时尚太阳能充电景观椅的研制

李　灿， 袁丕梁，徐嘉诚，刘莉莹

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)



时尚太阳能充电景观椅的研制

李灿， 袁丕梁，徐嘉诚，刘莉莹

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)

摘要：将光伏发电技术更深入广泛地应用到人们日常生活中一直是值得探讨的问题。该新型太阳能景观椅对传统景观椅在结构和功能上进行了改进和增加，将光伏技术与景观椅相结合，实现了为移动设备充电和夜晚照明美化的功能。使用阀控密封式铅酸蓄电池实现电能的可靠存储，利用控制器对蓄电池充放电进行优化管理，采用“光控+时控”的模式对照明进行合理的控制，运用DC/DC转换器实现移动设备充电。该设计利用较低的制作成本，大大提升了太阳能景观椅的实用性。通过对太阳能景观椅进行蓄电池充放电性能、照明性能以及对移动设备充电性能的测试验证了其实际应用的可行性。

关键词：太阳能景观椅；新型多功能景观椅；光伏技术应用

太阳能是一种资源丰富、可节省发电燃料成本的无污染的新能源，小型独立光伏发电系统是光伏发电的一种，具有功率小、结构简单和维护方便的特点。现在，太阳能路灯、太阳能移动电源、太阳能信号灯等光伏应用产品已经深入到人们的日常生活当中，深受人们欢迎和喜爱。太阳能景观椅是一款新型的光伏应用产品，是光伏技术的再延伸。

该设计将小型独立光伏发电系统、LED照明系统、多功能移动设备充电系统集成于改装后的公园长椅。主要包括：改装后的公园椅、2块并联的30 W多晶硅太阳能电池板、1个最大允许电流为10 A的光伏控制器、1个35 Ah/12 V 的阀控密封式铅酸蓄电池、1个12 V/5 V的DC-DC电压转换器以及1个多功能电源线。

系统首先利用太阳能电池板产生直流电能，由控制器管理对蓄电池的充电，再由控制器控制蓄电池的放电来实现定时照明和为移动设备充电的功能。由于蓄电池的标称电压为12 V，无法对一般的移动设备进行直接充电，因此需要加装一个DC-DC电压转换器，将电压降到适合移动设备使用的5 V进行充电。

1太阳能景观椅的设计

1.1太阳能景观椅结构的设计思路

太阳能景观椅在结构构造上相比传统景观椅要更为复杂些，需要具有一定高度和倾角的框架来放置太阳能板，因为上部放置重物导致景观椅的整体重心向前向上转移，这就要求景观椅的底座要比传统的景观椅更加的稳固。在增加底座钢板的厚度和宽度的同时，还要对其结构进行特殊的设计以保持平衡。支柱和框架的选取和制作不仅要考虑大小尺寸、相互之间的连接，还要预留出后期光伏系统所需要的电线的走线通道。

1.2太阳能景观椅光伏发电部分的设计思路

图1　系统设计框架

2太阳能景观椅各项参数的确定

2.1沈阳地区气象资料

沈阳位于中国东北地区南部，辽宁省中部，以平原为主，山地、丘陵集中在东南部，辽河、浑河、秀水河等途经境内。属于温带季风气候，年平均气温为6.2～9.7 ℃，自1951年有完整的记录以来，沈阳极端最高气温为38.3 ℃，极端最低气温为-35.4 ℃。全年降水量为600～800 mm，1951年至2010年市区年平均降水量为716.2 mm，全年无霜期为155～180 d。受季风影响，降水集中在夏季，温差较大，四季分明。年均日辐射量为13 793 kJ/m。

2.2系统日用电量需求的计算

表1　太阳能景观椅设计负载列表

Q总=QLED+Qphone=14×5+7.4×2=84.8 Wh

2.3直流工作电压的选择

由于该光伏系统的负载均为低压直流负载，所以选择12 V作为系统工作电压。

2.4蓄电池容量的计算

容量计算如下：

式中,C为蓄电池容量；S为蓄电池供电支持的天数(本次设计要求3 d)；L为负载平均每天用电量；DOD为蓄电池放电深度(取0.7)；K为蓄电池放电容量修正系数(根据温度数据取1.2)。

2.5太阳能电池方阵的相关计算

在计算系统太阳能电池功率的时候应注意：

1)设向南最佳倾角安装的太阳电池方阵发电量为100；

2)其他朝向全年发电量均有不同程度的减少；

3)在不同的地区，不同的太阳辐射条件下，减少的程度是不同的。

图2　太阳能电池方阵不同朝向的相对发电量

对于独立系统，本着“全年均衡，弱季最多”的设计原则，沈阳地区太阳能电池板的最佳倾角为52°左右。综合考虑外形和功能的需要，电池板倾斜角度设为10°。所以，按水平面上的辐射量计算，误差在合理范围内。

系统所需太阳能电池板的峰值总功率：

式中，K=K1×K2，K1为直流修正系数，取0.80；K2为充电修正系数，取0.80 。

但是，考虑后期太阳能景观椅可能会增加一些其他功能负载，因此设计时需留有系统余量，降低后期研发的成本，在此选择2块30 W的多晶硅太阳能电池板作为发电元件。

3利用软件PVSYST的设计

PVSYST 能够较完善地对光伏发电系统进行研究、设计和数据分析。 软件功能全面，可设计并网、离网、抽水系统和DC-网络( 公共传输) 光伏系统，同时包括了广泛的气象数据库，光伏系统组件数据库以及一般的太阳能工具，模型数据库可扩充性强，并且可以从其他气象软件输入气象数据库。

对太阳能景观椅进行仿真模拟。模拟仿真的天气资料为沈阳地区1990 年全年的天气数据，即从1990 年1 月1 日到1990 年12 月31 日，仿真结果如图3 所示。详细月仿真输出数据见表2所示。

从结果上看，系统一年的发电量为70 kWh，负载所消耗电量为31 kWh，除去匹配损耗、线路连接损耗和灰尘遮挡等，还有近34 kWh的剩余电量供用户使用，为后续系统的功能扩充做了准备。全年仿真结果表明所设计的光伏发电系统可以满足整个系统的需求。

图3　仿真模拟结果

4太阳能景观椅的制作和测试

4.1太阳能景观椅的制作过程

1)利用AutoCAD 2004软件绘制出景观椅的三维立体结构图，并标注出相关的尺寸大小以及倾斜、旋转角度。

2)根据绘制的三维立体图对太阳能景观椅进行实际制作组装，并在制作过程中不断进行补充和优化，选择合适的制作材料和连接方式。

3)由于普通景观椅的椅脚由铸铁制造，而铸铁不易焊接。在此选择普通具有一定强度的钢板制作椅子的底座，为方便后期的电线走线，用不锈钢方管做支柱材料，并在方管的上部和底部预留出电线孔。用角铁做可放置太阳能板的框架，综合景观椅的外观要求和制作工艺的限制，将框架的倾斜角度设置为10°。

4)对粗制的景观椅表面进行打磨和喷漆。

5)依次安装光伏发电系统的各组成部分，连接处要保证连接稳固，尽量进行内部走线。需要着重提出的是：由于蓄电池的工作状态和寿命受温度的影响较大，因此要保证蓄电池处于一个较合理的环境温度中工作。所考虑的解决方案有2个：①可以使用保温材料做一个保温盒，放置于位于椅座下方的铁盒内；②可以将景观椅固定后，将蓄电池放置于当地的冻土层以下，进行保温。该设计采用方案1。

表2　月输出数据

表中：GlobHor为水平辐射能量； GlobEff为有效辐射能量；EUser为供应用户的能量； EAvail为可用太阳能；ELoad为用户负载需求能量； EUnused为无用的能量损失。

图4　太阳能景观椅的总体外观

图5　夜晚LED照明自动开启

图6　太阳能景观椅为移动设备充电

4.2基本性能测试

在晴朗的天气下，对蓄电池的充电进行测试。当光照充足时，控制器实现对蓄电池的稳定充电；当出现阴天或光照不足时，控制器将太阳能板电源自动断开，使蓄电池切除出系统，防止了蓄电池的反向充电。

光照消失，控制器的“光控+时控”功能启动，实现了对LED灯源的开启，LED灯光的亮度达到预期效果。在持续照明将近5 h后，LED灯自动关灭。在2015年4月4日-2015年4月6日3天连续阴雨天期间，白天太阳能景观椅照明系统未出现误亮情况，晚上实现了连续的自动开启照明。

在检测对移动设备充电时，分别选用iPhone4S、iPhone5S和小米2S三款不同型号的手机进行充电实验，充电效果良好，稳定传输电能。上述的检测结果基本上达到了设计预期的目标。

5结语

该新型太阳能景观椅融合了传统景观椅、独立光伏发电系统以及照明和充电系统。不仅在设计制作上实现了各个子系统之间的可靠连接，还将人性化贯穿到整个椅子研制的始末，舒适的暖白LED灯源、自动开关的照明系统、置于扶手下的多功能电源线等，这些设计虽然简单，但却极大地方便了人们的生活。太阳能景观椅特别适合在光照较充足，人流量又比较密集的地区使用，整合了照明和休闲功能，大大节省了公共空间，而且相比传统的景观椅和照明系统，太阳能景观椅在成本上也有一定的优势。因此，太阳能景观椅具有较高的市场价值，为光伏技术的生活化平民化提供了新的思路。

参考文献

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(责任编辑佟金锴校对张凯)

Design of Solar Landscape Chair

LI Can,YUAN Pi-liang,XU Jia-cheng,LIU Li-ying

(School of New Energy,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：How to apply photovoltaic technology into daily life more widely has been increasingly concerned. Structure of the new Solar Landscape Chair was improved and its function was increased,which infuses photovoltaic technology to achieve mobile equipment charging and night lighting beautification. In this design,valve-control sealed battery was adopted to get reliable storage,and controller was used to control battery charging and discharging. Besides,"light-control and time-control" mode was adopted to control lighting,and DC-DC transverter was applied to charge with mobile devices. The practicability of Solar Landscape Chair was promoted with low cost. By testing its charge and discharge performance,lighting performance and the mobile devices charging performance,this design is proved that it is feasible and useful in daily life.

Key words：Solar Landscape Chair;New functional Chair;Application of photovoltaic technology

中图分类号：TM615

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2016)02-0108-05

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.02.003

作者简介：李灿(1994-)，男，江苏徐州人。通讯作者： 刘莉莹(1977-)，女，辽宁沈阳人，讲师，博士，主要从事太阳能应用技术及等离子体材料处理方向的研究。

基金项目：辽宁省大学生创新创业训练项目(201411632020)

收稿日期：2015-05-24