一種新型的太陽能車內空氣預冷系統

合肥工業大學機械與汽車工程學院 趙 燦 左承基 唐景春

汽車空調能創造舒適的車內環境，對于汽車來說是很重要的。但是由于我國汽車數量的快速增長，汽車停車位一直處于一種緊缺的狀態。在炎熱的夏天，很多汽車露天?？刻幱谔柕谋裣?，當車主打開車門，一股熱流撲面而來，車內溫度往往超過50℃，啟動汽車空調后車內溫度需要一段時間才能降下來。隨著汽油價格的節節攀升，離開汽車后不停汽車發動機是非常不經濟的，也是不現實的。本文提出一種太陽能車內空氣預冷系統，該系統可在乘員進入汽車前5-10分鐘時通過遙控器開啟，使車內空氣達到人體舒適的溫度。

1.車內空氣冷負荷計算

本汽車空氣預冷系統設計參考的車型為豐田普銳斯，車型數據如下：

長×寬×高(mm)4855×1780×1480，玻璃面積F=3.29105m2；前擋風玻璃面積F=1.1835m2；車兩側玻璃面積F=1.304m2；后擋風玻璃面積F=0.80385m2；車頂面積F=1.95m2；車底面積F=7m2；車兩側面積（不包括玻璃）F=2.8m2。

設計工況：車外溫度35℃，車內溫度29℃。利用冷負荷系數法[1,2,3]，計算得出參考車型車內冷負荷如表1所示。

從表1可知，車頭向北的傳熱量是最小的。而廣州12點的傳熱量為1713.1w，在其他時間、地點的傳熱量均小于此，為方便計算，總熱負荷取整數，總熱負荷取1700w是比較合適的。

2.車內空氣預冷系統組成與工作原理

車內空氣預冷系統組成如圖1所示，由太陽能電池板收集能量，儲存在蓄電池中，作為本文空氣預冷系統的全部動力來源。采用壓縮機并聯的方法，利用雙位三通電磁閥將本文電動壓縮機與汽車原有制冷系統中的壓縮機并聯。冷凝器、蒸發器、熱力膨脹閥、風機均采用原有制冷系統部件。

工作原理：當乘員進入汽車之前，通過空調開啟控制器啟動預冷系統，汽車原有制冷系統中的壓縮機不工作，這時，電動壓縮機與汽車原有制冷系統其他部件一起，構成完整的制冷循環系統，可短時間使車內達到使人體舒適的溫度。

圖1標示：

1-汽車空調系統原有壓縮機 2-電動壓縮機 3-逆變控制器 4-蓄電池 5-太陽能板6-平行流冷凝器 7-軸流風機 8-熱力膨脹閥 9-離心風機 10-平行流蒸發器11-三通閥

本文采用壓縮機并聯方法，利用汽車原有制冷系統中除壓縮機以外的所有部件，可以降低加裝成本和減少車內空間的占用，有利于本系統的商業應用。

根據Sekurit公司太陽能板的產品介紹，20組100mm×100mm單晶硅電太陽電池在完全曝曬時可產生25W的電能。在本車型的車頂全部安裝太陽能板，可以安裝9×20組，在太陽曝曬下大約能產生225w的電能。將產生的電能儲存在蓄電池中，若短時間內全部使用，可以帶動空氣預冷系統。例如，將1小時儲蓄的太陽能產生的電能在10分鐘內使用掉，理論上可以帶動耗功1350w的電器?？紤]到逆變器損失和蓄電量穩定性，認為帶動耗功1100w的電器是可行的。

表1 不同停車方向時的總傳入熱量（w）

表2 制冷循環過程各點熱力狀態參數

圖1 車內預冷系統示意圖

圖2 制冷循環p-h圖

本文采用壓縮機并聯方法，利用汽車原有制冷系統中除壓縮機以外的所有部件，可以降低加裝成本和減少車內空間的占用，有利于本系統的商業應用。

3.熱力計算及關鍵部件的選配

工質：R134a工況：tk=64℃；過冷度5℃；t0=1℃；過熱度10℃。壓縮機轉速n=1800r/min，制冷循環的p-h圖如圖2及表2所示：

以下是表2內容注解：

單位質量制冷量：q0=h0-h4=112.03KJ/kg

單位容積制冷量：qv=q0/v1=1569.0KJ/kg

單位指示功：wi=h2-h1=53.645KJ/kg

單位冷凝熱：qk=h2-h4=178.59KJ/kg

制冷劑質量流量：qm=Q0/q0=0.01517kg/s

壓縮機理論排量：qh=qmv1/λ=0.001274 m3/s；λ取0.85

制冷系數：εi=q0/wi=2.088

卡洛循環制冷系數：εc=T0/(T4-T0)

熱力完善度：η=εi/εc=0.442

壓縮機功率N=Q0/εi=814.2w，取850w。

4.太陽能動力系統

太陽能動力系統由太陽能蓄電池組、太陽能板、逆變控制器組成。其中太陽能蓄電池組由4個12V12A的太陽能蓄電池串聯而成，可儲存0.576kwh的電能。實驗的預冷系統的功率為1089w，1小時儲蓄的電能可用10分鐘，蓄電池蓄滿電能后，預冷系統可工作30余分鐘。

隨著石油等化石燃料的急劇消耗，環境污染等問題越來越受人們關注，對于清潔能源的呼聲也越來越大。太陽能就是一種取之不盡，用之不竭的清潔能源，在家電領域已有相當應用，然而受制于面積和高昂的陳本，在汽車領域的應用還有限。

提出收集電能再集中使用，為太陽能在汽車上的應用提供了新的方法。在車頂全部鋪上太陽能板，儲蓄的能量是很可觀的。眾所周知，汽車處于太陽曝曬下時汽車空調的冷負荷最大，當車頂鋪滿太陽能板后，可以有效地減少從車頂傳入的太陽輻射熱，并且太陽越酷烈，產生的電能越多。

應用人工智能控制系統，使車內環境更符合人體舒適度的要求，進一步提高舒適性，是此系統的研究方向，隨著太陽能電池效率的提高及其成本的不斷降低，該系統的成本也會降低而效率提高，使商業應用成為可能。另該系統應用于電動汽車上可有效增加其行駛里程和提供舒適車內環境。

5.結束語

1）本文采用車頂鋪設太陽能板，有效降低了通過車頂傳入車內的太陽能輻射熱，降低車內冷負荷峰值。

2）預冷系統采用壓縮機并聯的方法，可節省車內空間并降低加裝成本。

3）車頂的太陽能板可提供225w的電量，儲存于蓄電池中，在曝曬數小時后，可驅動空氣預冷系統工作，短時間可使車內達到人體舒適溫度要求。

4）本太陽能車內空氣預冷系統具有良好的應用前景。

[1]陳孟湘.汽車空調-原理、結構、安裝、維修[M].上海:上海交通大學出版社,2001:102-105.

[2]鄭賢德.制冷原理與裝置[M].北京:機械工業出版社,2007:117-121.

[3]薛殿華.空氣調節[M].北京:清華大學出版社,1990:85-92.

[4]Mei.VC,Chen.FC.Study of solar-assisted thermoelectric technology for automobile air conditioning.Transactions of the ASME.Journal of Solar Energy Engineering.November 1993:200-205.

[5]曾令苓.工程熱力學[M].北京:高等教育出版社,2004:56-59.

[6]楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].北京:高等教育出版社,1998:82-96.

[7]吳業正.小型制冷裝置設計指導[M].北京:機械工業出版社,1999:35-37.

[8]向立平等.汽車空調平行流式冷凝器空氣側性能研究[J].流體機械,2007,35(10:64-67.

[9]楊詩成,王喜奎.泵與風機[M].北京:中國電力出版社,2006:61-63.

[10]莫乃榕.工程流體力學[M].武漢:華中科技大學出版社,2000:52-55.

[11]陳夢湘.汽車空調:新世紀版[M].上海:上海交通大學出版社,2000:99-102.