柔性太阳能电池在服装领域的应用yd15927

李娅莉1，赵欲晓1,2，苏建梅1，史丽敏1,2，    1、北京服装学院，北京100029；2.361°一北京服装学院高性能运动服装设计研发中心，北京100029

收稿日期：2012-05-24

基金项目：北京市教委高校人才强教计划——中青年骨干人才项目(PHR201008283)；北京市教委面上项目(AJ2009-13)

作者简介：李娅莉(1986-)，女，在读硕士研究生，主要从事服装结构设计工作。

原载：上海纺织科技2013/2；1-4

 

【摘要】通过调研，对国内外柔性薄膜太阳能电池的研究及其在服饰领域应用的现状进行了总结，从材料、结构、安全性及舒适性等各方面提出现有太阳能服装存在的问题和不足，提出了解决方法，为未来太阳能服装的研究和发展提供了新思路。

【关键词】能源；太阳能电池；服装设计；应用

【中图分类号】TSIO1.32 文献标识码：B 文章编号：1001-2044(2013)02-0001-04

 

太阳能作为一种新兴能源，是清洁能源，发展的潜力巨大。单晶硅太阳能的光电转换效率最高，技术成熟，但受到成本、材料纯度和制备工艺的限制，其大规模的普及应用受到一定程度的制约[1]。未来太阳能技术的重点发展方向之一是薄膜太阳能电池，薄膜太阳能电池材料消耗少，厚度仅几十微米，并且制造能耗低，结构质量轻，转化效率高，应用空间弹性大，可期的成本下降幅度大[2]。

薄膜太阳能电池按衬底分为硬衬底和柔性衬底两大类。柔性衬底太阳电池是指在柔性材料(如不锈钢、聚酯膜)上制作的电池，与硬衬底电池相比，其最大的特点是质量轻、可折叠和不易破碎，因此可应用于太阳能汽车、飞机、飞艇、建筑物、防治品、帐篷、服装、头盔、玩具等特殊曲面上。本文主要探讨柔性衬底的太阳能电池在服装领域的应用。

1  柔性太阳能电池技术的现状

太阳能电池的工作原理主要利用半导体的光电效应，由太阳光的光量子与材料相互作用而产生电势，从而把光能转换成电能。世界上从事柔性衬底薄膜太阳能电池研制生产的主要机构有美国的United Solar公司、欧洲的VHF-technologies公司和日本的Sharp公司、Sanyo公司等。美国Toledo大学在柔性衬底非晶硅太阳电池领域的研究处于世界领先地位。欧盟则联合其成员国的多个研究机构组织包括Neuehatel大学、VHF-technologies公司、Roth&Rau公司等开展了聚酯膜衬底柔性电池的联合攻关，目前已经实现了小批量生产。

日本的Sharp公司、Sanyo公司、TDK公司、Fuji公司都投入了大量人力、物力从事柔性衬底非晶硅太阳电池的研制，已经建成了多条兆瓦量级的聚酯膜柔性电池生产线。

在衬底材料方面，美国United Solar公司生产的太阳能电池采用不锈钢作衬底，厚度仅为127µm，具有良好的柔软性，可以任意卷曲、裁剪、黏贴，即使弯成很小的半径，作数百次卷曲，电池性能也不会发生变化。而以高分子聚合物聚酰亚胺为柔性衬底制备的非晶硅太阳电池，器件总厚度约100µm(含封装层)，功率质量比可达到500 W／kg，比不锈钢衬底非晶硅电池高出近十倍，是世界上最轻的太阳能电池。

我国的柔性衬底薄膜电池的研究进展相对较慢。哈尔滨Chrona公司在20世纪90年代中期曾研制出柔性聚酰亚胺衬底非晶硅单结薄膜电池，电池初始效率为4.63％，功率质量比为231.5 W／kg，但此后进展不大。近年来南开大学在柔性衬底非晶硅薄膜电池方

的研究取得了一定的进展，在0.115 cm 的聚酰亚胺衬底上获得单结薄膜电池的初始效率为4.84％ ，功率质量比为341 W／kg[3]。

2  国内外太阳能电池在服饰领域的应用

国外太阳能电池在服饰领域的发展起步较早，且多数是在太阳能产品的展会上以及国际时装周的T型台上以新型服装的形式出现，表1为太阳能服装在世界各地应用的情况。

表1 国外太阳能服饰应用现状

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国内太阳能电池在服饰领域的起步和发展都比较晚，概念性服装较多，实际制作较少。表2为太阳能服饰专利技术及其在国内的应用情况。

表2 国内太阳能服饰应用现状

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3 太阳能服装的分类

根据太阳能服装所接负载的功率大小，可将上述太阳能服装分为3种：(1)为LED灯等小功率发光装置提供电源的太阳能发光服；(2)为外接移动装置，比如手机、IPOD等提供充电电源的多功能太阳能服；(3)为电热片加热提供电源的太阳能热服。

以北京优利阳新能源科技有限公司生产的柔性薄膜非晶硅太阳能电池板为例，电池板每片尺寸为50 mm×190 mm X 1 mm，输出功率为0.5 w，输出电压为1.5 V，不同的负载所需要的太阳能电池板的数量和规格见表3。

表3 不同的负载所需要的太阳能电池板的数量和规格

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4  目前太阳能服装需要考虑和解决的问题

太阳能服装的构成包括柔性太阳能电池板、太阳能控制装置、蓄电池、负载和开关装置，所以各装置的技术性配置既要达到功能的实现，又要尽可能地进行款式及结构设计，与服装进行高度整合，保持服装的各种特色，所以太阳能服装需要考虑和解决多个方面的问题[22]。

4.1  太阳能服装的面料问题

户外功能服的面料一般要求弹性、耐磨性、保暖性、吸湿、透湿、防水性能好[23]。太阳能服装本身带有电子元件，在功能实现的过程中有电流的产生，所以对于吸湿快干性、防水透气性要求更高，同时服装外衣还需要具有防雨性，否则可能因为服装内环境潮湿使人体的电阻发生变化，安全电压的限度降低，发生触电的危险[24]。同时，潮湿的环境有可能导致线路工作的异常，发生漏电、短路现象，同样危害人身安全。另外人体汗液中除水之外，还有许多盐类成分，残留在太阳能服装中会腐蚀导线，甚至可能造成电路破坏或短路；如何减少汗液的残留，排出盐分，以及避免汗液对导线、电路造成腐蚀破坏，都是太阳能服装需要解决的问题[25]。

在太阳能面料方面，2009年3月科纳卡技术公司(Konarka Technologies)发明了一种新的更为有效的光电换能线，可配置于服装、商铺遮篷以及船帆上，产生可再生电力。此产品利用纳米科技，已制成将太阳能电池加工成纤维状的产品[26]。其他电子元件也更微

小化，因此在服装中加入微电子设备的可行性不断提高。可以将其利用缝合的方式附着在服装上，也可利用织造的方法，生产出具有感性装置的面料。太阳能服装未来的发展趋势从将微电子元件简单地适配到服装上朝着微电子元件整合到服装系统内的方向发展。

4.2  太阳能服装的结构问题

柔性薄膜太阳能材料种类较多，所以在选定服装所用的太阳能电池板时要对其进行受力分析，选定最符合身体各个部位的太阳能电池片。现阶段利用最多的是固定裁片的太阳能电池板。

另外太阳能电池片的放置方向也要考虑到身体各部位大致走势和活动方向。不仅要依据功能装置的特性，同时还要根据人体工学来进行结构设计[27]。比如太阳能电池板应放置在服装外表面直接接触阳光，还要考虑到受力要素，尽量避开身体的活动范围大的关节等处，比如放置在肩部、后背、腰部等；其次要考虑到身体各个部位的承重能力；部件之间的布线要不妨碍身体活动，尽量考虑运用内置电线；设计成可拆卸的形式，以便洗涤。而且，针对太阳能服装需要的元件较多且较复杂，可设计成多层结构[28]：外层固定太阳能电池片和LED等需要放置于外层的元件；中间夹层固定蓄电池、控制器等元件；内层以柔软织物贴身设计，安置人体生理数据的传感器，实时监测人体生理数据的变化。另外，为加强衣下内环境与外界环境的热交换，在服装上增加开口设计[29]。这样可以部分弥补太阳能服装由于柔性太阳能电池片本身不具备透湿透气性而产生的局部闷热感。既要考虑舒适性，又要兼顾结构设计对热湿舒适性的影响[30]。

4.3  太阳能服装的安全性和耐久性问题

除了太阳能电池片外，太阳能服装还加入了其他的电子元件，对人体的安全产生一定的威胁。在研发太阳能服装的过程中，一定要充分考虑各个元件可能对人身健康和安全产生的各种影响。

微电子元件和微电路都有一定的使用寿命，对电池的循环使用和自我更换也是太阳能服装要考虑的问题，建议使用可充电电池，以延长装置的耐久性，减少对环境的污染[31]。

4.4  太阳能服装的舒适度评价

现阶段太阳能服装还没有可参考的评价标准，但是太阳能服装属于功能性服装领域，可根据现有的针对功能性服装舒适性的评价方法[32]来进行综合评价。

服装舒适度的分类主要包括心理舒适和生理舒适[33]。心理舒适是指太阳能服装的色彩、款式和某种场合穿着的适合陛，实验中主要通过主观调查问裣进行。

生理舒适包括对太阳能服的试穿舒适性、触觉舒适性以及热湿舒适性。试穿舒适性表现在太阳能服装穿着的合体性，各功能装置的合理性，对人体活动的影响，以及人体承受一定质量的太阳能服对人体舒适性的影响。触觉舒适性是指对太阳能服装与人体接触时

产生的刺痒感和柔软感等，由于服装中加入许多电子器件，现阶段大多数电子元器件材料比较坚硬，所以对人体的舒适度必将产生影响，在评价当中要多方面考虑对人体的触觉舒适性的影响。

热湿舒适性一直是现代服装科技领域的前沿课题。对于太阳能服装的热湿舒适性的评价要充分考虑到太阳能电池片本身的特性，虽然柔性太阳能电池板相比硬衬底的太阳能电池板有可折叠的特性，但是相比织物，其可裁剪性以及柔软度都相差甚远，由于本身

并不具有吸湿排汗、防水透气性以及拉伸弹性，所以太能电池片在服装上不适合大面积直接使用，需要结合服装织物的面料以及款式结构来满足整个太阳能服装的热湿舒适性。如太阳能电池板中间留有空隙并用织物连接，可以确保太阳能板覆盖处的透气性。

5  结语

太阳能具有清洁和可再生的特点，已经成为今后能源发展的新方向，随着人们生活方式的转变，生活质量的提高，户外探险旅游等活动的兴起，数码科技的发展，便携式充电装置显得尤其重要，太阳能发电服将成

为今后功能性服装的重要研究方向。

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