太陽能轎車天窗的設計研究

龐小蘭

（肇慶科技職業技術學院，廣東肇慶 526114）

傳統的石油資源日益枯竭，人們對石油資源的依賴性和石油儲量的不斷銳減形成了鮮明的反差.汽車產業的蓬勃發展也給社會環境帶來了一定的壓力，尋找新能源解決方案是汽車發展的新課題.

太陽能是一種可再生能源，取之不盡、使用安全，引起了人們的極大關注,太陽能電池是開發利用太陽能最有效的方法之一.太陽能電池是利用太陽光和材料相互作用直接產生電能的，是對環境無污染的可再生能源，它的應用可以解決社會發展在能源需求方面的問題.

太陽能是一種儲量極其豐富的潔凈能源，太陽每年向地面輸送的能量高達 3×1024焦耳，相當于世界年耗能量的1.5萬倍.因此太陽能電池作為人們利用可持續的太陽能資源，是解決世界范圍內的能源危機和環境問題的一條重要途徑，[1]因此近幾年對于太陽能汽車的研究已經日益增多.所謂太陽能汽車就是利用太陽能電池將太陽能轉換為電能，并利用該電能驅動車輛行駛.太陽能汽車由于其零污染、能源用之不竭，代表了汽車發展的新水平，因此被人們稱為“未來汽車”.因為目前太陽能汽車還有一些不能逾越的障礙，太陽能電池的轉換效率不高，太陽能輻射功率單位面積比較小，而價格又比較昂貴，所以目前太陽能汽車離我們的生活還比較遙遠.而將太陽能汽車的概念實際化應用，讓太陽能汽車這種尚未得以普及的意念實際應用成為目前汽車或者是電動汽車上的一個部件，通過轎車天窗和太陽能電池模塊的一體化設計，來實現轎車發動機不啟動時的電源供給，從而使車內排氣扇工作，達到停車通風的效果，改善車內的空氣質量.

1 太陽能介紹

太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉換部件才能轉換成電能.太陽能電池就是一種直接將太陽能轉換為電能的轉換部件.它的物理基礎是兩種不同半導體材料構成的大面積P-N結，以及非平衡少數載流子在P-N結內建電場作用下形成的漂移電流.用適當波長的光照射到半導體P-N結時，半導體吸收光能后，半導體內的原子獲得光能后產生電子—空穴對，并在勢壘區內建電場的作用下，發生漂移運動而分離，電子被送入N型區，空穴被送入P型區，從而使N型區有過剩的電子，P型區有過剩的空穴.這樣，就在P-N結的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場.光生電場的一部分與內建電場相抵消，其余的使 P型區帶正電，N型區帶負電，這種現象被稱為光生伏特效應，故太陽能電池通常又稱為光伏電池.這樣P型區和N型區產生的光生載流子，在內建電場的作用下，反方向穿過勢壘，形成光電流.理想P-N結的光伏電池電流—電壓(I-V)關系如式(1-1)所示：

其中，I為PN結的電流（A）；I0為反飽和電流（A）；V為外加電壓（V）；q是電子電荷（1.6× 10-19C）；K是波爾茲曼常數（1.38×10-23J/K）；T是絕對溫度（K）.

實際上太陽能電池還具有體串聯電阻 Rs和并聯電阻Rsh等.考慮到這些因素，通常采用太陽電池等效電路.實際太陽電池中的電阻等參數是分布參數，但在應用中處理為集總參數后，其分析模型的精度仍足夠準確，本文不考慮分布參數問題.通過二極管因子A可以考慮等效電路中二極管的非理想P-N結，取值范圍1-5在如圖設定的電壓、電流方向下，可得太陽能電池的I-V特性方程為：

圖1表明它具有強烈的非線性性質.[2,3]

圖1 太陽能電池的I-V和P-V特性曲線

由太陽能電池的I-V特性曲線可以得到太陽能電池的幾個重要技術參數：

（1）短路電流(Isc)：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電流；

（2）開路電壓(Voc)：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓；

（3）最大功率點電流(Im)：在給定日照強度和溫度下對應于最大功率點的電流；

（4）最大功率點電壓(Vm)：在給定日照強度和溫度下對應于最大功率點的電壓；

（5）最大功率點功率（Pm）：在給定日照強度和溫度下陣列可能輸出的最大功率，Pm=Im×Vm.

一個光伏電池單元一般只能產生大約0.45V的電壓，遠低于實際應用所需要的數值.在實際應用中，一般把光伏電池單元通過串聯和并聯連接成光伏組件，太陽能光伏組件包含一定數量的太陽能電池，這些太陽能電池通過導線連接，多個光伏組件可以通過串聯和并聯陣列.

2 研究思路

太陽能轎車天窗的系統主要由以下幾個部分組成，實際上就是一個太陽能電池的充放電路，系統如圖2所示.

圖2 太陽能轎車天窗系統示意圖

太陽能電池：太陽能電池板是系統中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉換成電能，供負載使用或存貯于蓄電池內備用.

充放控制器：充放控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩、高效地為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命；同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現象的發生.通過充放控制器可以為負載提供穩定電壓的直流電.

蓄電池：蓄電池的作用是將太陽能電池發出的直流電直接儲存起來，供負載使用.

直流負載：車內排風扇，實線停車通風.

3 系統硬件設計

（1）太能電池

按照要求比對，最合適最常見的太陽能電池材料是硅類太陽能電池，而單晶硅的轉換效率最高，但是價格最貴，市場上常見的都是大功率的單晶硅太陽能板居多，所以選擇效率和價格都比較合適的多晶硅太陽能電池.而多晶硅太陽能電池的封裝方式一般有兩種，一種是鋼化玻璃封裝，重量厚度均比較大，但是壽命長，可達到10年左右，常用于功率比較大的電池板.另一種為滴膠樹脂封裝，重量輕，厚度小，壽命大約為3年左右，常用于小功率的電池板.綜合考慮，選用滴膠樹脂封裝的多晶硅太陽能電池物美價廉.

（2）直流負載——車內排氣扇

炎熱的夏天，汽車被陽光照射半個小時，車內的溫度會急劇上升到高于車外雙倍的溫度，啟動空調五分鐘以后車內溫度才會下降，既不舒適又浪費燃油.

車內溫度在30℃以上，甲醛、苯類有害氣體的排放是平時排放的數倍以上，長期在此環境下，易引發各種疾病.

現在在市面上流行的一種太陽能車內排風扇的原理比較簡單，電池和排風機是一體化的，靠太陽能電池來驅動電機的工作，但實際的排氣效果比較差，功率也比較小.

具體設計是采用了一款應用于中央處理器的散熱渦輪風扇改裝使用，可達到更大的風量和更小的功率.去掉鋁片，有4個孔位可安裝在轎車出風口之上，直接用夾具夾放于轎車空調出風口的位置，此渦輪風扇的功率為3W，最高轉速可到3 500RPM，風量達到50CFM左右.比起原來的風量和工作時間都多出數倍.實際測試的使用時間是6個小時左右，風力強勁.

4 電路設計

外界氣候的變化無常，太陽光的強弱也不確定，導致太陽能電池輸出的電壓不穩定，那么輸出的電流也就不斷變化，而轎車的用電設備要求電壓和電流相對固定，所以需要一個電路（如圖 3）給蓄電池充電，起到穩壓的作用.

圖3 充電部分電路圖

在此設計中，三極管VT1起到開關的作用，它與變壓器T1、電阻R1和R3以及電容C2組成自激式振蕩電路.當VT1導通時，電流從蓄電池正極流向電阻R1，然后到達三極管VT1的基極，同時，變壓器 T1的初級線圈通電，隨著基極線圈的電流增加，感應線圈的感應電壓也不斷增加，此時，該感應電壓給電容C2充電，隨著時間的累積，C2充電電壓不斷增高，VT1基極電位慢慢變低，當三極管 VT1的基極電流變化不能滿足其繼續飽和時，VT1退出飽和區進入放大區.這時，三極管 VT1的基極電流開始下降，感應線圈同樣產生感應電流，當基極電流減小到低于E極時，三極管VT1截止，這時變壓器T1儲存的能量提供給負載，次級線圈產生的電壓經二極管VD1整流濾波后，在C3上得到直流電壓給電池充電.

當VT1截止時，蓄電池輸人電壓和感應線圈的電壓通過R1、R3給C2反向充電，隨著時間的增多，三極管VT1基極的電位不斷升高，當滿足導通條件時，三極管VT1重新導通，再次翻轉達到飽和狀態，電路就這樣重復振蕩下去.

該電路設計有限壓保護功能，限壓電路由R5、R6、VD2、VT2等組成，其目的是保護蓄電池不被過度充電，并要求充電最大電壓值為4.2V.在蓄電池的的充電過程中，蓄電池兩端的電壓不斷上升，當充電電壓大于上限值時，利用電阻R5、R6分壓后穩壓二極管VD2開始導通，此時，三極管VT2導通，VT2的分流作用減小了VT1的基極電流，從而減小了VT1的集電極電流Ic，達到了限制輸出電壓的作用.這時電路停止了對電池的大電流充電，用小電流將電池的電壓維持在4.2V.

5 充放控制器軟件設計

充放控制器是太陽能控制系統中的核心部分，主要完成對蓄電池進行充電和放電的控制，以及在過充、過放電、過載等情況發生時對系統進行有效地保護.[4]因此，對太陽能系統性能的影響除了硬件電路外，軟件的設計也在很大程度上影響了系統的可靠性和充電的效率，尤其是充電方法的實現更為重要（如圖4）.[5]鑒于以上考慮，在設計時，該系統的軟件設計采用動態跟蹤技術，利用單片機不斷的檢測蓄電池電壓、負載電流、太陽能電池端電壓、環境溫度等參數，根據所得參數進行校正，同時，設計恰當的調制脈寬脈沖信號的占空比，從而對蓄電池實現不同幅值的恒壓充電；在蓄電池的每一個保護點時可實現不同的控制動作，對蓄電池加以保護，達到最佳的充電效果.為實現系統的可靠工作采用了先進的數字濾波技術和電壓回差法來抑制干擾和振蕩等現象，有效地提高了系統的可靠性和平穩性.[6]

6 結束語

本文研究了太陽能電池板在轎車天窗上的使用.在設計中，系統將太陽能轉化為電能，通過充放控制器來保護電路并將電能輸出給車內排氣扇，達到停車通風的效果，同時將多余的電能給蓄電池充電.

圖4 控制軟件流程圖

[1]劉巍，王宗超.碟式太陽能熱發電系統[J].重慶工學院學報，2009，23（10）.

[2]翟載騰，程曉航，丁金磊，等.最大功率條件下串聯太陽電池電流方程式的確定[J].中國電機工程學報，2007，27（14）:87-90.

[3]趙為.太陽能光伏并網發電系統的研究[D].合肥工業大學博士學位論文，2003.

[4]盧一民，黃國華.太陽能光伏應用系統全日綜合效率的判定——5kW光伏水泵系統的研究[J].太陽能學報，1994，15（4）:368-376.

[5]張鵬，王興君.小功率智能型太陽能控制器的設計[J].現代電子技術，2007，257（18）.

[6]Microchip Inc. PIC16/17 Microcontrollers Data Book. 1995/1996.