shè)計(jì)可知27×62mm，根據(jù)情況固定螺釘選用M3×6mm；由于導(dǎo)線是由中桿連接電路板的，所以手柄座的電路板與中桿之間需要一個(gè)孔連通，設(shè)計(jì)為能放下4根導(dǎo)線的尺寸φ5mm；手柄座與中桿的釘緊螺釘選用M4×12mm，與手柄蓋的固定螺釘為M3×8mm。（2）手柄蓋為了使手柄蓋與手柄得到更好的配合，就需要根據(jù)電路板中USB、LED的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，手柄蓋還將放置電池的負(fù)極彈簧片，所以要設(shè)計(jì)一個(gè)彈簧片卡槽。（3）防水塞由于方便手柄蓋上電池負(fù)極彈簧片的放置，所以手柄座和手柄蓋的連接后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)孔，故需要一個(gè)防水、防塵的橡膠塞堵住這個(gè)孔。為了更好的連接手柄和傘的中桿，防止手柄松動(dòng)，所以在手柄和中桿的連接處設(shè)計(jì)了一個(gè)橡膠的防水塞，這樣既固定了手柄又防止了水流入手柄中。6.1太陽(yáng)能電池的測(cè)試安裝通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池的光照實(shí)驗(yàn)顯示，一塊太陽(yáng)能電池的工作電壓在1.5V，4塊串聯(lián)的工作電壓為6V，在一般光照下的電流為300MA左右，正午最強(qiáng)光照的電流為600MA。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，太陽(yáng)能電池滿足本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。將4塊太陽(yáng)能電池串聯(lián)后分布在傘面上，并將導(dǎo)線通過(guò)中桿連接到傘柄中的控制開(kāi)關(guān)。通過(guò)光照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一般光照環(huán)境下太陽(yáng)能電池組能夠帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)。太陽(yáng)能電池帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)6.2鋰電池的測(cè)試安裝將鋰蓄電池裝入控制電路，連接電路，傘中的風(fēng)扇能夠正常工作，風(fēng)也能給人涼爽的感覺(jué)，并且將傘進(jìn)行光照實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制電路顯示為充電狀態(tài)，說(shuō)明鋰蓄電池能夠作為本設(shè)計(jì)的中間電源。蓄電池帶動(dòng)風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)

6.3整體的安裝調(diào)試最后的調(diào)試階段，我們將風(fēng)扇安裝固定在傘面和傘骨架之間，沒(méi)通電時(shí)，葉片自然垂下，通電時(shí)因離心力而旋轉(zhuǎn)。鋰電池及充電器安裝在傘柄中，控制開(kāi)關(guān)和充電接口安裝在傘柄上，所有線路及導(dǎo)線通過(guò)中桿連接，為了保證安全，在中桿上安裝一個(gè)安全開(kāi)關(guān)，只有當(dāng)傘撐開(kāi)是才閉合。所以部件通過(guò)安裝固定后，太陽(yáng)能風(fēng)扇傘攜帶就跟普通的傘一樣方便，并且能夠滿足本設(shè)計(jì)要求。太陽(yáng)能風(fēng)扇傘工作圖7結(jié)束語(yǔ)太陽(yáng)能風(fēng)扇傘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題對(duì)太陽(yáng)能風(fēng)扇傘總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，探討了傘架與風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，討論了太陽(yáng)能電池的工作原理、介紹了柔性太陽(yáng)能薄膜電池的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，對(duì)太陽(yáng)能薄膜電池、鋰蓄電池進(jìn)行了參數(shù)分析和元件選型,給出了手柄的設(shè)計(jì)圖與裝配圖。借助普通風(fēng)扇傘進(jìn)行了太陽(yáng)能風(fēng)扇傘的改裝調(diào)試，測(cè)試了所選用柔性太陽(yáng)能薄膜電池、鋰蓄電池帶動(dòng)風(fēng)扇工作時(shí)的相關(guān)參數(shù)，風(fēng)扇的正常運(yùn)行證明所設(shè)計(jì)的充放電控制系統(tǒng)工作原理正確、設(shè)計(jì)參數(shù)合理。太陽(yáng)能風(fēng)扇傘借助柔性太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能向電能的轉(zhuǎn)化，可有效持久的驅(qū)動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，既遮陽(yáng)有送風(fēng)，并可轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存太陽(yáng)能為手機(jī)等電子產(chǎn)品充電。使用過(guò)程一般不產(chǎn)生新的費(fèi)用，還避免了普通風(fēng)扇傘經(jīng)常性更換電池的問(wèn)題，為人們?cè)谘谉嵯奶斐鲂刑峁┝诵碌倪x擇。太陽(yáng)能風(fēng)扇傘在結(jié)構(gòu)上采用與原來(lái)太陽(yáng)傘相似的輕便折疊結(jié)構(gòu)；在功能上比一般攜帶的降溫工具降溫效果更