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太阳能发热服的电热系统是什么样的?

摘 要: 寒冷环境中,人体通常由于产热量不足以抵偿散热量而导致体温下降。基于此,本研究通过技术设计,采用可拆卸电子设备,将碳纤维材料应用在御寒服装上,研发太阳能发热服,达到主动供热和被动保暖的功能要求。首先根据用电系统的要求确定供电系统的规格,并根据其来确定充电系统的规格; 然后,对电路系统进行设计和测试; 最后将电子装置在服装上进行合理配置,使符合人体工学的原理,方便、快捷。

关键词发热服; 柔性薄膜太阳能电池片; 碳纤维; 可穿戴式技术


发热服发热区域.jpg


随着经济的发展和社会的进步,人们对能源提出越来越高的要求。 太阳能作为一种新兴能源,发展潜力巨大。 太阳能发热服装用来代替传统御寒服,是能自发热的新型御寒服装产品,一方面解决户外、野外活动过程中使用电源充电的局限; 另一方面碳纤维在御寒服装上的应用使得保暖服装从被动保暖向主动保暖方向发展,更加轻薄美观; 同时独特的电子设备可拆卸的设计又使服装便于清洗,安全隐患降为最低,是保暖服装的一次创新尝试。

(一)发热服的功能性要求

根据人体与外界环境的热交换形式,首先明确本款御寒服的适用外界环境为 0 ℃,其次确定服装在人体与环境热交换时所起的隔热作用,来尽量减少热交换,维持人体产热量和散热量在热舒适状态的平衡,得出柔性薄膜太阳能可调温发热服的被动保暖功能性要求为:减少对流散热量和增大服装内外传导散热的阻力。 这就需要对人体内热具有良好的保暖性能,还要对冷空气具有良好的防风效能,减少冷空气入侵而造成风冷效应; 其次需要补充人体自主调节不足、且与外界环境进行各种热交换所损失的热量,需要使用电热片主动供热,达到热舒适要求。

具体的主动供热功能性要求如下。

1) 电热服的内环境温度应保持在人体舒适度温度范围内,并且可根据外界环境及自身需要手动调节。

2) 电热片电源使用可移动充电电池,便于携带,电池在室内充电可使用直充充电器,户外直充不方便可用柔性太阳能电池片充电。


(二)供电系统的规格设定

1.电路工作原理

电池充电电路


发热服太阳能电池1.png


电池充电电路图如图 1 所示。

锂电池选择同电压、不同容量的 2 种规格,首选使用户外太阳能充电设备充电的电池容量

为 1 300 mA·h,充电时间为 5 ~ 6 h,也可使用室内直充充电器,充电时间 1. 3 h; 首选使用室内直充充电器的电池容量为 2 200 mA·h,充电时间 2. 2 h。 两种电池都自带保护电路,具有过充过放保护功能。 过充电保护为( 8. 4 ± 0. 05) V,过放电保护为( 6. 0 ± 0. 05) V,即充电后自身电压高于( 8. 4 ± 0. 05) V 或低于( 6. 0 ± 0. 05) V,电路自动切断,空载延时解除或充电自动释放。


发热服太阳能电池2.png


柔性太阳能电池片在日照情况下产生电流,经二极管向锂电池充电,按下开关,当数码显示模块显示锂电池电压为 8. 4 V 时,充电完成( 单节 3. 7 V 锂电池的充电截止电压为 4. 2 V,两节则为 8. 4 V) 。 又因为太阳能电池充电的电流较小,可视为恒流源小电流充电,此时锂电池的电压变化是逐渐升高的,一般可认为电压达到 8. 4 V,即充电完成。


2.电热片可调温主动供热电路

电热片可调温主动供热电路如图 4 所示。


发热服电热片1.png


(1) 电热片主动供热工作过程

长按温度控制器按钮 3 s,LED 显示红色闪烁状态,碳纤维丝处于预热状态; 再次短按按钮,LED 显 示 红 色 定 格,此时功率输出约为98% ; 再次按钮,LED 显示白色定格,此时功率输出约为 75% ; 再次按钮,LED 显示蓝色定格,此时功率输出约为 60% ; 再次长按钮 3 s,LED显示灯灭,无输出智能锂电池关机。 加热片内部串联两个 50 ℃ 温度开关,分别位于胸口位置和腰脊椎位置,当电路正常工作时,开关上的双金属片处于自由状态,触点处于闭合状态,当温度达到 50 ℃ 时,双金属片受热产生内应力而迅速动作断开触点,切断电路,从而起到控温作用。 当加热片冷却到设定温度时,触点自动闭合,恢复正常工作状态[5]。 当这两处的加热片任何一处温度达到 50 ℃,相应的任何一个开关动作,都能切断电路,具有双重温度保护的作用,确保温度不致过高导致危险。

(2) 锂电池放电实验结果

当 2 200 mAh 锂电池充满电,红色档位输出时实测使用时间为 2. 67 h,白色档位输出时实测锂电池使用时间为 3. 67 h,蓝色档位输出实测锂电池使用时间为 4. 67 h。 当 1 300 mA·h锂电池充满电,红色档位输出时实测使用时间为 1 h,白色档位输出时实测使用时间为 1. 33 h,蓝色档位输出实测使用时间为 1. 67 h。

(三)电热系统与服装的连接

经过一系列实验测试,对加热片的包覆材料、加热部位的选择、加热档位等其他关键因素进行确定,得到加热服的整体设计方案[6-7]。 柔性薄膜可调温发热服的电子装置与服装整合的设计原则是在保证电子装置正常使用的情况下,将电子装置在服装上进行合理配置,尽量减少装置间的连线,又使电子装置使用时符合人体工学的原理,方便、快捷。 电子设备与服装的整合使用钮扣和粘贴扣的设计,使所有的电子设备方便拆装,从而防止各个电子设备拆装时引起的过度拉扯而破坏电路,影响使用寿命。 服装内部整体接线如图 6 所示,薄膜太阳能电池组用面料缝制封装成片,用拉链装在发热服背部,如图 7 所示。


发热服内部整体连线图1.png



发热服背部电池.png


经过实验测试,2 名受试者 F 和 W 在 0 ℃、相对湿度 55% 、风速约 1. 5 m /s 的环境下,穿着发热服的平均皮肤温度变化见图 8,相比较穿着普通保暖服体温逐渐下降的情况,受试者在实验的 1 h 周期内体温保持平稳或略有上升,穿发热服时的主观评价结果见图 9。


发热服穿着实验.png


(四)结 论

本研究根据人体在寒冷环境中与外界环境的热交换形式,以减少热交换的原则,确定了御寒服的功能性要求为在强化被动保暖的基础上进行主动供热,以弥补产热量不足抵偿散热量的需求,从而确定了主动供热的电加热形式。

发热服的主动加热技术实现过程如下: 为实现太阳能电池组为锂电池充电,电热片可调温发热,首先从电子设备的规格设定入手,确定负载的规格,再确定供电设备的规格,从而确定充电设备的规格,根据设定好的电子设备规格选择市场上已经较为成熟的电子产品,设计、制作了整个电路,并对其进行了测试,实验结果表明整个电路达到了本研究所需要的技术设计要求。



(注:文章摘自《柔性薄膜太阳能可调温发热服的电热系统设计》,内容有删减)

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