蓄电发热太阳能服装研发及测评

摘要

随着科技的发展，社会的进步，越来越多的新能源得到利用，而太阳能作为一种新型可再生清洁能源在各个行业都有广泛应用。服装长期暴露在阳光下，是接触阳光的良好载体，将服装与太阳能一体化，是将高科技元素融入日常生活、开辟绿色环保新能源的一条新途径。在纺织服装领域，对太阳能的研究利用主要集中在开发太阳能发热服和太阳能蓄电发电服两个方面，而关于这些功能各异的太阳能服装的实际使用表现却未可知。且在考虑的太阳能电池安装位置时，大多基于美学角度，没有针对太阳能电池自身转化效率较低的问题进行研究选择，这大大阻碍了太阳能在纺织服装领域的利用。 针对太阳能在服装上的应用有待深入、太阳能电池利用率较低的问题，本文采用人体工效学的思维方法，利用人台为载体，在非稳态环境中对太阳能电池安装位置进行探索，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，并对其发热能力进行测试研究。最后对服装整体性能进行提升，基于单片机技术整合加入心率检测和GPS定位功能，使服装不仅可以用于发热充电，还具有健康管理的功能，使太阳能的利用更加广泛，且手机APP的设计提升了用户使用感。具体研究内容及结果如下: (1)通过对比现有三种太阳能电池的性能，选择多晶硅太阳能电池，进行太阳能电池安装位置实验。在女装人台上选择左肩线与胸围线二分之一处于左公主线交叉点、右肩线与胸围线二分之一处于右公主线交叉点、腰围线与前中心线交叉点、腰围线与臀围线二分之一处于左公主线交叉点、腰围线与臀围线二分之一处于右公主线交叉点、后颈点下方于后中心线交叉点、胸围线与后中心线交叉点、腰围线与后中心线交叉点这8个关键点，对太阳能电池在服装上的安装位置进行模拟，分析所得环境因素实验数据，选定太阳能辐射量为后续研究的影响因素。分析这8个关键点处太阳能电池的输出功率，得出在非稳态环境中，人体左右胸部上方位置太阳能电池功率显著好于其他位置，因此选定人体左右胸部上方位置为太阳能电池的最佳安装位置。 (2)将研究结果应用到后续服装的设计与制作中，首先对充放电电路和蓄电电路进行设计与焊接，然后选择合适的服装面辅料，对服装各部位细节进行合理设计，最终制作出一套穿着舒适、符合人体工效学、太阳能利用效率高的太阳能蓄电发热服装。该款服装由外套和马甲组成，太阳能电池位于外套胸部口袋内，马甲夹层内置碳纤维发热片，所有电路均可拆卸。 (3)采用红外热像仪和EP-TA20CBC充电器对制作出来的太阳能蓄电发热服装的性能进行测试。实验数据显示，此款太阳能服装利用太阳能电池充电时长平均为13.14小时，使用充电器充电时长平均为6.97小时;蓄电池理论放电时长为3.75小时，实际不到3小时，数据的误差在合理范围内，服装整体充放电效果良好。服装前片的最高温度为42.62℃，平均温度为37.02℃;服装后片最高温度为39.42℃，平均温度为34.96℃，且180min后在距离发热片10cm的位置，服装的表面温度尚有26℃多，发热持续时间较长，整体发热性能良好。 (4)通过前期的研究成果，总结上述服装的不足，对太阳能服装的功能进行了升级优化，在后背增加两块柔性太阳能电池，服装的设计不做过多改变，基于单片机技术开发出一套太阳能服装系统，加入心率检测和GPS定位功能，使服装不仅可以用于发热充电，还具备初步的健康管理功能，将这些功能集成在手机APP上，方便操控且更加智能。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1适用于服装的太阳能电池研究现状

1．2．2太阳能服装的研究现状

1．2．3研究现状总结与不足

1．3．1研究内容

1．3．2研究意义

1．3．3创新点

第二章太阳能电池安装位置实验

2．1太阳能电池的选择

2．1．1太阳能电池的工作原理

2．1．2太阳能电池的选择

2．2太阳能电池安装点的选择

2．3环境参数及实验仪器

2．3．1环境参数

2．3．2实验仪器

2．4实验与结果分析

2．4．1实验步骤

2．4．2实验结果分析

2．5本章小结

第三章充放电与碳纤维发热电路设计

3．1电路整体设计

3．2．1充电电路选择

3．2．2升压稳流模块

3．3蓄电供电用锂电池和碳纤维发热片

3．4导线及焊接

3．5本章小结

第四章服装设计制作与性能测试

4．1服装设计与制作

4．1．1面辅料选择

4．1．2衣身版型设计

4．1．3服装功能性设计要点

4．2太阳能服装的性能测试

4．2．1服装上蓄电池充电时间

4．2．2太阳能服装的发热性能

4．2．3蓄电池可供发热时长和手机充电次数

4．3本章小结

第五章太阳能服装性能优化及系统开发

5．1太阳能服装系统软硬件平台概述

5．2系统功能模块的硬件设计

5．2．1功能设计

5．2．2 PCB绘制与焊接

5．2．3单片机的编程

5．3系统软件设计与实现

5．3．1系统整体框架

5．3．2嵌入式软件设计

5．3．3 APP端软件设计

5．4太阳能服装与手机通信的实现

5．5太阳能服装系统软硬件封装与实现

5．6本章小结

第六章结论与展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

附录

攻读学位期间的研究成果

致谢