皇明太陽能股份有限公司 ■ 公文 張君龍 王志燕 武青青 魏垚 林疏瑞 李珺

0 引言

太陽能作為一種最為清潔、豐富的能源，現(xiàn)階段已成為新能源研發(fā)的突破點。零能旋涼傘利用光伏發(fā)電，太陽能自動跟蹤系統(tǒng)：自動調節(jié)太陽電池組件方位角、高度角，能最大限度地吸收太陽能，提高光電轉換效率；人體紅外感應：風扇可方便實現(xiàn)檔位調節(jié)和搖頭變換，采用手動和人體紅外感應兩種控制方式相結合。

1 零能旋涼傘

1.1 涼傘首次采用張拉膜新材料

張拉膜具有壽命長、張緊力大、防雨性能好、造型美觀等優(yōu)點，所以，把張拉膜應用到涼傘領域，經實踐驗證效果非常好。

圖1 三代零能旋涼傘效果圖

1.2 實現(xiàn)三維跟蹤太陽

零能旋涼傘的傳動是要實現(xiàn)直徑4.5 m、高4.2 m的傘體結構的整體轉動。由于轉動扭矩大、力臂長，項目組經過詳細的計算，創(chuàng)新設計了“雙軸承”結構、使用小功率電機結合大傳動比的蝸輪蝸桿減速機并通過齒輪傳動二次減速，設計出零能旋涼傘的傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)轉動平穩(wěn)、速度適合、轉停自如的目標。另外，在光伏組件的下方設計有電動推桿，可推動組件轉動滿足組件的高度角跟蹤。二者結合保證光伏組件具有方位角和高度角兩個方向的轉動。

圖2 滾珠絲杠

零能旋涼傘的旋轉是依靠“光敏逐日器”采集光源方向信號傳遞給轉動電機實現(xiàn)的。為保護傘桿內的電線不受損傷，傘體轉動只能限制在180°范圍內往復轉動。為了實現(xiàn)這一目標，采用雙保險的做法：一是在控制上設計成根據光線的強弱判定傘體轉動信號，到晚上傘體原路轉回；二是為增加零能旋涼傘轉動的可靠性，在轉動結構上增加了轉角限位裝置，當傘體轉到設定的位置自動回轉，確保傘體轉動路線的可靠性。

圖3 齒輪和減速機

1.3 安全無隱患的系統(tǒng)設計

零能旋涼傘的安裝位置較隨意，底盤高僅有17 cm，內部走線，線路易浸水；線路從傘桿內部穿上去，隨傘體每天來回轉動，由于控制部件多，內部走線多達12路，空間小，易摩擦線體。為確保產品的使用安全性，我們把所有的控制線路、動力線路和系統(tǒng)部件都設計為DC 12 V和DC 24 V，徹底杜絕了系統(tǒng)的用電安全隱患。

1.4 便于運輸的結構設計

產品總重量約1 t，傘面直徑為4.5 m，底盤直徑為2.7 m，總高度為4.2 m。如何使這樣的“龐然大物”做到結構牢固又便于運輸和快速安裝，是產品能夠走向市場的一個關鍵。為此，課題組通過力學分析和多種結構的設計對比，確定了傘骨、撐桿、底座等各個部件的活連接結構。底盤直徑2.7 m，運輸時超寬又超高，課題組把底盤拆分成兩部分，“化整為零”，實現(xiàn)了產品包裝、運輸的可行性。

圖4 零能旋涼傘連接件

1.5 傘布張緊裝置的創(chuàng)新設計

對于直徑4.5 m的涼傘來說，采用牛津布傘面難以平整，采用張拉膜則需要較大的張緊力。根據牛津布和張拉膜分別設計了不同結構的張緊裝置，使傘面平整且具有一定的張緊力，更適用于惡劣氣候且造型美觀。

圖5 傘桿連接結構圖

1.6 涼傘專用的控制系統(tǒng)

這款產品需要控制12路共計19個電氣部件。為此，項目組設計了零能旋涼傘專用控制柜。

圖6 控制柜

1.7 跨專業(yè)的裝修設計

產品底盤部分需采用戶外木地板和不銹鋼扶手進行裝修，木地板包邊需實現(xiàn)槽型鋼板的弧形加工。項目組設計出了一套滾輪工裝，借用車間的卷圓設備完成了這種特殊件的加工，最終實現(xiàn)車間的自主生產。

1.8 鋁型材的壓型創(chuàng)新

太陽電池組件(太陽花)直徑1.8 m，體積大、重量大，運輸和安裝都非常困難。為減輕這部分的重量使安裝更容易，我們嘗試采用鋁型材壓型制作。通常情況下壓型多采用碳鋼型材。為驗證鋁型材的壓彎可行性，我們做了多種工藝實驗，最終通過調整壓型模具結構、進料速度和壓力，實現(xiàn)了這一工藝加工。

圖7 鋁型材電池組件邊框

2 市場同類產品對比

2.1 推廣前景

零能旋涼傘是一款全新的由光伏組件提供電力的裝置，是人們納涼、休閑、小聚、賞景的理想場所，是高品位生活的首選產品，可安放于別墅區(qū)、露臺、草地、沙灘、公園等地，遮蔭避雨，傘內用電自給自足，在提供高品位生活的同時，獨特的造型可與大自然完美融合。

零能旋涼傘采用單晶硅太陽電池組件發(fā)電，轉換效率高達19.6%；逐日跟蹤系統(tǒng)使得太陽電池組件從方位角和高度角兩個角度實時追蹤太陽，最大程度地提升了系統(tǒng)發(fā)電量；智能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)能量的自動控制，實現(xiàn)太陽電池組件對蓄電池的過充控制，蓄電池對負載的過放控制，負載的短路、過放控制，整個系統(tǒng)自動運轉，無需人工操作；清潔能源，自給自足，零碳節(jié)能，置身其中，帶來科技時尚的體驗。

圖8 零能旋涼傘效果圖

根據零能旋涼傘的性能特點，在產品推廣方面可考慮咖啡銷售行業(yè)，如星巴克、上島等具有一定影響力的咖啡連鎖店，還可考慮沙灘、公園、露臺、別墅庭院等休閑場所。其設計理念符合低碳、環(huán)保、節(jié)能的大趨勢。

2.2 項目模板效益

展示效益：目前，零能旋涼傘制作了5臺，太陽谷3臺、蔚來城1臺、上海交大1臺。零能旋涼傘以其獨特的造型、完美的自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)吸引著每位游客的眼球，發(fā)揮了展示效益。

經濟效益：以年推廣量200臺計算，可實現(xiàn)經濟利潤約1000萬元。

社會效益：以年推廣量200臺計算，每年可發(fā)電43 995 kWh；節(jié)約標煤17.8 t；減少CO2排放46 t；森林替代面積85 350 m2；石油替代量10.69 t，綜合效益明顯。

3 項目技術推廣優(yōu)勢

1) 品質產品：提升居住品位。

2) 零能耗：太陽電池組件將太陽能轉化為電能，蓄電池儲能，可為風扇、冰箱、照明燈等設備供電，實現(xiàn)自給自足，低碳環(huán)保。

3) 人體紅外感應：風扇可方便實現(xiàn)檔位調節(jié)和搖頭變換，采用手動和人體紅外感應兩種控制方式相結合，實現(xiàn)“人在風扇轉，人離自動?！钡闹悄苄Ч?。在炎炎夏日，為您帶來縷縷清風，同時降低了系統(tǒng)耗電量，提高了能量利用率。

4) 太陽電池組件：采用高效晶硅電池片轉換效率19.6%，衰減慢、壽命長；整體外觀設計為太陽花，造型獨特、新穎。

5) 智控系統(tǒng)：系統(tǒng)供電為DC 12 V，低壓直流，太陽電池組件自動為蓄電池充電，晚上控制器自動接通電路，LED燈點亮。過充、過放、反接、短路等各種保護功能齊全，安全可靠。

6) USB電源：產品提供DC 5 V的USB電源，可方便地為手機、MP3等設備充電；同時配有USB音響，可為您提供音樂享受。

7) LED裝飾燈：七色變換，漂亮美觀。

8) 節(jié)能冰箱：專用直流無氟冰箱，低耗電、長壽命。

9) 張拉膜：采用大傘面張拉膜結構，彈性大、壽命長、遮陽防雨效果好；每個角設計有專用調緊裝置，安裝調整方便。

10) 木地板：菠蘿格、塑木外用地板，材質穩(wěn)定、紋理清晰、可塑性強、不龜裂、不膨脹、不變形、無需維護與維修、亮澤防腐、安全環(huán)保。

11) 天然大理石桌面：紋路美觀、質地堅硬、耐磨防刮性能突出、抗菌效果好、戶外防腐能力強、壽命長。

12) 仿藤椅：適合戶外使用，防水防曬性能好，易清洗。

13) 傘桿、扶手等主體材料采用優(yōu)質304不銹鋼，具有優(yōu)良的耐腐蝕性和抗晶間腐蝕能力，質地優(yōu)良，光亮整潔。

14) 底盤：采用分體組合式，便于運輸和安裝。

圖9 零能旋涼傘結構圖

4 隱患點及對策

隱患點：目前零能旋涼傘的自動跟蹤光敏傳感器尚需經過上市產品的驗證，如果光敏傳感器出現(xiàn)故障，會直接影響傘體正常轉動。

解決方案：新產品替代，或通過機械式定位系統(tǒng)實現(xiàn)零能旋涼傘轉動角度。

5 零能旋涼傘的效果圖

圖10 五代零能旋涼傘成品圖

圖11 零能旋涼傘現(xiàn)場安裝效果圖