第一篇：太阳能充电车架包的创新设计研究论文
摘要：太阳能充电车架包是一款利用太阳能新材质制作的山地自行车车架包，包体新材质可把吸收的太阳能转化为电能，并贮存在内置的蓄电池内或通过USB接口对各式电子产品进行充电。与传统的车架包相比，太阳能充电车架包不仅仍然具有储物作用，而且在未增加装备数量的前提下，新添了太阳能充电功能，因此作为一款高科技新材质的骑行装备，其太阳能充电方式作为一种全新的户外移动电源供电模式，将充分解决广大骑友野外骑行中电子产品充电难的问题。
关键词：太阳能充电车架包；太阳能充电；新材质；骑行
中图分类号：G80-05文献标识码：A文章编号：1674-151X（202_）12-150-02
近年来随着我国经济实力和综合国力的不断提升，普通大众在物质生活得到满足的同时，精神文化需求日益高涨，其中对健康方式的追求更为迫切，在这种全民健身热的大背景下，原本用以“代步”的自行车在被注入科技及时尚的元素后，再次焕发出全新的生命力。各大自行车厂商不断研发推出各式山地自行车、旅行车以及与之相应的各式骑行装备，用以满足不同骑行爱好者的需求，其中车架包更是作为山地自行车及旅行车的储物包成为骑行必备装备，但随着骑行爱好者骑行距离、骑行时间的延长以及携带的电子装备数量的增加，野外骑行中电子装备充电难的问题成为限制骑友随心畅游的“瓶颈”，因此太阳能充电车架包的研究与设计具有其深远的现实意义。
1传统车架包现状
车架包又称上管包、梁包或车前包，是安放在山地行车或旅行车车前梁上的一种储物包，通常用以储放常用的手机、钥匙、小食品、能量棒等小体积物品，在骑行当中使用率极高，是户外骑行的必备装备之一。目前，市场上传统车架包的品牌有捷安特、美利达等品牌，其材质以帆布、牛津布或PU皮革为主，并具有一定的防水功能，外形基本为两侧包体。传统车架包虽然普及率极高，但功能单一，仅具备储物功能，虽然在一定程度上为骑友户外骑行载物提供了方便，但传统车架由于其制作材质的原因，所以无法解决户外骑行随身电子产品充电难的窘困难题，因此车架包多功能的升级势在必行。
2折叠式太阳能充电板现状
折叠式太阳能充电板又称折叠式太阳能充电器，是一种可将太阳能转换成为直流电并可为各种型号的手机、移动电源、MP3、MP4等电子设备提供电能的户外电源装备。折叠式太阳能板具有体积薄、重量轻、携带方便等特点，适用于野外作业、户外运动、出差及旅行等环境下的应急供电，其输出电压在5V，输出电流在3A左右。近些年，随着新能源材料的不断创新和发展，折叠式太阳能充电板的便携式和小型化产品逐渐进入普通大众的视野，并得到了广泛的应用，但折叠式太阳能充电板对于户外骑行中其独特的运动特点，仍然暴露出骑行模式下携带不便的问题，所以折叠式太阳能充电板与原有骑行装备相融合及合体的理念营运而生。
3太阳充电车架包的前景
在山地自行车运动及电子产品风靡的大背景下，太阳能充电车架包充分解决了骑行者在户外的对手机、数码相机、MP3等电子产品反复充电困难的难题，把山地车爱好者从大量携带的备用电池及移动电源中解放出来，减轻了背负空间及负荷，此外太阳能使用起来极为方便，是一种清洁的可再生能源，是户外旅行能源供给的首选。通过对100份随机发放的调查问卷发现，受访骑友中有98%的人在购车时就会装备传统车架包，同时，100%的骑友骑行时会携带电子产品，另有90%的骑友遇到过户外骑行充电难的问题，并且大多数骑友比较期待太阳能充电车架包的出现，因此太阳能充电车架包不仅可以解决骑友户外出行充电难的实际问题，还可以创造可观的市场价值，所以太阳能充电车架包的研发、设计及后续升级有着重要的现实意义。
4太阳充电车架包的设计方案
太阳能充电车架包，是一款集车架包储物与折叠式太阳能充电板充电功能为一体的多功能户外供能装备，不仅继续延续其骑行存储物品的功能，还进一步实现了光照条件下可持续、可移动的供电功能，最大限度地解决了常规电源以及移动电源不可移动或户外供电不持续的难题，在不增加装备数量和负荷的基础上，利用硅晶材料制作的车架包，使其载物与供电功能合二为一，充分地体现了户外装备多功能和高科技的设计理念，目前太阳能充电车架包已经获得国家知识产权局颁发的实用新型专利证书，其实验样包正在检测和试用中，实验样包。
5结语
经济在发展，科技在进步，人们的生活水平也不断提高，对体育健身的需求更是空前迫切，骑行运动作为一种健康、绿色的旅游方式被高度推崇，而太阳能充电车架包进一步满足人们其中对电子产品供电的需求，其必将成为是骑行爱好者户外出行的一款装备利器，希望更多的高科技户外装备为户外运动的发展推波助力。
参考文献：
[1]李娜.旅行自行车附件产品的设计研究[D].无锡：江南大学，202_：3-4.[2]李靖，齐永丰.自行车形态的情感语义编码研究[J].包装工程，202_（3）：158-160.[3]程前.太阳能充电车架包：中国：ZL201
第二篇：创新创业论文-空间太阳能研究
Central South University
空间太阳能的研究
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202_年03月9日 星期六
空间太阳能电站及无线能量传输
摘要：空间太阳能电站是一项非常庞大的系统工程，几乎牵涉到各个技术行业。它能为人类社会提供源源不断的能源，从而彻底解决能源问题。而无线能量传输技术是空间太阳能电站的主要关键技术，亟待突破。
关键词：空间太阳能电站，无线能量传输技术，能量
Abstract：Space solar power stations is a very huge system engineering, involving almost every industry.It can provide a steady stream of energy for human society, so as to thoroughly solve the energy problem.The wireless energy transmission technology is the main key of space solar power technology,and it needs to break through.Key words: Space solar power station Wireless energy transfer technology energy 0.引言
随着人类社会的快速发展，人类所面临的能源问题和环境问题越来越突出，地球矿物资源的大量开采与消耗, 使石油、煤炭等资源日趋短缺，据估计包括化石能源在内的所有能源储量仅能够人类使用100～200年左右。目前全球原油年消耗量约为35亿吨，而亚洲的原油尤其是中国的年消耗量正在激增中。在今后25年中，全球原油平均每年消耗将达50亿吨，足以把现已探明的全部储量耗尽。中国人均能源消耗约为世界人均能源消耗的1/2,为发达国家的1/10，为美国的1/13,比其他任何国家更快遇到能源短缺问题。我国如不及早地开展从根本上解决能源问题的研究 能源危机将会严重制约我国经济的发展，甚至威胁到国家的安全。另外过量消耗矿物燃料造成地球生态环境的恶化, 也促使人们寻找新能源和各
种可再生能源；再者世界经济的迅速发展,对能源的需求越来越大。由于空间太阳能具有能流密度大、持续稳定、不受昼夜气候影响、洁净、无污染等优点, 且随着人类征服太空能力的加强,利用空间太阳能发电SPS（Solar Power from Space）已越来越受世界各国的关注。
而对于其他类型的能源如风能、潮汐能、水电能、地面太阳能、地热能等都由于各种各样的限制而无法为人类提供全面的能源需求，而剩下的可供选择的就只有核聚变能和空间太阳能，而核聚变能在50年能否实现商业化还是一个问题，而空间太阳能电站在20～30年内有可能实现商业化，且大气层外没有云层、雾、尘埃等，太阳光线不会被减弱，强度是地面上的7～15倍。且太阳光的辐射能量十分稳定，在静止轨道上建设的太阳能电站1年中99%的时间是白天，其利用效率比在地面上高出6～15倍。所以，太阳能空间站的使用将极大缓解人类社会的能源紧张局面。空间太阳能的概念及发展现状
1.1 空间太阳能概念的提出
1968年，美国的Peter Glaser博士提出了太阳能发电卫星（Solar Power Satellite，简称SPS）。其基本构想是在地球外层空间建立太阳能发电卫星基地，利用取之不尽的太阳能来发电，然后通过微波将电能送到地面的接收（天线）装置，再将所接收的微波能束转变成电能供人类使用。空间太阳能发电系统基本由三部分组成：太阳能发电装置、能量的转换和发射装置以及地面接收和转换装置。
太阳能发电装置将太阳能转化成为电能；能量转换装置将电能转换成微波或激光，并利用天线向地面发送能量；地面接收系统利用地面天线接收空间发射来的能量，通过转换装置把其转换成为电能供人类使用。整个过程经历了太阳能一电能一微波一电能的能量或者太阳能一激光一电能转变过程。
1.2 空间太阳能的发展现状
1.21国外空间太阳能的发展现状
美国在20世纪70年代，投入约5000万美元进行空间太阳能电站和关键技术研究，并且提出5GW的“1979 SPS基准系统”方案。1995年7月，NASA开展了重新评估SPS可行性的研究，并提出多种创新方案。1999年，NASA在2年内投资2200万美元，开展“空间太阳能探索性研究和技术”的计划，提出SPS未来发展的技术路线图计划于202_年实现10MW系统的空间验证。202_年后，NASA和美国科学基金会共同出资开展“空间太阳能电站概念和技术程度研究”。202_年美同国防部组织专家完成了《空间太阳能电站作为战略安伞的机遇》中期评估报告。报告对于美国政府组织开展夺间太阳能电站研究提出4点建议：①要有效的进行组织，以解决SPS研制存在的问题；②要为SPS的商业发展清除主要的技术风险；③为SPS的研制创造一个有利的政策、制度和法律环境；④政府应成为SPS早期的验证者、研制者和用户，并且激励其持续发展。
日本是能源极缺的国家，从20世纪80年代就开始进行SPS概念和关键技术研究。目前共有200多名科学家参加15个技术工作组，90年代起陆续推出SPS2000、SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式绳系SPS系统等概念设计，并且重点在微波传输、激光传输、材料及空间机器人技术方面开展工作。202_年2月27日，日本
提出“促进空间太阳能利用”计划，已列为国家计划，目标是在20～30年后实现商业化，目前已经提出在202_年实现1GW商业系统运行的技术路线图。
欧洲在1998年开展了“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划，提出了名为太阳帆塔的概念设计。202_年8月，欧空局先进概念团队组建了欧洲空间太阳能电站研究网，重点在高效多层太阳电池、薄膜太阳电池、高效微波转化器、轻型大型空间结构等先进技术方面开展研究工作。1.22 国内空间太阳能的发展现状
近年来，我国在发展地面太阳能可再生能源方面做了大量的工作，但利用规模还十分有限，发展空间太阳能发电技术、解决太阳能的大规模利用问题才是我国发展的主要方向。作为空间太阳能发电的主要关键技术，WPT在能量传输方面起重要作用。我国在雷达技术研究、应用方面具有一定基础，激光技术也已成熟。微波技术、激光技术在许多方面得到了应用，表明我国在WPT技术上已具有相当基础。我国已具备了太阳能电池的技术基础与空间应用能力。尽管就我国的目前空间技术水平相比还存在许多差距，但就空间工业基础来讲，我国已具备建设 太空太阳能电站所需空间技术的潜能。
2、空间太阳能电站系统方案
国际上已经提出几十种空间太阳能电站概念构想，总得来说空间太阳能电站概念可以分为两大类：一类是非聚光式，另一类是聚光式，而这两类又分别可以分为平台式和分布式。平台式非聚光空间太阳能电站的典型代表是美国提出的“1979 SPS基准系统”；分布式非聚光窄间太阳能电站的典型代表是日本提出的“分布式绳系太阳能电站卫星”；平台式聚光空间太阳能电站的典型代表是美国提出的“集成对称聚光系统”；分布式聚光空间太阳能电站的典型代表是日本提出的“SPS2003”。从发展趋势上，空间太阳能电站概念的发展重点是从系统的轻型化、模块化等方面开展工作，同时要重点解决系统的散热和空间大功率电力的传输难题。下面给出几种典型的空间太阳能电站概念。
2.1 1979 SPS基准系统
1979年美国提出第一个空问太阳能电站概念，名为“1979 SPS基准系统”。
该设计方案为在地球静止轨道上布置60个发电能力各为5GW的发电卫星，总设计目标为300GW，约为美国电负荷的一半，系统主要性能参数见表1。
表1 1979 SPS基准系统主要性能参数
系统采用桁架式太阳电池阵结构设计，体积和重量均较大，是后来的SPS概念设计的基础。设计微波波束到达地面时的功率密度很小，波束中心约为23mW／cm2，边缘只有1mW／cm2，对人、畜和庄稼不会造成危害。
2.2 集成对称聚光系统
NASA在20世纪90年代末的SERT研究计划中提出新一代的名为“集成对称聚光系统”的设计方案，结构示意图见图2。采用了薄膜聚光设计，薄膜聚光采用O．5mm厚的Kapton膜，表面太阳光反射率达到0．9，聚光膜到光伏电池的集光率为4．25。设计将聚光太阳阵与微波发射天线布置在很近的位置，可以大大减小空间电力传输系统的体积和质量。
图2 集成对称聚光系统
2.3 日本空间太阳能电站方案概念
日本在空间太阳能电站研究中提出了多种方案，主要包括SPS2001、SPS2002、SPS2003、分布式绳系太阳能电站卫星概念等(见图3)。
其中SPS2001采用了聚光系统，并且创新性的提出将太阳电池、微.波转换装置和发射天线集成为夹层结构，大大简化了结构设计和空间装配的难度，但散热问题
极难解决。在SPS2002方案中，改进了SPS2001的夹层结构，将太阳电池、发射天线布置在同一面，另一面作为热辐射器，可以大大改善热控的效果，但给能量转化效率和电池兼容性带来一定问题。SPS2003方案是在SPS2002方案的基础上，在辐射面后面增加了太阳屏，更加有利于系统的散热。SPS2003的另一个重要特点是各部件将采用编队飞行的方式保持相对位置稳定，是一个真正的分布式系统。分布式绳系太阳能电站卫星概念减小了单个模块的复杂性和重量，更有利于系统的构建和组合。其基本单元由尺寸为100m×95m的单元板和卫星平台组成，单元板为太阳电池、微波转换装置和发射天线组成的夹层结构板。每个单元板的总重约为42．5t，微波能量传输功率为2．1MW，单元板和卫星平台间采用4根2-10km的绳系悬挂在一起。由25块单元板组成子板，25块子板组成整个系统。
2.4 太阳帆塔
欧洲在1998年开展了“空间及探索利用的系统概念、结构和技术研究”计划，提出了太阳帆塔概念，主要参数见表2。表2 欧洲太阳帆塔基本概念
该方案设计基础是基于美国提出的太阳塔概念，但采用丁许多新技术，主要是采用了可展开的轻型结构——太阳帆，可以大大降低系统的总重量、减小系统的装配难度。每一块太阳帆电池阵为一个模块，尺寸为150m×150m，发射入轨后自动展开，在低地轨道进行系统组装，再通过电推力器运往地球同步轨道。
3.空间太阳能电站的关键技术
3.1 低成本、高效率、强抗辐射的光电能量转换
需要发展聚光太阳电池和薄膜太阳电池，以减轻产品质量，增强抗辐射能力，降低生产成本。
3.2 低成本的地面与轨道间的运输
运输成本与每次发射的有效载荷包装的大小有关。大包装（80t）有利于减少发射和太空组装次数，但需研制重型运载器；小包装（20t左右）则可利用成熟的运载器或运输系统，节省成本，但运输和空间组装次数相应增加。当前使用的运载火箭和航天飞机的发射成本仍然居高不下，平均在20000美元/Kg以上，应尽量使之降到400美元/美元以下。空间太阳能电站体积大、重量大，需要多次发射到近地轨道(LEO)进行组装，再送往地球同步轨道(GEO)。冈此，空间太阳能电站系统需要两类空间运输技术：低成本大运载近地运载器，高性能轨道问推进系统。目前最大的运载火箭包括美国的土星五号和俄罗斯的能源号运载火箭，近地轨道运载能力超过100t。而目前广泛使用的商用运载火箭，包括“德尔塔”、“质子”、“阿里亚娜”和“长征”等，近地轨道运载能力从11．2—25．0t不等。为了节约成本，有必要发展大刑的可重复使用的运载丁具。高比冲、长寿命的电推进系统是空间太阳能电站最有前途的空间轨道转移推进方式。美国已经研制50kW霍尔电推力器，需要进一步研究大推力的电推进系统，以适应空间太阳能发电站的需求。
空间太阳电站的太阳能发电考虑两种形式，即光电转化形式和热电转化形式。上世纪90年代，考虑到热电转换的较高效率，在空间站的电源系统设计中曾对空间太阳能热动力系统进行了广泛研究。随着光电转化技术的进步，其较高的效率(已经成熟的空间太阳能电池的效率接近30％)和高可靠性使得空间太阳能电站的太阳能发电更多的立足于光电转化。目前。从空间太阳能电站的需求来看，为了提高系统的效率，降低系统的质量，研究重点是发展聚光太阳电池和薄膜太阳电池技术，以提高能量转换效率，减轻产品重量，并需要进一步增强抗辐射等
空间环境适应能力，降低生产成本。其中聚光太阳电池最为看好，也是目前空间太阳能电站系统较多采用的方案。图4为美国的SERT计划给出的与空间太阳能电站发展目标相对应的太阳能发电技术目标。
图4 太阳能发电技术目标
3.3 无线能量传输技术
无线能量传输技术是空间太阳能电站最关键的技术。无线能量传输主要有微波和激光两种，激光穿过大气时损耗太大，故目前主要考虑用微波。首先，要提高微波发生器将电流转化为微波的效率，提高地面硅整流二极管的接受和转化效率，以及其它微波器件的效率。其次，要解决微波波速的生成和指向控制技术。第三，要确定微波频率的选择。无线能量传输技术是空间太阳能电站的主要关键技术，在空间将太刚能转换成电能后，进一步转换为微波或激光，通过WPT传输到地面，再通过微波或激光接收装置转换回电能。目前来看，微波无线能量传输技术相对更为可行。1964年，一个2．4kg重的无线电力传输直升飞机进行了验证，接收功率达到270W，飞行高度为15m。1975年，更大功率的微波电力传输试验在美国的JPL试验成功，传输距离达到1．6km，接收功率达到30kW，接收端的直流转化效率达到0．84。13本已进行了几次空间微波电力传输试验，主要研究微波
波束在空间等离子体环境下的相瓦作用。激光传输能量集中，所需的接收设备小，造价便宜，且可以直接转化为氢等存储起来。但是，激光穿过大气层时，有能量损耗，在恶劣气候条件下不能使用，而且大功率的激光技术目前还有许多难点，需要进一步研究才能应用。日前无线能量传输技术研究的重点是大功率、高效率、长寿命的能量转化器件技术，这对于降低系统的质量、减小热控等的复杂性都非常重要。
3.4空间技术
1)空间组装、维护和维修技术
空间太阳能电站系统体积和重量巨大，需在近地轨道进行空间装配，而且系统在轨工作寿命达30～40年，在全任务周期内，面临着大量空间碎片和微流星体等的威胁，此外由于空间太阳能电站运行时问长，其携带的燃料有限，需要进行在轨加注，维护任务需求很大，需要研究结构和部件模块自主组装技术、空间无人维护和维修技术。202_年1月22 13，日本成功发射了Furoshiki卫星，多个卫星在空间释放后，相互展开形成天线网格，之后整个系统旋转，以保证天线网格的张力。天线网格搭建完毕后，机器人就可以在网格上工作以建造相控阵天线。主要验证新型自主空间展开天线和空间机器人技术。
2)姿态控制及波束指向控制技术
空间太阳能电站的面积将达到几十平方公里，在运行过程中，既要保证太阳电池阵尽可能对日定向，又要保证微波波束与地面接收天线精确定向，给系统的姿态控制和波束指向控制带来很大的难题。特别是波束指向控制技术对于空间太阳能电站的安全有效运行极其重要。
3)热控材料及热控技术
空间太阳能电站中的光、电、微波能量转换过程中所产生的热量排散是方案设计中的主要技术难题之一，而适合的工作温度又是保证系统长期正常工作的必要条件，采用合理的热控方案和热控材料对于提高系统可靠性、降低系统质量具有重要意义。
4)空间电力管理与输送技术
空间太阳能电站的输出功率达到GW级，其电流十分强大，如果采用常规技术，需要大量的电缆、绝缘材料和散热材料，严重影响到空间太阳能电站的重量和成
本。需研制高温超导输电电缆、长寿命高可靠制冷器、高效直流变换器及新型的绝缘、散热材料等。
5)轻型、长寿命的结构及其部件
空间太阳能电站的体积巨大，工作寿命长达30年以上，为降低发射成本，需研制超轻型的展开式结构、充气膨胀结构和创新的多功能结构以及耐空间辐射环境的轻型复合材料。
6）太空自主组装及机器人
未来在太空建造太阳电站时，简单的、规范化的组装任务由结构和部件模块自主完成，复杂的组装、维修和服务任务由机器人辅助完成。要在航天飞机和国际空间站遥控操作臂的基础上，发展遥控机器人，继而研究6自由度的机器人。
7）结构与部件的高度模块化和批量生产
太阳电站的结构与部件需制作成大小适中，具有高包装效率的模块，使其能用成熟的运载器或运输系统发射，便于在太空自主装配、在轨维修和更换。
8）微波传输能量的分析
目前来看，微波无线能量传输技术相对更为可行。1964年，一个2.4kg重的无线电力传输直升飞机进行了验证，接收功率达到270w，飞行高度为15m。1975年，更大功率的微波电力传输试验在美国的JPL试验成功，传输距离达到1.6km，接收功率达到30kw，接收端的直流转化效率达到0.84。日本已进行了几次空间微波电力传输试验，主要研究微波波束在空间等离子体环境下的相互作用。在地球大气层外，太阳在单位时间内投射到日地平均距离处，且垂直于射线方向地单位面积上地全部辐射能，叫做太阳常数。美国宇航局标准取太阳常数为135.3mW／cm2。美国的“参考系统”太阳能空间发电卫星设计位于地球同步轨道，发射时的能量密度为23mW／cm2；日本设计的SPS2000位于低轨道，发射时能量密度为57.4ｍW／cm2，到达地面时的能量密度为0.9ｍW／cm2。目前国际上关于微波使用的安全性标准：美国和西欧为10mW／cm2；日本为5ｍW／cm2。所以传输电能的微波不会对地球表面生物造成伤害。同时，SPS不会引起致命的病变，在这方面也不会有大规模杀伤性。这也就意味着，“作为武器，水枪比SPS更有效。”Moss认SPS“微波光束列始终在接收站的绝对控制下，稍稍偏离天线的精
确轨道，就会迅速关闭。并且，最重要的是，接触微波能并不会致命。它不象激光那样具有热‘攻击性’，也不象X光辐射那样离子化
微波的频率为2.45GHz或5.8GHz，这是分配给工业，科学和医疗使用的频率，不会对通讯造成影响。但是空间太阳能发电卫星发出的微波束穿过电离层和大气层到达地面时，大功率微波将与空间等离子体、大气粒子相互作用，在波束通过的区域和临近区域引起一些变化，如电子被加热，电离度增大，激励产生等离子体波等；同时微波束的特性也将被改变。这些问题需要研究和实验。
激光传输能量的分析：激光方向性强、能量集中，所需的接收设备小，造价便宜，且可以直接转化为氢等存储起来。利用激光可以携带大量的能量，可以用较小的发射功率实现较远距离的输电。有关研究选择激光的优势在于。所需的传输和接收设备是微波所需的1/10。不存在干扰通信卫星的风险--使用微波却存在这种问题。不足点之一是障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换。在恶劣气候条件下不能使用，使用激光不能像微波那样穿过云层能量会在中途丧失一半。用激光传输能量整个过程首先在太空中把太阳光直接泵浦成激光，或先把太阳光转换为电能再转换成激光。第二步，把激光发射回地面。第三步，把激光转换成电能或直接转化为氢等存储起来。
一些国家开展了太阳能直接泵浦固体激光器的研究，包括美国、日本、以色列、中国等，但是转换效率都很低，远远未达到商业化应用阶段。
4、总结以及个人看法
（1）我国以及世界的能源现状表明，发展空间太阳能电站是解决未来的能源需求，优化能源结构的合理选择。
（2）太阳能空间电站有巨大开发价值，但在关键技术上需进行重点攻关，加快发展载人航天及空间站技术和无线能量传输技术。
（3）如果从现在起开展空间电站各种相关技术的准备工作，可能在20年左右 时间内实现太阳能空间站的商业化。
（4）在研究外太空的太阳能利用，全国甚至全世界的科研机构应该团结协作，尽快把关键技术弄好，以解决全球的能源问题。
第三篇：太阳能论文
综述纳米结构材料在太阳能电池中的应用 作者：Elham n Afsha 摘要：近年来，纳米结构材料，为未来的可再生能源已经开辟了一条很有前途的路线，特别是在太阳能电池。本文考虑了纳米结构材料在提高太阳能电池结构性能和稳定性方面的优越性。这些结构已被用于各种性能/能量控制的版本增强策略。在这里，我们已经调查了四种类型的纳米结构应用于太阳能电池，其中所有被命名为量子太阳能电池。我们还讨论了量子点纳米颗粒和碳碳纳米管量子太阳能电池与传统的太阳能电池竞争的新发展。此外，优点，缺点和纳米结构太阳能电池的产业化进行了挑战。关键词:纳米结构;太阳能电池;太阳能转换;光伏设备 1.介绍
太阳能电池（SCS）或光伏（PV）的设备，收获阳光的能量直接转化为电能。化石燃料，如石油、焦油等，已作为能源的主要来源，但化石燃料资源有限，由于环境退化，每年增加的供应成本。技术和基础设施的发展和改进提供了替代能源和可再生能源，如太阳能，风能，地热能，生物质能，水电，核电等。光伏技术是唯一的替代性可再生能源如风力、生物质能、核能和水电。该技术具有许多优点，相对于其他可再生能源，如，从阳光直接产生电力，在便携式模块的形式提供电力，具有小型到大型兆瓦的发电厂，而不被特殊区域限制。所有这些技术都有望在未来的几十年中对世界的能源供应作出显着贡献。
通过开发技术和理念提高PVS的能量转换效率必须不断扩大为我们未来全球能源的补充，但关键部件，PVS的主要问题是其较高的生产成本和能源消耗。2．光伏的历史和发展
世界上第一个商业化的光伏是基于晶体硅的，它是1954年2月由贝尔实验室的研究人员研制，第一个硅电池的效率约为4%，然后，许多研究人员提出了一个尝试演示的效率约为3 25%非常接近理论极限，在一个阳光下照射31%。如今，今天的大多数商业化的晶体硅基SCS是封装在模块中有14–20%太阳光转换效率。今天,采用硅作为光伏行业最常用的材料的主要原因是,它是第二丰富的元素(氧)地壳的相对廉价的半导体。晶体硅的生产成本相对较低,每公斤0.2美元。然而,硅的光学和电学性质并不是很好的半导体技术和光伏。例如,在制造过程中，间接带隙的Si使得光学吸收和光传输效率低下,如果需要一个最低纯度水平。这些是最重要的原因，不是太阳能能量转换理想的半导体材料。单结SCs(如Si)的效率是有限的31%的主要原因如下:
●透明度的重要部分(20%)较低的太阳光谱的光子能量比带隙;●高能光子的损失由于热热化,运营商和声子散射;●从细胞表面的反射;●无辐射复合带隙之间的转换。
大部分Si SCs被认为是代我技术,而第二代细胞是基于薄膜技术,允许使用薄材料吸收体沉积在基质成本较低,因此降低电池成本。第三代细胞是基于纳米结构和能量转换的概念,有可能实现有限的效率大于单一连接限制。预计这种结构基于纳米粒子能够实现成本水平相似或优于第二代电池技术。第二代细胞,如多结(MJ)pv,允许更大范围的波长的吸收太阳光谱结合不同带隙材料串联堆栈和最大浓度下可以达到71%的效率理论基于2-4和超出许多不同的带隙。现在,这些是昂贵的(> 7 w−1美元),它们用于空间应用程序,以及太阳能发电站地面集中器系统小面积是必要的。3.纳米SCs 这是串联细胞的效果可以结合在一种材料中的高效率和低成本的半导体。所有这些问题都是我们对新技术和新概念的一个新的问题。串联的方式影响细胞可以组合在一个高效和低成本的半导体材料。必须注意的是，在太阳能转换领域的纳米技术的权力。对应用于SCs的后四个类型的纳米结构进行了调查;●纳米复合材料(3 D), ●量子井(2 D), ●纳米线和纳米管((准)1 D), ●纳米颗粒和量子点(量子点)[(准)0 D]。
这些结构被用于各种性能/能量转换增强策略。每种类型提到的现象将很快解释;将纳米级荧光粉颗粒吸收光谱的一部分,转换为更适合SC的能量称为纳米复合材料系统能源转换器。第一个3 D纳米应用的例子,色素增感太阳能电池光伏设备(DSC),最初是由Greatzel和奥雷根。这种结构,结合新的分子吸收,有助于提高DSCs 性能,一些公司试图扩大到模块级别。此外,DSCs液态电解质的存在激发了开发聚合物SCs的工作。
Nanu等人，喷涂CuInS 2复合（CIS）和TiO 2纳米颗粒在石墨/纳米二氧化钛电极结构完成了结构致密的二氧化钛膜由透明导电氧化物（TCO）约有5%的能量转换效率。作者展示了创建纳米复合材料。纳米结构的另一种形式是纳米晶硅的使用更换无定形硅或将它们结合在一起的串联结构。这种结构的晶界，显著提高复合中心浓度以及重组的概率因为载流子要遍历很多界限高表面积。
量子威尔斯也具有高的吸收，由于较高的密度，导致高的短路电流的带边的高密度。多量子威尔斯插在基于三–V的材料主要是GaAs和相关合金如AlGaAs和InGaAs SC器件的有源区，一直关注了好几次。下一个二维受限的纳米结构，即纳米线和纳米管提供准或真实的一维结构。
纳米线作为一个直接的路径不存在晶界的电荷传输，从而导致增强的性能相比，纵横比接近1:1的纳米结构的应用。他们提供了一个更直接的路径，电荷传输的接触，而树枝状的纳米线结构，可以提高光的收获。例如，杨和他的同事表明与基于DSC的最大功率转换效率1.5% AM1.5光下纳米TiO2相比短路电流密度的增大。此外，纳米线还提供了增强的光吸收特性的潜力。tsakalakos等人，已经显示出这种效果直接在硅纳米线的制备直接在熔融石英衬底上
阿撒托斯和同事显示的所有无机纳米棒SC组成的层上沉积的CdTe纳米棒的CdSe纳米棒。这些电池产生的功率转换效率为1%，并进一步烧结的纳米线的复合膜，允许更好的粘附/接合的纳米线的接口产生的效率约3%的细胞。
总之，纳米线和纳米棒未来的供应链设备显示出巨大的前景，剩余的技术挑战，包括适当的表面钝化，分流和高品质的接触。碳纳米管（碳纳米管）也被证明能产生光伏效应。李等，显示一个单独的碳纳米管的二极管，静电掺杂在分裂栅场效应晶体管的结构，是一种理想的P N结一理想因子。他们已经得出结论，碳纳米管没有表面状态，因为碳键的石墨烯结构的碳纳米管是饱和的。这种装置被证明具有小的光伏效应，估计功率约5%的转换效率。碳纳米管也正在探索作为电极。在所有提到的纳米结构，量子点已经成为如此著名，由于它们的潜在的实施在各种光伏应用和增强计划。对该量子点在基于两大概念的SC结构这一特性可以通过特殊性能的纳米结构改性后的现实。●多激子产生(MEG)或碰撞电离(II): 在这个概念中,高能量光子能量大于两个带隙应通过II产生两个或更多的电子空穴对的效果。量子化的量子点纳米级别的概率是一个好主意来增强这种效果。Nozik理论上首次提出这个概念。
最近的硒化铅和PbS纳米晶体实验表明,它确实是可以用数量的激子单光子吸收。实践方面,包括电荷分离等,需要额外的基础研究。●中间带的概念: 中间带源于集成量子点的量化水平。这个概念可以解决一个大问题，有着悠久的历史，在供应链的材料设计。如果一个中间能带中间能带通过主机材料带隙，可以利用光子的间隙可以利用。这样的能带结构会有一个有限的效率超过60%，因此它有很大的希望。制这个很有前途的方法，通过在量子点嵌入在p-i-n结构的有源区结构，引入了一个中间带的半导体，是类似于卢克和同事的做法的差距。4 结论
有一个光伏技术实现用户社区，提高电池的效率。同时降低成本将是至关重要的，如果光伏技术被广泛用于初级或二次能源需求。
未来发展的纳米结构的南海将关注未来发展的供应链效率。
利用纳米结构材料的物理和化学性质的纳米结构材料的动机出现了。流形的研究活动一直专注于纳米结构材料在太阳能转换领域的应用。特殊的物理效应，涉及到纳米级的规模，增加有趣的宏观特性。目前调查，正如上面所讨论的，直接相关的纳米结构材料的新现象。由于纳米技术是一个领域的相当大的研究活动，这一发现可能引发太阳能技术的主要兴趣。Review on the application of nanostructure materials in solar cells Elham N.Afshar(Department of New Technologies, University of Tabriz, Tabriz 51566, Iran Georgi Xosrovashvili Department of Engineering, Ilia Chavchavadze State University,Kutaisi, 4600 Tbilisi, Georgia Rasoul Rouhi and Nima E.Gorji ∗Department of New Technologies, University of Tabriz, Tabriz 51566, Iran)Abstract: In recent years, nanostructure materials have opened a promising route to future of the renewable sources, especially in the solar cells.This paper considers the advantages of nanostructure materials in improving the performance and stability of the solar cell structures.These structures have been employed for various performance/energy con-version enhancement strategies.Here, we have investigated four types of nanostructures applied in solar cells, where all of them are named as quantum solar cells.We have also discussed recent development of quantum dot nanoparticles and carbon nanotubesenabling quantum solar cells to be competitive with the conventional solar cells.Fur-thermore, the advantages, disadvantages and industrializing challenges of nanostructured solar cells have been investigated.
第四篇：陶瓷产品创新设计研究论文
0引言
中国传统设计美学的实践与理论根植于东方土壤，传统思想中对生命的存在价值与意义均有着智慧的思索，包涵着对人、生活、世界生生不息的生命情感、存在意义以及人生境界的追寻与认同。禅学作为中国传统文化中的重要精神内核，纵观禅宗在与传统的儒、道思想融合的发展过程中体现了巨大的适应性与生命力。陶瓷产品作为典型的固态化文化形态载体，其设计审美的本质是借助设计载体对自我内在的世界观与价值观等精神活动进行表达。从文化与禅意美学的思维高度去审视陶瓷产品设计，对传统造物文化进行回溯，探寻器物的深层次精神体验与时代文化发展的内在逻辑，将设计理性与感性融汇，使文化在扬弃中重塑与传承，建构文化的现代性价值与大众审美认知。这种创新设计思路可以调整设计师功利的价值取向，超越机械僵化的思维形式，探索更为本真的思维形态，消解现代大生产技术背景下与传统文化间的排斥，强化人与器物的情感交流与记忆联结，指导当代陶瓷产品设计实践层面重建文化抱负与文化自信，一定程度上提升文化竞争软实力。
1禅意美学下的陶瓷产品的诗性特征
中国美学一直以来关注诗学标准与心灵体验，通过诗意情感延伸主体的客观形态，以心通物是重要的造物智慧。陶瓷产品设计的诗性指设计的象外之象、言外之旨，设计本身创建宁静、感动、想象等模糊的精神层面的原型能量与深远的如诗般的感知体验。与诗的特性相通，陶瓷产品设计也在禅意美学引导下形成高度概括与凝练的设计语汇，传递出或洗练、飘逸、含蓄的情感性与或宁静、静谧、悠远的生命性，使设计彰显本真涵义与终极价值，使产品“忘其形而存其意”，激活“无用之用”的深层文化价值。“禅是诗，是哲学，是道德，只要有生命活动的地方，就有禅”。禅体现为一种生活的艺术与生活的方式，禅意美学可以为陶瓷产品设计注入鲜活血液，使其由形态审美向生命功能的审美进行偏移，使陶瓷产品设计最终达到“求真、臻善、趋美”。禅意美学下的陶瓷产品诗性特征主要体现在如下三个方面：（1）体现道法自然的和谐关系。关注传统造物思想中孜孜追求天、物、人整体和谐的境界与正、清、和、雅的精神，彻悟万物本然的面貌，打破自然的界限，从日常的情境出发，还原自然的生态之美并对自然之道高度关注。（2）烘托意境的时空审美。设计手法中借助动与静、情与景、意与象、形与神，使主观生命精神与客观器物进行交融互渗，以意象的思维范式提供体悟直至人心，寄托自然、映照天地、宁静淡远、怡情悦性，关注使用者的情感体验，使得产品具备多元意蕴与细致入微的诗兴之思。（3）强调生命永恒的形上思辨。设计具备生命特质与生命情感，充满生命活力与生命内涵，向更纯粹的精神领域衍化，使产品与生命在有限空间内谐和共振，使观者探寻深层精神体验，进而产生慰藉与顿悟，赋予产品直达人心的感性灵魂，建构审美心理结构，设计价值也因时间而隐射永续。
2禅意美学下的陶瓷产品的诗性语言修辞
陶瓷产品设计实践活动以器物功能为导向的物质需求与情感期望为导向的精神需求两个向度共时性展开，禅意美学下的陶瓷产品塑造需脱离现实语法桎梏，延伸到生命本体领域，涵容存在形式和精神实质两方面，通过产品传递生命生生不息的和谐状态与永恒的生命力特质。
2.1自然写意隐喻
在中国传统文化的哲学命题语境中，自然是一个主体与环境、人性与神性、物质与精神的特殊命题。人在造物过程中对人与自然关系的梳理中孕育了设计艺术的审美，并将审美从对物的静态关照移向人在使用中的生命有机体验。禅宗哲学中自然是能量，同时禅是人人所具有的能量，禅宗主张在日常生活中去对无限的宇宙本体进行体验，人与自然是共生共化的物我和谐化一的密切关系，人与自然的交流过程可以产生情感共振与融合，启动审美领域对形而上的本体的直觉体验，以情释性，产生“妙悟”、“禅悟”的内心之道，最终完成诗意化生存。隐喻作为符号修辞的一种方式与语用现象，在陶瓷产品设计中具有一定的开放性，往往指通过简单的形态语义本体表达复杂的事物与事理，通过艺术意境的塑造引发观者延伸联想，寄寓无法意释的精神世界。陶瓷产品设计中的禅意美学塑造中的自然写意要素源于自然，设计“近而不浮，远而不尽”，在领悟自然的过程中传递自然中的生命美感，引发使用者拥抱自然，与自然浑然一体。由于设计语言具备异质同构性的特征，自然写意符号系统的转换具备超越时空的特殊审美涵义与精神能量的传递，通过自然形态的隐喻，直观传递自然之道，通过自然物象使精神净化，最终达到观者心灵感知的浸润与体悟。设计师贾伟的《高山流水》香台(图1）整体造型以瓷的圆润与细腻体现香台的沉着静敛，使用过程中烟气挪移，青烟如同云海瀑布，方寸间彰显生命的转瞬与天地的永恒，充满生命张力与宇宙本体的禅境。禅学态度下的陶瓷产品设计将设计导向返璞归真的人与自然的和谐智慧，俯察天地自然，突破时间维度，以空间的角度进行诠释，探索求真艺术化的自然，将设计中主题的时间维度与空间维度进行融合，用心理时空代替重组自然时空，在自然山水中涤净心灵，追求赋予产品生命意象与自然秉性，保持自身的虚静心理状态，如诗入境般体现禅意美学的人文意蕴与价值回归。
2.2语境意象引借
产品的灵性蕴含在使用者心理意象的思维活动中。意象是将视觉思维与心理感受统一的媒介与桥梁。引借作为诗歌中的互文形式通常为诗歌传递含蓄与悠远的诗歌品质。鉴于思维意象的选择性特征，设计不是对主体形象进行简单的复制，而是对形象的总体结构特征进行选择与抽象简化演变，通过设计的外在“映象”转化为胸中“意象”，最终经由观者的感性经验转化为艺术作品的禅韵“境象”，形成“简而能远，淡而有味，意境空阔”的禅境审美风范。在禅宗哲学中把心念专注在某件事情上并非禅的真正本意，禅的本意是如物之所如去观物的本身，一切自在来去。《檀钓》香座（图2）取自“孤舟蓑笠翁，独钓寒江雪”的古诗悠远意境，捕捉蓑翁形象的突出意象特征，并抽象简化为简洁素朴特征的造型属性结构，坐拥江山，激荡回旋，香气氤氲，禅机隐现，沉静中不失灵动。通过使用者主观的想象力的投射，与江山、山水等象征形象产生联结，激活记忆与联想，进而融合产生感性的精神维度的禅境想象、丰富审美的层次并在禅意中心性浸入与灵魂净化。设计中需将陶瓷产品的合规律性与合目的性进行意向脉络的统一，在形象鲜明的造型中超越形式的简单模拟，上升至引导观者进入内敛物象境界的审美体验，留下广阔的联想空间与画外之旨，最终达到“从心所欲”的自由与“亦实亦虚”之禅境。
2.3交互秩序映射
通过主客体间的交互秩序构建情感体验，强化陶瓷产品叙事的感染力。禅宗哲学中崇尚“动静不二”与“因缘而合”。通过陶瓷产品交互过程的“动境”，演化到人与自然的“画境”，诗意传达“意境”。“禅师动中的极静，是静中的极动，寂而常照，动而常寂，动静不二，直探生命的本原。”《窗境》茶具（图3）整体设计营造出清明洁净的产品形象，通过泡茶的体验过程让使用者获得美感，透过镂空的窗格观看沏茶过程的壶中天地，如同在南方古典园林中透过窗户欣赏美景，看着片片绿色茶叶水中漂浮继而慢慢沉入壶底，完成从动态到静态的过程交互。于审美中感受自然之物，万籁皆空中坐拥宁静，借茶益思并引发观者的诗情与画意，茶具设计中师法自然营造静谧与清净，而其中的忘物与精神寄托也一定程度上体现了禅学思想中的超越时间与空间观念的物我两忘的境界。陶瓷产品设计中可以通过交互秩序建立人与产品间的对话与思考，使人、产品、心、境高度贯通，穿透时空界限组成空间场景，传递审美意境的圆融以及精神层面的交流与物我合一的融汇，进而涤荡观者精神世界，营造空明的心境。
3禅意美学下的陶瓷产品诗性语言语形秩序
禅宗的教义精神精髓是“般若”和“佛性”的观念。“般若”强调“一切皆空”，“佛性”主张“顿悟”，两者综合致力于启发人的悟性。在陶瓷产品语形塑造中，亦应重视对知觉经验的把握，使观者通过观念回归禅意美学价值观。
3.1空寂净素之美
通过设计手法上的“无为而为”与“以静制动”，对内容、符号、色彩进行制约性控制，如图4通过形式的极简凸显产品的本质意义与内涵。充实的精神留白、回归本源的朴素色调，在禅宗传统美学的辩证观念中，“实”与“虚”、“有限”与“无限”、“空”与“满”之间存在隐喻关联，极简造型诠释对大者无形的追求，通过简素与节制沉淀洗练美感，并给人以最大限度的思考。
3.2瞬间永恒之美
禅宗哲学中的“顿悟”是指某一瞬间突然醒悟，设计中模拟自然情境，从最平凡的语形中诠释生命之美，通过无意识感受激发瞬时共鸣，关注感性与直觉的体验与内心体悟，唤醒沉睡的感官以及平静、谦卑的心性，达到人与自然心性的联结。
4结语
禅宗的终极目的是超越现世的有限性和生命的非绝对自由状态，提升至生命永恒的绝对自由境界。陶瓷产品设计本身作为文化维度的重要认知路径，可以实现文化观念的表意与外化。立足于禅宗哲学内涵，突破传统陶瓷与现代陶瓷的双向禁锢，陶瓷产品设计目标将物质客体的静观转向为使用者、陶瓷产品与自然宇宙所共同组成的有机生命体，超越产品本身的功利性，扩大其生命方式转向禅的精神层面进行抽象与思辨，以精练的设计语言创造禅意美学观，以禅意美学情态作为审美框架，使产品超物质性升华到诗意主体性的存在，融入文化形态与审美意识，完成意与境高度契合的美学意义的建构，进而体验从形而下到形而上的超越。通过陶瓷产品传递体悟自然之道与天地之美，传递给使用者体悟深层的生命内涵促使向生命本真的价值进行回归，体现对生命的深层关照，展示禅文化的永恒活态魅力，达到审美精神的最终归宿，实现从“物以致用”到“用以致情”。
参考文献：
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第五篇：机械创新论文：机械产品创新设计研究
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机械创新论文：
机械产品创新设计研究
【摘要】 我国制造业的工业增加值已经进入世界前四位,成了制造大国,但远远不是制造强国,与发达国家的差距还很大,主要表现在产品的性能和品质上,更为关键的是缺乏自主知识产权,缺乏自主创新产品。要求加快机械产品的现代设计理论与方法学研究,走可持续发展的道路。
【关键词】 机械;创新;制造业
一、机械产品创新设计的原则
(一)经济效益最好原则
设计的机械零件既要功能满足客户要求,又要成本低廉。考虑经济最佳性必须从设计和制造两个方面上入手。设计上保证合理的原理方案,选用正确的材料;制造上考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。
(二)生态效益最好原则
不论是在产品制造过程中,还是在产品使用过程中,都要求产品对周围环境“零污染”。这就要求在设计过程中尽量选择低污染的材料及零部件,避免选用有毒、有害和有辐射性的材料。
(三)安全可靠原则
安全可靠是机械产品品质的保证,必须确定零件在强度、刚度、耐磨性、稳定性及热平衡性上满足设计要求。对于重型机械,一般要求有自锁装置和保险装置,以确保操作员人身安全。
二、机械产品创新设计方法研究
(一)创新技术主题的确定与分类
搜集的专利可以分为发明专利、实用新型专利和外观设计专利。发明和实用新型专利的说明书提供了发明或实用新型的技术特征,清楚、简要地表述请求专利保护的范围。外观设计专利提供了该外观设计的图片或照片,必要时会作一定的简要说明。在专利局专利分类方法的基础上,结合一般产品的特点,提出了一般产品创新技术主题的确定与分类方法。创新技术主题的确定应当以权利要求书为主,并适当结合说明书(包括说明书附图)。以权利要求书为主确定技术主题,应当完整地掌握权利要求中所记载的技术内容,如以独立权利要求来确定技术主题时,则应当将其前序部分记载的技术特征和特征部分记载的技术特征结合起来确定。下面以钻夹头为例,确定创新技术主题的方法有:
(1)对于发明专利和实用新型专利,一般情况下以独立权利要求中的前序部分记载的技术特征为主,将特征部分记载的技术特征看作是对前序部分的限定。例:一种新型锁紧式钻夹头,其特征在于:空心钻体的前端开有一截面为三角形的环形沟槽,所述前套的前端与该沟槽卡接。创新技术主题:以前套与丝母套之间的沟槽卡接为特征的锁紧式钻夹头。
(2)对于发明专利和实用新型专利的特殊情况,即独立权利要求中前序部分所描述的对象在分类表中没有确切位置的,以特征部分记载的技术特征为主,将前序部分记载的技术特征看作是对特征部分的限定。例:一种钻夹头,包括有一前套、一后套、一空心钻体和一丝母,在所述空心钻体中部台阶面与所述丝母后端面之间安装有一组滚珠,其特征在于:所述丝母为一整体结构件。创新技术主题:钻夹头的丝母为一整体结构件。
(二)基于专利的产品创新设计过程
创新的途径很多但它们都需要大量的已有知识和经验的支持。实践证明,除了基本的科学技术知识外,专利信息已经成为实现创新的最有效的知识来源之一。作为前人创新成果的结晶,相对其他知识,专利更富有创新性,技术含量高,可用性强因此,基于专利实现创新,就像
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站在前人的肩膀上实现创新,使创新开始就处于一个较高的基础上,大大提高创新效率和创新质量。通过将创新设计系统与制造行业PDM的集成,提出了基于专利和PDM的创新设计方法,其创新设计过程(如图1所示)。
产品配置是产品创新设计中的一项重点工作,根据制造企业的实际需求,采用三个层次的机械产品配置设计方法,分别是:基于零部件数据库的交互设计、基于历史的产品嫁接设计、基于规则的产品配置设计。
经过对相关制造企业的深入调查和分析,提出了基于专利技术和PDM的产品创新设计方法。该方法支持一般产品的开发创新和快速变型设计,提高零部件和生产过程标准化。通过将基于专利的产品创新设计方法和生产管理技术引入企业,必将增强企业的产品创新能力、有助于企业快速响应客户需求、提升管理水平,提高企业在市场中的综合竞争能力。
参考文献
[1]高常青.机械产品快速创新设计及其关键技术的研究[D].山东大学.202_
[2]郭国选.突破机械产品创新设计的思维障碍[J].矿山机械.202_(18)
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