太阳能服装的开发与功能测试

太阳能服装的开发与功能测试

作者：周澳 刘成霞 董艺 郭怡 李昊 来源：《丝绸》2019年第02期

摘要： 针对太阳能在服装上的应用有待深入且利用率较低的问题，文章利用人台为载体，在非稳态环境中对太阳能电池板安装位置进行探索，进而将研究结果与服装面料和结构及电子器件进行综合优化设计，制作出一款太阳能蓄电发热服，最后对其发热能力进行测试研究。研究结果表明：太阳能电池板位于前胸处时输出功率最高;用红外热像仪测得该服装最高发热温度42.62℃，平均温度35.99℃;180min后在距离加热片10cm处，服装的表面温度尚有26℃;测得该服装的实际发热时长为2.74h，可为手机充电2次以上。研究结果显示该服装的蓄电发热性能良好，太阳能可以在服装上得到有效利用。

关键词： 服装;多晶硅太阳能电池板;非稳态环境;安装位置;太阳能蓄电发热 中图分类号： TS941.731 文獻标志码： B

文章编号： 1001-7003（2019）02-0063-08 引用页码： 021202

Abstract： Considering that the application of solar energy in clothing needs to be deepened and the utilization rate is low， this study explored the installation location of solar panels in unsteady environment with mannequin as carrier， then optimized the research results with clothing fabrics， structures and electronic devices to produce a solar storage heating clothing， and researched the heating capacity of the solar storage heating clothing. Results showed that the output power of the solar panels was highest if the solar panels were located in the front chest; the highest temperature and average temperature of the clothing tested with infrared thermal imager were 42.62℃ ;and 35.99℃ respectively; the surface temperature of clothing was 26℃ ;in a place 10cm away from the heater after 180min; the heating time of the clothing could last 2.74h， and could charge a mobile phone for over 2 times. It was proved that the heating performance of the clothing was fairly good and solar energy can be effectively used in clothing.

Key words： clothing; polycrystalline silicon solar panel; unsteady environment; installation location; solar energy storage and heating

地球能源稀缺越来越受到人们的关注，节约能源已成为共识。太阳能具有清洁、环保的优点，是国际公认的理想新能源[1]。如何利用太阳能为人类服务成为科研工作者的一个热点研

究领域，目前国内外对太阳能在服装上的运用和研究主要集中在太阳能发热和太阳能蓄电发电两个方面，如拉皮迪斯等[2]设计了一款太阳能连帽衣，荷兰服装设计师Pauline van Dongen[3]设计了一款未来风格的太阳能充电服装，德州学院和中原工学院[4-5]各研发了一款太阳能服装，这些服装主要利用太阳能来蓄电发电[6]。此外，郭富饶等[7]设计开发了一款太阳能测压服，沈雷等[8]设计开发了一款专门面向老年人的太阳能发热服装。

综上，虽然众多设计师和科研工作者设计开发了不同的太阳能服装[9-10]，但大多只是文字性描述其设计过程，缺少对太阳能服装功效进行较深入的实验研究[11]，其发热性能如何也尚未可知。针对这一现状，本文首先利用人台和多晶硅太阳能电池板在非稳态环境中对太阳能电池板的安装位置进行模拟研究，然后将研究结果运用到服装设计中，制作出一款利用太阳能电池蓄电发热的太阳能服装，最后利用红外热像仪和电子温度计对服装表面发热温度进行测试研究。

1;太阳能电池板安装位置实验

为更好地提高太阳能电池板在服装上的利用率，本文对太阳能电池板的安装位置进行探究，用人台对太阳能电池板在服装上的安装位置进行模拟，从而确定太阳能电池板的最佳安装位置。太阳能电池板的实际功率可通过测电流、电压来计算得出，将太阳能电池板安装在人台不同位置，并测试其在非稳态环境下的电流、电压来得到太阳能电池板的实际功率。对比市面常见的三种太阳能电池板，本文选择160/84A女装人台，多晶硅太阳能电池板（工作电流160mA，工作电压5V，尺寸82mm×82mm）进行模拟实验，其兼具转换效率较高、与服装配伍性较好且成本低廉的特点。实验地点选择在采光好、地势高的空旷天台上进行，测试时间选择在春季的白天8：30～17：30，实验跨度为一个月。 1.1;仪;器

PM8233C万用表（北京美特迩环保仪器有限公司）;JTBQ-2太阳总辐射表（锦州天诺环能仪器有限公司）。 1.2;位;置

由于太阳能电池板应安装在活动量较少又能够较好地接受阳光的部位，如背部、前胸等，因此在人台上选择8个具有代表性的位置安装太阳能电池板（图1），分别将这8个点记作a1（左肩线与胸围线二分之一处于左公主线交叉点）、a2（右肩线与胸围线二分之一处于右公主线交叉点）、b（腰围线与前中心线交叉点）、c1（腰围线与臀围线二分之一处于左公主线交叉点）、c2（腰围线与臀围线二分之一处于右公主线交叉点）、d（后颈点下方于后中心线交叉点）、e（胸围线与后中心线交叉点）、f（腰围线与后中心线交叉点）。 1.3;测试方法

1）将人台朝正南方向放置在实验地点并固定，在每次实验过程中保持方位不变。并将JTBQ-2太阳总辐射表放置在无遮挡物的高处。

2）把太阳能电池板安装在所选取的8个实验点上，在实验时间内，每隔一个小时用PM8233C万用表对电流、电压进行测试，具体为直接接触太阳能电池板两极测试一组太阳能电池在人台不同的8个位置点的电压、电流并记录数据，每组测试读数3次取中间值，测试时测试人员不要遮挡阳光。

3）在测试时间内，每隔一个小时由测试人员进行一组测试并记录数据，每次测试读数3次取中间值。测试人员需同时记录当前的太阳能辐射量。 4）将所得的电压与电流相乘，即可得到功率。 2;输出功率分析

测得一个月内8个实验点的电流电压，根据气象条件和测得的太阳能总辐射量将数据分为晴天（太阳能辐射强度700～1000W/m2）、多云（太阳能辐射强度100～400W/m2）、阵雨（太阳能辐射强度50～300W/m2）、阴天（太阳能辐射强度400～600W/m2）4种天气。因一个月内4种天气情况分布不匀，所以每种天气状况随机抽取3天的实验数据取平均值进行绘图，图2分别显示了4种不同天气状况下8个点的输出功率。

从图2（a）可以看出，晴天时a1和a2处太阳能电池板功率明显高于其他位置，d次之，随后是c2、c1，b、f位置的功率相近，e最弱。8个位置的功率从9：30开始有所下降，到11：30后开始回升，至14：30又开始下降，总体变化趋势相近，可能是由于实验时间跨度较大且杭州春季雨水较多，所取值的4个晴天相互之间跨度较大，但a1和a2处太阳能电池板功率受这种影响较小。图2（b）显示，多云时8个位置的功率高低顺序与晴天一致，受云层变化影响，8个位置功率曲线呈波浪形波动，且波动趋势基本一致，9：30整体功率最高。图2（c）显示，阵雨时8个位置的功率曲线波动趋势与晴天和多云时有了明显不同，10：30～15：30时c1和d的功率出现了大幅度的变化且在14：30功率高于a2位置，可能是受阵雨影响，但总体趋势还是a1的功率高于其他位置。图2（d）表明，阴天时8个位置的功率曲线排序与晴天和多云一致，8个位置的功率在9：30达到高峰然后开始下降，至12：30后整体变化趋于平稳，可能是由于阴天光照强度不够，中午过后基本没有光照。

4种天气情况下晴天太阳能电池板功率最好，其次是阴天，多云和阵雨相差不大，主要原因是太阳能电池板功率受太阳辐射强度影响最大，其次是温度、环境湿度等。从上述实验结果可以看出，该实验方法对天气情况变化反应灵敏且能较准确反映不同天气情况的太阳能电池板功率变化。