用于户外设备充电的太阳能供电野餐桌的开源设计 Sara Khan 和 Joshua M. Pearce

《Technologies》：Open-Source Design of Solar-Powered Picnic Table for Outdoor Device Charging Sara Khan and Joshua M. Pearce

　　摘要：随着电子设备的普遍使用，户外充电功能变得至关重要。一种成功的解决方案是采用太阳能光伏（PV）供电的野餐桌，但现有设计存在一些局限性，包括专有设计限制了复制或修改，以及成本高昂。本研究通过展示一种新型开源太阳能野餐桌的设计来克服这些局限性，该餐桌由回收利用的废弃光伏板和再生塑料木材制成。这种开源的太阳能野餐桌既具有传统野餐桌的功能，又能提供电力充电服务，支持学习与连接。系统集成了320瓦的光伏模块、最大功率点充电控制器和12伏的LiFePO4电池，实现了可靠的离网电力生成和储存。该设备在真实户外使用条件下进行了验证，测试了包括智能手机、平板电脑和笔记本电脑在内的各种设备在一天中不同时间点的单独或同时连接情况下的充电性能。此外，该产品的材料成本也较为合理。

1. 引言
随着时间的推移，电子设备的使用越来越普遍[1]，这增加了能源需求[2]，进而对环境产生了负面影响[3]。在室内，电子设备可以通过电网充电。由于快速脱碳[4]，这种充电方式对环境的影响正在减弱。这主要归功于太阳能光伏（PV）系统的快速发展，它是历史上以来发电成本最低的能源形式[5]。然而，在大多数地区，即使是发达社区，户外电力供应也有限或缺乏[6]。例如，大学校园内很少有对师生开放的外部充电电源[7]。学生和其他人对电子设备的日常依赖程度很高[8]。虽然电池使人们能够在户外工作，但人们对可靠的户外充电选项的需求正在增长，大量文献也表明户外充电在学术场景中具有积极意义[9]。随着人们越来越依赖电子设备进行学习、交流和日常活动，户外可靠电力的获取已成为一个日益严峻的挑战[10]。太阳能野餐桌通过结合实用性与可持续性满足了这一需求，减少了对电网电力的依赖。学术和公共环境中已经有多个项目证明了太阳能野餐桌和长椅的可行性。例如，有一项研究开发了带桌面和顶篷安装面板的太阳能野餐桌，适用于大学环境[12]；另一项项目提出了结合太阳能充电和环境传感器的“智能桌”，既方便用户使用，又能收集数据[13]；最近还有一个带有集成照明和移动充电功能的智能长椅项目[14]。此外，加州理工大学的学生主导的太阳能野餐桌项目[15]、伊利诺伊大学的Solar-Powered Outdoor Table (SPOT)[16]以及乔治亚大学的太阳能野餐桌项目[17]都显示了将座椅设施与可再生能源结合以支持校园可持续发展目标的日益增长的兴趣。市场上也出现了商用产品，如EnerFusion的Solar Power-Dok[18]和SELS的ST1010太阳能充电桌[19]，这些产品支持USB、无线充电和交流电源输出。EnerFusion的“Aurora Solar Picnic Table”型号的显著特点是光伏板安装在顶篷结构上，根据顶篷配置不同，价格约为10,965美元（不含运费和处理费[20]；SELS的ST1010太阳能野餐桌则结合了充电和连接功能，价格约为3,100美元[21]。尽管这些例子证明了太阳能户外系统的可行性和用户吸引力，但它们仍存在一些局限性：（i）专有设计，（ii）成本高昂，（iii）复制或修改的难度较大。本文通过介绍一种新型开源太阳能野餐桌的设计来解决这些问题。遵循标准的开源硬件设计实践[22]，所提供的信息包括完整的材料清单、详细的接线图和CAD结构图，并以允许复制和修改的许可证公开共享[23]。为了进一步提高设计的环境可持续性，该项目还使用了回收的光伏板和再生塑料木材，从而增加了材料再利用和耐久性的可持续性维度。与以往的研究[12,13,14,15,16,17,18,19]不同，该项目确保设计的每个组件都可以在全球不同环境中被复制、调整和改进。通过这项研究，不仅展示了光伏供电座椅在户外充电方面的可行性，还提供了一个开源且低成本的解决方案，可供大学、社区和公共组织轻松采用。具体而言，这款开源太阳能野餐桌具有以下特点：
- 机械上作为传统野餐桌使用，并具备充电功能；
- 集成了废弃的光伏板、电池、最大功率点（MPPT）充电控制器和USB端口；
- 通过可再生能源和再生材料促进可持续性；
- 在校园内提供电力，支持学习和连接。

2. 材料与方法
该项目采用了基于开源硬件的实用设计与实现方法[24]。餐桌的尺寸基于西安大略大学的现有野餐桌，但经过调整以适应在安大略省大规模光伏阵列更换时废弃的光伏模块。本研究中使用的是Heliene Inc.（位于加拿大索尔特圣玛丽）制造的多晶Heliene 72M 320瓦光伏板，其标称功率为320瓦[25]。该模块制造于2014年10月，测试时（2025-2026年）已运行约11年。安装前进行了基本性能测试，测量开路电压（Voc）和短路电流（Isc），分别为40-41伏和8-8.5安培，略低于制造商规定的数值，这与预期的老化和非标准测试条件一致。光伏模块通常在保修期结束后（通常为20-30年）被视为“废弃”，但实际上许多模块在该期限后仍能保持相当大的输出功率。基于晶硅电池的光伏模块的年度衰减率一般在0.2%到0.8%之间，全球中位数约为每年0.5%，表明即使在25年后，许多模块仍能提供初始容量的85-90%，具体取决于环境条件和维护情况[26]。来自美国不同气候区的23个光伏系统的长期实地数据显示，年均衰减率为0.5-0.6%，许多系统在三十年后仍能完全运行[27]。此外，材料、封装和制造工艺的最新进展显著提高了模块的耐用性，研究表明现代光伏模块在典型野外条件下可以可靠运行30年或更长时间[28]。证据表明，光伏模块的衰减主要是由于湿度、紫外线照射和温度变化等环境因素，而非材料本身的缺陷[29]。加拿大专业工程师协会指出，许多光伏系统在其25年保修期后仍能继续发电，为废弃模块在社区项目或教育基础设施等二次应用中再利用提供了机会[30]。可以使用集成在逆变器中的在线诊断工具[31]或I-V曲线追踪器快速评估旧模块的性能。尽管保修期结束通常被视为使用寿命的终结，但许多模块仍能可靠运行多年，非常适合用于开源的小型系统，如太阳能野餐桌。

3. 结构与材料清单
构建这款开源太阳能野餐桌所需的所有材料详见表1。餐桌结构采用加拿大安大略省GreenWell Plastics公司的再生塑料木材制成，该公司将填埋塑料转化为新产品和资源。如表1所示，大多数组件（按数量和总质量计算）均为再生或再利用材料，旨在最小化对环境的影响。

4. 电气设计
使用Onshape（位于美国马萨诸塞州波士顿的PTC公司提供的在线CAD平台[32]创建了完整的CAD模型。太阳能野餐桌配备了直接集成在桌面上的光伏板、最大功率点（MPPT）充电控制器、用于能量储存的电池以及USB输出端口。性能测试在真实户外条件下进行，重点关注电压、电流和设备充电能力等关键参数。通过多次测试评估了太阳能野餐桌的充电性能。首先进行单负载测试，连接一个USB设备在正常阳光下记录充电电压、电流和时间，确定基准性能；其次进行多负载测试，同时连接多个USB端口观察系统在多个设备连接时的表现；最后通过断开光伏输入来模拟阴天或夜间条件下的电池单独运行情况。这些测试综合评估了系统在不同环境和负载条件下的充电可靠性和能量管理能力。

5. 结论
本研究通过展示一种新型开源太阳能野餐桌的设计，解决了现有技术的一些局限性。与以往的智能野餐桌设计相比，该设计在环境可持续性方面有所改进，使用了回收的光伏板和再生塑料木材。具体来说，这款开源太阳能野餐桌具有以下特点：
- 机械上作为传统野餐桌使用，并具备充电功能；
- 集成了废弃的光伏板、电池、MPPT充电控制器和USB端口；
- 通过可再生能源和再生材料促进可持续性；
- 在校园内提供电力，支持学习与连接。MPPT的电池输出端子连接到一个12伏、10安时的磷酸铁锂（LiFePO4）电池组上，该电池组在太阳能供应不足或无法提供的情况下提供能量存储，例如在多云天气或夜间使用时。图4显示了这款开源太阳能供电野餐桌的电气部件示意图。红线表示正极连接，黑线表示负极连接。2.4 验证：这款太阳能供电野餐桌在实际户外使用条件下进行了验证，使用了日常用户设备（包括智能手机、平板电脑和笔记本电脑），并在一天中的不同时间进行了测试。这些设备在白天和夜间都进行了连接。在白天，当光伏模块发电时加载了设备；而在日落后，当光伏发电量为零时也继续连接设备。为了模拟校园内的实际集体使用情况，还进行了同时给多个设备充电的额外测试。所有测量数据都是使用Victron Connect移动应用程序v6.10 [38] 通过蓝牙连接到SmartSolar MPPT控制器获得的。该应用程序提供了关于光伏电压和功率、电池电压和电流以及负载电流的实时和历史数据。在每次测试过程中，通过界面观察了电力供应情况以及电池的响应情况。这些测试证实，该系统不仅能够可靠地为设备充电，还能在真实户外条件下自主管理太阳能发电、储能和负载之间的能量流动。3月27日，在加拿大安大略省伦敦市对系统进行了额外的现场测试，以评估其在实际环境条件和部分遮挡下的性能。环境温度和太阳辐照度数据来自德国Solar Corp.（加拿大安大略省伦敦市）[39] 安装的附近气象站[39]，以确保环境特征的准确性。3. 结果：在获得所有材料清单中的组件后，两个人合作分几个步骤完成了这款太阳能供电野餐桌的组装。首先，根据表2中提供的切割图纸测量、标记并切割回收的塑料木材至所需尺寸。接下来按照图1、图2和图3的说明组装系统的机械部件。最后安装光伏板和电气组件，包括安装光伏板以及按照图4连接MPPT充电控制器、电池和USB充电端口。整个组装和设置过程大约花费了一天时间。完成的开源太阳能供电野餐桌的照片见图5和图6。该餐桌被安装在加拿大安大略省西安大略大学的工程花园中，作为功能性的户外工作区和设计方案的展示。使用Victron Connect应用程序[38]记录的初步结果显示了实时光伏发电量、电池状况和能源消耗情况。图7展示了一个代表性的运行截图，在该时刻光伏模块产生了大约70瓦（39.88伏、1.8安）的电力。同时，电池电压约为13.69伏，控制器显示电池正在充电。图8展示了一个在没有阳光条件下的测试情况。在这段时间内（傍晚），光伏模块没有发电。当连接设备时，负载电流（蓝色轨迹）增加，而电池电流（橙色轨迹）变为负值，表明电池正在为连接的设备供电。这验证了即使在没有太阳光的情况下，系统也能继续提供充电功能。图9展示了系统每天运行的历史数据。在记录到最高能耗的一天，同时连接了三个设备进行测试。当天总负载能量约为50瓦时，光伏模块达到了约73瓦的峰值功率。尽管有多个设备同时使用电力，系统仍能不间断运行。系统效率基于系统架构和组件规格进行评估。由于系统完全在直流领域工作，转换损耗被最小化。根据制造商的规格[40]，MPPT充电控制器的峰值效率约为98%，而额外的损耗主要限于电池充放电和USB转换。由于导体长度较短，电阻（I2R）损耗可以忽略不计。总体而言，由于其直流耦合设计和最少的转换环节，系统预计能高效运行。相反，在没有外部设备连接的情况下，每天记录的能耗为10瓦时。图9还展示了在无阳光条件下的系统运行情况。为了进一步评估部分遮挡的影响，在一个晴朗的日子里进行了1.5小时的现场测试。测试期间，太阳辐照度在大约848至935瓦/平方米之间，平均约为908瓦/平方米，环境温度在大约-2.0至0.45摄氏度之间变化。最初连接了一个电量剩余75%的电源组，消耗了大约14瓦的电力，全部由光伏系统提供。然后添加了另一个电量剩余23%的电源组，使总负载增加到大约26瓦，这也完全由光伏系统支持。接下来连接了一台电量剩余25%的笔记本电脑（图10），总需求增加到大约57瓦。这些设备造成了部分遮挡，但光伏发电量仍能够满足充电需求。为了进一步测试部分遮挡效应，故意用电子设备和其他物品遮挡了大约30%的光伏表面。在这些条件下，光伏输出约为35瓦，剩余的需求由电池提供（图11）。这种输出减少是由于部分遮挡、云层影响和面板暴露不佳共同导致的。移除遮挡物后，光伏输出立即恢复，向负载提供了大约55瓦的电力，同时总发电量达到了70瓦，多余的电力用于给电池充电（图12）。这表明光伏性能对部分遮挡非常敏感，并证实了系统在充足的太阳光条件下能够同时为负载供电和充电。图13和图14展示了学生们使用这款太阳能供电野餐桌的照片，捕捉了他们在校园内实际使用系统的情景。这些照片展示了桌子如何提供便捷的电力来源和舒适的办公空间，促进了户外学习、社交互动和可持续技术的应用。4. 讨论：为学生提供在自然融合的校园空间（如使用太阳能供电野餐桌）中度过时间的机会，与大量证据相符，这些证据表明接触自然可以改善心理健康、认知表现和社会情感发展。在校期间定期进行户外活动与减少压力、提高注意力、增强韧性和改善身体健康有关[41]。一项关于基于自然的户外学习的系统评价报告了学生在参与度、自我调节、社交技能和学术成绩方面的提升[42]。同样，对文献的综合回顾强调了定期接触绿地对情绪、注意力恢复、认知功能和睡眠质量的积极影响[43]。相关证据进一步表明，户外时间与学术表现的提高有关。一项基于学校的研究通过客观监测发现，每天大约2.3小时的户外时间与多个学科的高学术成就相关，且不会影响学习时间，这挑战了传统观点，即户外时间会分散学习注意力[44]。除了认知和学术上的好处外，户外环境还对支持社会情感学习起着关键作用。与加拿大教育工作者的定性研究显示，户外学习环境促进了学生的自主性、合作精神、情绪调节和自信心[45]。这些发现表明，在校园内整合可用的户外学习基础设施（能够为电子设备供电）对学生福祉有着积极的支持作用，符合全面发展目标。此外，野餐桌使用回收塑料木材提高了户外校园基础设施的耐用性和可持续性。回收塑料木材在户外环境中具有很高的持久性，因为常见的聚合物结构抗微生物降解和吸湿[46]。由于塑料通常会分解成小颗粒而不会生物降解，材料在暴露条件下能够保持长期完整性[47]。塑料材料在自然环境中可以持续存在数百年，因为它们的降解速度很慢[48]。此外，当使用紫外线稳定添加剂制造时，木塑复合木材具有稳定的机械性能和较强的耐候性[49]。这些特性表明，回收塑料木材为校园应用提供了一种坚固、低维护且环保的替代材料。众所周知，太阳能光伏是一种可持续能源[50]，但这项技术仍面临使用寿命结束后的环境影响问题[51]。当有激励措施或法规时，回收传统层压面板通常是经济可行的[52]，而循环利用的光伏面板设计在聚合物基光伏[53]和玻璃基光伏[54]方面相对较少研究。目前有一些针对循环光伏生态系统的研究方法[55,56]。尽管光伏技术常用于大规模商业和公用事业项目，但文献表明它们也可以有效适应规模较小的离网基础设施，其模块化设计和功率密度仍然具有优势[55]。例如，在一项农光复合研究中，重新使用的光伏模块在一个384平方米的园艺区域维护了超过0.93的强性能比率，表明即使改作其他用途，二手面板也能保持可靠的能源输出[57]。此外，对退役光伏阵列的实地调查显示，超过20年的组件中仍有很大一部分适合重新部署，从而继续发电而不是被丢弃[58]。进一步的分析表明，系统组件的再利用（如支架和逆变器）可以延长使用寿命，并减少循环经济供应链中的材料需求[56]。对二次使用的太阳能系统进行的时间明确的生命周期评估也显示，环境“足迹”（通过避免电网用电和替代新生产实现的效益）在连续运行几年后超过了与再利用相关的“足迹”，这强调了重新部署组件而非过早回收的可持续性优势[59]。总的来说，这些发现支持将原本为大型系统设计的光伏组件整合到小型离网设施中，例如这里开源的太阳能动力野餐桌，这样可以充分利用它们的剩余发电潜力，而不是将其丢弃。

市场上现有的商用太阳能动力野餐桌比本研究中开发的原型要昂贵得多。例如，如[19,46]中描述的商用太阳能充电野餐桌通常售价数千美元，而这里介绍的野餐桌设计方案的材料成本大约为450美元。与典型的商业产品相比，这代表了材料成本减少了90%以上。由于材料成本相对较低，并且使用了常见的组件，所提出的设计可以在大学环境中利用现有的制造空间或学生主导的可持续性项目来建造。尽管开放式硬件众所周知比专有硬件更便宜[60]，但这并不是一个全面的经济分析，因为这里没有包括劳动力成本，主要是因为劳动力成本在全球范围内差异很大。以加拿大的大学环境为例，劳动力成本可能从博士后人员的35美元/小时到班级或学生俱乐部项目的0美元不等。这样的项目可以提供有关可再生能源系统、基础电子学和制造的实践经验，同时也能扩大校园内户外充电基础设施的可用性。与通常为专有产品且作为完整集成产品制造的商用系统不同，这里展示的野餐桌基于开放式和模块化设计，使用广泛可用的组件，使其更容易复制、维修和适应不同的应用。

虽然太阳能动力野餐桌的原型展示了可靠的功能和用户便利性，但仍存在一些局限性。本研究中的测试仅限于短期实地评估，没有包括完整的季节性评估。在所测试条件下获得的结果表明，系统性能取决于可用的辐照度，在较低的光照条件下输出会减少。在像加拿大这样的寒冷气候中，由于积雪、结冰和维护限制，户外基础设施（包括野餐桌）在冬季往往无法使用。安装的野餐桌也在冬季受到了同样的影响，使用区域在冬季无法进入。因此，该系统在冬季条件下的实际可用性和性能仍然不确定。然而，即使在低辐照度和积雪条件下，光伏模块和电池也能通过保持最大功率点（MPPT）激活来维持系统运行。这在一定程度上是因为气候变化导致加拿大的降雪量减少，预计这将成为光伏系统雪损失的一个次要因素[61]。所提出的设计主要针对基于USB的充电进行了优化，这限制了其只能用于手机、平板电脑和支持USB-C输入的特定笔记本电脑。传统的旧款笔记本电脑和高功率电子设备无法直接使用现有设置进行充电。此外，该系统的发电能力仅限于一个重新使用的光伏模块，在低辐照度或高需求条件下总功率受到限制。未来的发展可以致力于解决这些局限性。未来的迭代版本可以探索能够更好地集成到桌面中的定制光伏板，从而提高美观性和能源输出。将测试多个光伏模块以增加总功率容量，支持更高功率的负载，如标准笔记本电脑、电动自行车和小型直流电器。下一个版本还可以包括一个小型交流逆变器，提供标准交流电源，允许用户直接将常规笔记本电脑充电器、电动自行车充电器或其他小型电子设备插入桌面。这也为将更高功率的太阳能野餐桌组合成直流纳米电网[62]或更复杂的拓扑结构[63]用于更大规模的户外野餐区提供了可能性。这些改进将扩展野餐桌的功能，同时保持其开源、可持续和用户友好的设计理念。

5. 结论
本研究开发了一种低成本的开源太阳能动力野餐桌，旨在为电子设备提供户外充电功能。该系统集成了一个320瓦的光伏模块、最大功率点（MPPT）充电控制器和12伏锂铁磷酸盐（LiFePO4）电池，实现了可靠的离网发电和储能。实地测试确认了系统的稳定运行，在多台设备连接使用时，每日能量输出可达约50瓦时。尽管具有这些功能，材料总成本仅为约450美元，比商用太阳能充电野餐桌便宜90-95%。该结构使用回收塑料木材和重新使用的光伏模块建造，进一步提高可持续性，同时保持了户外使用的耐用性。整个建造过程只需一天时间，使用容易获得的组件就可以制造出实用的户外充电基础设施。这些结果表明，开源太阳能家具可以提供一种经济实惠且可复制的办法，以扩大户外环境中的可再生能源充电接入。