自带太阳能伞的多功能背包设计制作

龙源期刊网自带太阳能伞的多功能背包设计制作作者：张天择龚宗晟来源：《中学物理·高中》2017年第03期日常生活中，我们现在越来越多地接触到各种太阳能的利用方式，最常见的有太阳能热水器、太阳能路灯等等，太阳能作为一种清洁的可再生能源，具有数量巨大、时间长久、分布广阔、获取方便无污染等特点。有了一些对于太阳能的基本认识和了解，我们就想到人们假日户外旅游的时候，经常需要背双肩包，手里再打一个遮阳伞，爬山或者要照相时，感觉很不方便。如果把遮阳伞能固定在背包上，就可以把手解放出来。同时对遮阳伞进行改造，在伞面上装上太阳能电池，还可以随时给手机或电池充电，解决长时间户外出行时电手机电量不足带来的麻烦。这样一来，不仅能为他们的出行带来方便，同时也充分利用了身边的可再生能源，一举两得。1设计思路本设计制作主要材料有：背包、雨伞、太阳能电池板、太阳能控制器以及锂电池等。太阳能电池板安放在伞的表面，伞通过改装之后固定于拉杆背包的拉杆上，通过太阳能控制板将太阳能电池板产生的电能储存于锂电池当中，用锂电池再给手机或其它电器充电。这样人们在旅行时就可以背上背包，背包固定了遮阳伞，既解放了双手，也能起到遮阳的作用，同时还能有效利用太阳能来充电。2制作过程2.1太阳能电池板的选择我们所选用的单块太阳能电池板的额定电压为1.5～2.0V，电流为250mA。太阳能电池所产生的电能主要是用于锂电池充电，一般情况下，直充电压为5.0V。制作前我先进行了试验，首先在弱光情况下试验，单个电压过低，只有不到1V，便采用六块板串联的连接方式，经过测试，电压可以达到5V以上。之后我们又在光强适宜情况下进行数据测试，发现这种方式下电压已达10V以上，远超过所需电压。考虑到太阳能控制器及锂电池的安全使用问题，改用为三串三并的连接方式，试验结果表明，弱光情况下电压达3.7V以上，强光时，电压最大达6.5V，满足所需电压，达到预期效果，因此最终便采用三串三并的连接方式。2.2太阳能电池板的固定关于太阳能电池板的固定问题，我们在设计过程中尝试过的方式有：胶粘、装订、线缝等。考虑到太阳能板的安放位置在伞面上，伞在收放时会存在折叠，因此胶粘时可能容易导致太阳能板掉落，使得连接不稳定，同时也会导致线路断损，使得产品不能正常工作。而装订和线缝方式，又必须考虑对太阳能板的影响，经过对相关资料的查阅，从中了解到太阳能板的结龙源期刊网构组成，因此最终对太阳能板的固定选择了线缝方式，但是在外观及稳定性方面仍存在很大的不足，所以，这也将成为后续研究中重点关注的问题之一。2.3遮阳伞与拉杆背包的固定我们先把遮阳伞的手柄拆除，只保留铁杆，这样方便以后安装。我们测量遮阳伞铁杆直径大约8mm，因此就在背包的拉杆上开了10mm的孔，这样就可以把遮阳伞铁杆插到拉杆背包里，然后在背包里缝了细长条的口袋，铁杆插进去就可以固定了，这样背上背包，打开伞就可以直立起来，不需要专门用手来撑伞了。2.4太阳能电池板与锂电池的连接由于太阳能电池板的连接方式是固定的，三串三并，太阳光强弱不同时提供的电压差别比较大，不能直接对锂电池充电，因此中间必须接一个太阳能控制器，通过太阳能控制器，就可以保证输出给锂电池的电压基本稳定在5V左右。太阳能电池板在伞面上，太阳能控制器装在背包里，太阳能电池板与太阳能控制器的导线连接必须穿过伞的铁杆，为了避免伸缩对导线的折损，我们一开始计划采用类似电话听筒的螺旋电线来达到伸缩功能，但在实际制作过程中，由于伞柄铁杆太细，螺旋电线穿不过去，最终还是选择了普通的细导线连接。从太阳能控制器再到锂电池，用通用的USB连接线就可以实现。3测试数据分析所有线路连接好后，我们对太阳能充电部分进行了测试，测试是在太阳直射情况下进行的。由于我们选择的太阳能控制器有两个输出口，可以同时给两个用电器供电，我们分别做了几个试验：1，不带负载时的最大电压；2，单片太阳能电池板电压；3，单独给锂电池充电；4，单独给手机供电；5，同时给手机及锂电池供电；6，同时给LED灯和手机供电。实际测量结果见下表1，从测试数据看，在太阳光充足的情况下，这套系统完全可以满足锂电池和手机的充电需求。由于时间的限制，我们还没有测试充电速度的快慢，在以后的试验中还可以再测试一下完全充满电所需要的时间长短。根据我们的设计，该充电回路的理论最大电压是6V，理论电流应该是500MA，实际测试结果是最大电压为6.24V，但电流只有167.4MA。分析原因，可能与连接线路电阻值大有关系，还有就是太阳能板的性能不是太好，如果选择优质的太阳能板也许电流会更大一些。4本设计不足及改善方向4.1此次所设计的太阳能伞为遮阳伞，下雨时是不能使用的，原因为下雨时电路的短路问题，因此为了适应下雨时对雨伞的需求，下一步需要将电路做防水改进，使之适应雨天以及晴天的不同需求。龙源期刊网太阳能电池板的形状和固定问题，此次设计所用的太阳能板为矩形，安装完后伞的折叠和牢固性有些问题，因此下一步还需要改进太阳能板的形状和固定方式，使之能和伞面有机结合，安装完成后，使伞能够收缩自如，并且不影响太阳能板的使用。4.3充电时间问题，本次设计使用的太阳能电池板数量比较少，因此充电电流很小，如果要想真正满足实际使用需求，就需要重新设计太阳能板的数量，使充电电流增大，这样实用性就会更强。4.4目前太阳能板只能人为根据太阳光的照射角度，旋转伞柄来让太阳直射太阳能板，下一步的目标是使用感光器，当太阳角度改变时，利用感光器，使伞自动旋转，实现自动化的调整控制。4.5目前的撑伞及收伞都是需要人来控制的，下一步可以考虑利用电能和转动机构，实现一键控制，使遮阳伞达到完全自动收放。日常用品的多功能组合，太阳能的利用，将给人类带来全新的生活体验，希望大家都积极参与到设计创新的活动中吧！