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：《中学生数理化·学习研究》2017年第02期
人们旅游的时候，经常会背着双肩包，手里撑着遮阳伞，爬山或者要照相时，感觉很不方便。如果把遮阳伞固定在背包上，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手机电量不足带来的麻烦。
1.设计思路
主要材料有：背包、雨伞、太阳能电池板、太阳能控制器及锂电池等。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產生的电能储存于锂电池当中，用锂电池再给手机或其他电器充电。 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。制作前我们先进行了试验，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
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，因此用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。 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，原因是下雨时电路可能出现短路问题，因此得改进适应下雨天要用的雨伞。
4.2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。
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地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。 作者单位：1.山西省实验中学1401班 2.山西省实验中学1401班
自带太阳能伞的多功能背包设计制作
