毕业论文：太阳能风扇伞的设计 - 图文

重庆科技学院

毕业设计（论文）

题 目 太阳能风扇伞控制系统设计

学 院 机械与动力工程学院 专业班级 机电普2010-3 学生姓名 林虎 学号 2010441192 指导教师 杨健 职称 副教授 评阅教师 喻晓莉 职称 副教授

2014年5月19日

注 意 事 项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它

学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

年 月 日

重庆科技学院本科生毕业设计 摘要

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44℃，电能带动的风扇和空调便成为人们最主要的降温手段。太阳能是一种干净、绿色、可再生能源，拥有利用经济、储量大、清洁环保等优点。本设计的目的就是要将柔性太阳能电池与带风扇的伞结合在一起，通过安装在伞面上的柔性太阳能电池将太阳能转换成电能，带动伞中的小风扇工作，并且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，还加入了USB接口充放电功能，以便室内使用。本文主要是涉及了对太阳能风扇伞的整体设计，包括电路控制系统的设计、手柄结构的设计和太阳能风扇伞的安装调试，通过这些的设计，最后太阳能风扇伞达到了预期的目的，同时携带也跟普通太阳伞一样方便。本文在外出遮阳伞的基础上，融入太阳能和风扇相结合的创新点，体现了本设计的实用和绿色节能。

关键词：太阳能 薄膜电池 风扇伞 USB接口充电器

I

重庆科技学院本科生毕业设计 Abstract

Abstract

The earth is in under the condition of global warming, summer the average temperature can reach 44 ℃, outdoor fan driven by electricity and cooling air conditioning has become people's main means. Solar energy is a clean, green and renewable energy, has used economic, the reserves big, clean environmental protection, etc. The purpose of this design is to take flexible solar cells and the fan umbrella together, by installing on the umbrella of the flexible solar cells convert solar energy into electricity, drive the umbrella of the small fan, and electricity can be stored in a lithium-ion battery, after voltage transform to recharge cell phones and other electronic products, can also be used when the sun is insufficient to be powered fan, also joined the USB interface to charge and discharge function, for indoor use. This article is mainly involved in the overall design of the solar energy fan umbrella, including the design of the circuit design, the handle of the control system structure and the solar energy fan umbrella installation and debugging, through the design, the solar energy fan umbrella has reached the expected purpose, at the same time carry as convenient as the ordinary solar umbrella. In this paper, based on the umbrella to go outside, into the combination of solar energy and fan's innovative, illustrate the design of practical and green energy.

Keywords: The solar energy; Thin-film batteries; The fan umbrella; USB charger;

II

重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论

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，我们完全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

太阳表面温度高达6000℃，内部不断发生核聚变反应，并且向宇宙空间以辐射的方式发射出巨大能量。人类可以通过光热转换、光电转换及光化转换三个途径利用太阳能[2]。

光热转换原理就是借助集热器将太阳能收集起来，可用于太阳能热水器将水加热，或者设计太阳能暖房让人在寒带地区的冬季抵抗低温。太阳能暖房系统主要由太阳能收集器、热储存装置、室内暖风扇系统及辅助能源系统组成。收集器内的流体储存着太阳辐射热，然后通过流体向房间供暖。

光电转换是一个将太阳能换成电能的过程，目前有两种途径：一是通过热发电，太阳能通过聚热器变成热能，再用涡轮机将热能转成电能。二是光直接发电，利用太阳能电池产生的光电效应，可以直接将太阳能转变成电能。

光化转换首先是将太阳能转换成化学能，再将化学能转换成电能。植物的叶绿素能够把光能转化成化学能，用以自身的生长和繁衍。如果能寻找到生物光化转换的奥秘，就可以用人造叶绿素实现光电转化了。

太阳能电池是由半导体的太阳芯片(solar cell) 制作而成，当阳光照射到半导体的P－N结时，获得了光能的电子便会释放电子，在半导体内便会产生电子--空穴对，在势垒电场的作用下会使电子驱向N型区、空穴驱向P型区，这样N型区就会有多余的电子，P型区就会有多余的空穴。于是，与势垒电场方向相反的光生电场就会在P－N结的附近形成。简单来说，光电转化原理就是利用太阳能电池吸收320-1100nm波长的太阳光，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[3]。

1.4柔性太阳能电池介绍

如图1.1，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

4

重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论

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（Building Integrated Photovoltaic），它可以贴在窗户玻璃上、屋顶或外墙面

[4]

。

柔性超薄太阳能电池板是未来光伏行业的发展方向，以后必将淘汰传统的晶硅玻璃或滴胶板，同样尺寸的太阳能电池板重量只有传统太阳能板的1/5，厚度只有传统太阳能板的1/3。柔性超薄太阳能电池板的诞生，使太阳能电池可以附着在任何物体表面或者做成任意形状。这是一次光伏产业的技术革命，打破了传统太阳能电池板的局限性。在光伏行业最为暗淡的2011年里，传统太阳能电池板的价格从年初时候的15元/W降到了如今不足10元/W的价格，许多做传统太阳能电池板的厂家必将改革，只有技术革新，才能存活。只有将太阳能贴近生活各个方面才能让光伏行业向前健康发展！

柔性太阳能电池使用的是薄膜非晶硅技术，在薄膜上点缀非晶硅，这样整体上就要比传统的多晶硅和单晶硅电池都要轻巧和薄很多，最重要的是可以弯曲，如图1.2所示。这样，方便携带的太阳能电池得到实现，所以在移动电源领域里，柔性太阳能电池将大受欢迎。

传统的太阳能电池受到重量、厚度、便携性以及抗弯折程度等因素的制约，无法运用于人们日常生活，只能用于大型项目。柔性太阳能电池的出现，将改变光伏行业的现状，实现太阳能电池成为千家万户的随身物品的愿望！太阳能电池将迎来超薄、超轻柔的新时代[5]。

图1.1 薄膜太阳能电池 图1.2 弯曲的薄膜太阳能电池

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重庆科技学院本科生毕业设计 2 太阳能风扇伞的结构设计

2 太阳能风扇伞的结构设计

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。如图2.1，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[6]。

图2.1 整体结构示意图

2.2 伞架结构分析

图2.2为普通平常伞架结构示意图。由于一般的伞面与伞架之间的空隙很小，不便安装风扇，所以只能改变伞架运动副之间连杆的长度，以使伞面与伞架的空间足够大。

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重庆科技学院本科生毕业设计 2 太阳能风扇伞的结构设计

图2.2 平常伞架结构 图 2.3 改后的伞架结构

如图2.3所示，修改后的伞骨架与伞面间的空间变大，足够安装小风扇，这样改装后的伞架也不会影响到伞的收缩，跟普通伞一样。

2.3 风扇结构分析

通过观察普通风扇伞我们发现，伞中风扇的电机转轴是与伞的中棒相连的，也就是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，从图2.4可以知道，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。

图2.4 风扇连接示意图

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重庆科技学院本科生毕业设计 3 太阳能系统设计及元件选型

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图如图3.11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图3.2所示[7]。

柔性太阳能电池或 USB输入 恒流 充电 电路 蓄 电 池 升压 放电 电路 风扇电机 或 USB输出

图3.1 太阳能供电系统结构框图 太阳能电池4片 电压：4x1.5V=6V 电流：随光照变化 太阳光 光电转化 家用电源 电源适配器 USB输入 电压：5V 电流：0.7A 恒流充电电路 8

蓄电池 电压：3.7V 电流：1A 升压放电电路 风扇电机 电压：5V 电流：1A 图3.2 太阳能系统能量转化框图

3.2 太阳能电池的选择

通过网络查寻，发现柔性太阳能电池的工作电压在1.5V，由于1.5V的电压太小，不能够带动风扇的电机工作，所以我们需要4块这样的柔性太阳能电池板串联起来成为一个电池组给负载供电，这样太阳能电池组的输入电压可达到6V。

USB输出 电压：5V 电流：0.7A

重庆科技学院本科生毕业设计 参考文献

参考文献

[1] 惠晶.新能源转换与控制技术[M].北京：机械工业出版社.2008.02

[2] 董宏，张飘.通信用光伏与风力发电系统[M].北京：人民邮电出版社2008.06 [3] 王长贵，崔容强，周篁.新能源发电技术[M].北京：中国电力出版社.2003.10 [4] 邢运民，陶永红.现代能源与发电技术[M].北京：西安电子科技大学出版社2007.07 [5] “十五”国家高技术发展计划能源技术领域专家委员会.能源发展战略研究[M].北京：

化学工业出版社.2004.09

[6] 林虎，杨健.太阳能风扇伞的设计，机械研究与应用[J].2013，26（5）：121.

[7] 北京市建设委员会.新能源与可再生能源利用技术[M].北京：冶金工业出版社 .2006.07 [8] （德）克劳特（Krauter,S.）.太阳能发电：光伏能源系统[M].北京：机械工业出版

社.2008.05

[9] 王君一，徐任学.太阳能利用技术[M].北京：金盾出版社 .2008.01

[10] 中国太阳能建筑专业委员会.中国太阳能建筑设计竞赛获奖作品集[M].北京：中国建筑

工业出版社.2005.12

[11] （印）派特（Patel,M.R）著，姜齐荣，春朋等译.风能与太阳能发电系统—设计分析与

运行[M].北京：机械工业出版社.2009.1

[12] 何希才.新型集成稳压器应用实例[M].北京：机械工业出版.2006.1 [13] 刘宏等.实用太阳能光伏电源系统[M].北京：化学工业出版.2007.2 [14] 冯垛生.太阳能发电原理与应用[M].北京：化学工业出版.2007.7 [15] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版.2005.8 [16] 姚兴佳等.可再生能源及其发电技术[M].北京：科学出版社.2010

[17] 百度文库.ABS塑料[OL].http://baike.http://www.wodefanwen.com//view/123001.htm?fr=aladdin.

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重庆科技学院本科生毕业设计 5 手柄设计

（2）手柄盖

图5.8 手柄盖

（3）防水塞

图5.9 前防水塞 图5.10 后防水塞

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重庆科技学院本科生毕业设计 5 手柄设计

（4）装配图

图5.11 装配图

（5）分解图

图5.12 分解图

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重庆科技学院本科生毕业设计 6 太阳能风扇伞的安装调试

6 太阳能风扇伞的安装调试

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。

图5.1 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，发现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。

图5.2 蓄电池带动风扇实验

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重庆科技学院本科生毕业设计 6 太阳能风扇伞的安装调试

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，并且能够满足课题的设计要求。

图5.3 太阳能风扇伞工作图

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重庆科技学院本科生毕业设计 7 结束语

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，设计了太阳能充放电控制系统，用PROTEL软件绘制了充放电控制系统电路原理图、印刷板电路图。用Inventor对放置印刷板电路、蓄电池及开关的手柄进行了三维设计，确定了手柄的材料、结构外形、尺寸精度，给出了手柄的设计图与装配图。课题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，在遮阳的同时送风降温，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，又做到了一般伞类所有的功能。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，方便收纳，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。

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重庆科技学院本科生毕业设计 参考文献

参考文献

[1] 惠晶.新能源转换与控制技术[M].北京：机械工业出版社.2008.02

[2] 董宏，张飘.通信用光伏与风力发电系统[M].北京：人民邮电出版社2008.06 [3] 王长贵，崔容强，周篁.新能源发电技术[M].北京：中国电力出版社.2003.10 [4] 邢运民，陶永红.现代能源与发电技术[M].北京：西安电子科技大学出版社2007.07 [5] “十五”国家高技术发展计划能源技术领域专家委员会.能源发展战略研究[M].北京：

化学工业出版社.2004.09

[6] 林虎，杨健.太阳能风扇伞的设计，机械研究与应用[J].2013，26（5）：121.

[7] 北京市建设委员会.新能源与可再生能源利用技术[M].北京：冶金工业出版社 .2006.07 [8] （德）克劳特（Krauter,S.）.太阳能发电：光伏能源系统[M].北京：机械工业出版

社.2008.05

[9] 王君一，徐任学.太阳能利用技术[M].北京：金盾出版社 .2008.01

[10] 中国太阳能建筑专业委员会.中国太阳能建筑设计竞赛获奖作品集[M].北京：中国建筑

工业出版社.2005.12

[11] （印）派特（Patel,M.R）著，姜齐荣，春朋等译.风能与太阳能发电系统—设计分析与

运行[M].北京：机械工业出版社.2009.1

[12] 何希才.新型集成稳压器应用实例[M].北京：机械工业出版.2006.1 [13] 刘宏等.实用太阳能光伏电源系统[M].北京：化学工业出版.2007.2 [14] 冯垛生.太阳能发电原理与应用[M].北京：化学工业出版.2007.7 [15] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京：化学工业出版.2005.8 [16] 姚兴佳等.可再生能源及其发电技术[M].北京：科学出版社.2010

[17] 百度文库.ABS塑料[OL].http://baike.http://m.wodefanwen.com//view/123001.htm?fr=aladdin.

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