車載太陽能供電凈節(jié)省油耗的模擬研究

徐雙雷 郭賀 張開銀

【摘 要】本文探討在中小型家用汽車上使用太陽能發(fā)電供汽車日常用電可行性。首先分析了家用汽車日常用電所需的油耗，當(dāng)在汽車上安裝太陽能設(shè)備并用來為用電器供電后，這部分油量就是太陽能發(fā)電所節(jié)省的油耗。然后計(jì)算了汽車太陽能設(shè)備加載引起的附加油耗。通過對(duì)太陽能設(shè)備節(jié)省油耗與負(fù)載引起的附加油耗進(jìn)行比較，可定量得出太陽能供電節(jié)省的凈節(jié)省油耗。我們以山西省大同市為例進(jìn)行了模擬計(jì)算，給出了在一天中用電設(shè)備使用太陽能發(fā)電行駛100km情況下可以節(jié)約15.6%的油耗。

【關(guān)鍵詞】太陽能電池板 用電設(shè)備 油耗

1.前言

隨著現(xiàn)代機(jī)車技術(shù)的不斷提升，小型家用汽車配備的用電設(shè)備不斷增加，比如空調(diào)、音響等。用電設(shè)備的增加雖然會(huì)給乘客提供了更加舒適的乘車環(huán)境，但是也無疑增加了汽車的油耗。研發(fā)一種綠色能源為汽車供電的設(shè)備，能有效降低油耗，將具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。我國(guó)已擁有超過1800萬輛汽車的規(guī)模 ，對(duì)能源的利用更是緩解能源危機(jī)的一種有效途徑。雖然目前已經(jīng)提出了很多太陽能汽車的新概念，但是還不能廣泛推出完全依靠太陽能的可供家庭普遍使用的汽車 。隨著新型太陽能技術(shù)的日益成熟，在小型家用汽車中使用太陽能發(fā)電取代機(jī)械發(fā)電為汽車提供電量將是節(jié)能減排的一種新選擇。同時(shí)在機(jī)車上安裝太陽能電池板可使機(jī)車在不工作的情況下也能夠開啟用電設(shè)備。尤其夏季溫度越來越高，在汽車上安裝太陽能設(shè)備不僅可以避免車輛被曝曬，而且還可以利用太陽能節(jié)省油量，給人們的日常出行帶來方便，也可以在一定程度上保護(hù)環(huán)境。

目前車載太陽能的使用已在一輛飲料運(yùn)貨車上的到了實(shí)驗(yàn)，該貨車的用電設(shè)備可以利用太陽能發(fā)出的電量正常運(yùn)行，并且每輛汽車每年可以減少排放四噸二氧化碳。該類汽車的進(jìn)一步發(fā)展是生產(chǎn)20萬輛新能源環(huán)衛(wèi)車 ，這在一定程度上可以緩解當(dāng)今的能源危機(jī)。但是目前研究的重點(diǎn)考慮太陽能發(fā)電效率對(duì)節(jié)省油耗的影響，一般忽悠了太陽能設(shè)備加載引起的油耗。本文對(duì)家用汽車油耗隨載重的變化進(jìn)行了方程擬合，同時(shí)又給出了一天中太陽能發(fā)電節(jié)省的油量計(jì)算公式，建立了太陽能供汽車日常用電的數(shù)學(xué)模型，并通過舉例分析驗(yàn)證了模型。

2.數(shù)學(xué)模型

2.1相關(guān)變量定義

現(xiàn)在汽車的電能都來源于機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，其供電系統(tǒng)我們已經(jīng)熟悉。但在安裝太陽能設(shè)備后，汽車的供電系統(tǒng)就會(huì)與原先的供電系統(tǒng)有所不同 。太陽能工作時(shí)可以直接供用電設(shè)備工作，也可以將電量?jī)?chǔ)存在蓄電池中。在沒有太陽或者太陽能電量不足的情況下，則可以繼續(xù)使用傳統(tǒng)的機(jī)械式發(fā)電。因此為方便理解，我們給出如下的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（圖1）。

圖1 車載太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在汽車機(jī)械能供電和太陽能供電模型當(dāng)中，需要考慮機(jī)車載重、用電量、汽油燃燒效率、轉(zhuǎn)化效率等相關(guān)因素，因此為了計(jì)算和查看方便，我們給相應(yīng)的參量進(jìn)行了系統(tǒng)命名（如表1）：

表1 參量命名

符號(hào) 說明 單位

太陽光照強(qiáng)度 W/

太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率 --

機(jī)車載重 Kg

一天用電設(shè)備總功率 W

用電設(shè)備在一天中消耗的電能

發(fā)電機(jī)在一天中所發(fā)電量

汽油燃燒效率

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化效率

發(fā)電機(jī)到蓄電池轉(zhuǎn)化效率

發(fā)電機(jī)到用電設(shè)備的轉(zhuǎn)化效率

蓄電池到用電設(shè)備的轉(zhuǎn)化效率

發(fā)電機(jī)所發(fā)電量到蓄電池的加權(quán)系數(shù)

發(fā)電機(jī)所發(fā)電量到用電設(shè)備的加權(quán)系數(shù)

2.2家用汽車每天平均用電所需的油耗

設(shè)家用轎車在一天的行駛中用電設(shè)備的工作時(shí)間為t（小時(shí)），則可用電設(shè)備一天中消耗的電能為：

（1）

其中， 是用電設(shè)備在一天中消耗的電能， 是汽車用電設(shè)備的總功率。家用汽車型號(hào)較多，不同型號(hào)汽車的用電功率存在一定的差異。同時(shí)天氣的原因也會(huì)影響機(jī)車的用電情況。比如，在夏季空調(diào)使用率會(huì)顯著高于其他季節(jié)。本文選擇了幾款經(jīng)典家庭轎車用電功率的平均值作為 的參考值。

普通汽車所需的電能一般都是通過汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒產(chǎn)生機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換而來的。所以汽車用電需要一定的油耗。假設(shè)汽車用電所需的油量為x kg，汽油的燃燒值為q J/kg，則發(fā)動(dòng)機(jī)在一天中能夠提供給發(fā)電機(jī)的能量（即汽油燃燒后傳遞給發(fā)電機(jī)的能量）為：

（2）

其中 為汽油燃燒效率

由發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)化效率為 ，所以推出發(fā)電機(jī)在一天中所發(fā)電量（即發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給發(fā)電機(jī)的能量） 為：

（3）

發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能一部分直接傳給用電設(shè)備，另一部分先傳遞給蓄電池再傳給用電設(shè)備，這兩種傳遞方式的加權(quán)系數(shù)分別為 、 ，由此得出汽油燃燒在一天中所提供的電能關(guān)系式，如下

（4）

相應(yīng)地，可以得出用電設(shè)備多耗的油量（即使用太陽能設(shè)備后節(jié)省的油量）計(jì)算公式為：

（5）

例如：在平常日間家用轎車的用電設(shè)備工作的功率約為 =432.6（w） ，設(shè)其工作時(shí)間為5小時(shí)（行駛200公里），那么用電設(shè)備在一天中消耗的電能，如下式給出

日間汽車用電設(shè)備耗電2.16 ，這些電量所消耗的油量可以通過公式（5）計(jì)算。

2.3 車載太陽能電池板發(fā)電功率的計(jì)算

為了能夠滿足汽車上用電設(shè)備的正常運(yùn)行，要求選擇一定規(guī)格的太陽能電池板。目前市場(chǎng)上使用較多的幾種太陽電池板類型可以為：?jiǎn)尉Ч桦姵亍⒍嗑Ч桦姵亍⒈∧る姵?。對(duì)于不同型號(hào)的太陽能電池板其規(guī)格、重量、轉(zhuǎn)化效率、價(jià)格等各不相同，選擇合適的太陽能電池板既可以節(jié)約資金，又可以減少由于太陽能電池系統(tǒng)的引入消耗的附加油耗。單晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率一般在15%-18%之間，多晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率一般在14.8%-16.5%之間，而薄膜電池的轉(zhuǎn)化效率一般在3.6%-7%之間 。綜合成本和效率，在本文中我們以單晶硅電池板為例。

隨著科技的發(fā)展，微小型太陽能技術(shù)不斷提高，可以在汽車的引擎蓋表面，車頂表面和后備箱車蓋表面上覆蓋一層太陽能電池發(fā)電。一般家用普通汽車，可以負(fù)載太陽能電池板的面積（S）為5平方米左右（比如以2015款福特銳界為例，其引擎蓋面積約為1.9 ，車頂和后備箱車蓋面積為4.5 。）

根據(jù)太陽能隨時(shí)間變化的單位面積的水平面輻照強(qiáng)度（ ，單位為 ，可隨地區(qū)差異而變化 ），可以計(jì)算得出單位面積太陽能電池上的輻射總功率（P），

（6）

其中 分別表示積分的開始時(shí)刻和終止時(shí)刻，也就是有效光照時(shí)間的起止時(shí)間。

由此，可以獲得車載太陽能設(shè)備每天可接受的太陽能輻射能為：

（7）

現(xiàn)在我們以山西省大同市一天的光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化 （如圖2）來計(jì)算太陽能設(shè)備在一天中能夠發(fā)出的電量。其光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化的關(guān)系式通過擬合上圖得到：

其中，I表示光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，t表示一天中時(shí)間的變化。對(duì)上式積分得到太陽輻射能：

由車頂可負(fù)載S=5 的太陽能電池板，可求出一天中可接受的輻射能約為：

圖2 山西大同市一天的水平面總輻射強(qiáng)度（W/ ）

2.4載重增加多消耗的油量

使用太陽能發(fā)電需要在汽車上引入太陽能電池板和蓄電池等設(shè)備。太陽能發(fā)電一方面可以減少油耗（ ），另一方面發(fā)電設(shè)備的引入會(huì)使汽車重量增加（w），從而相應(yīng)地增加耗油量（ ）。為了明確太陽能設(shè)備供汽車日常用電的可行性，我們需要綜合比較兩者之間的關(guān)系。

首先，需要獲得汽車重量與油耗之間的關(guān)系。圖3給出了三種普通車型在平穩(wěn)行駛情況下，汽車重量與百公里油耗的關(guān)系 。

圖3 不同車型載重與油耗的關(guān)系

從上圖我們可以知道，隨著汽車載重（m）的增加，油耗（x）也隨著相應(yīng)地增加。我們可以獲得相應(yīng)車型的車重與百公里油耗之間的一般統(tǒng)計(jì)關(guān)系，

比如，以C型車為例，根據(jù)該車型的車載與油耗之間的關(guān)系式可以得到汽車每天平均行駛s公里時(shí)太陽能設(shè)備引起的油耗增加量為：

（8）

以轉(zhuǎn)化效率為16%的單晶硅太陽能板作為例。設(shè)其重量為 kg，相應(yīng)地控制器重量為 kg，蓄電池重量為 kg。可以得到車載太陽能設(shè)備增加的質(zhì)量為 ， 表示其它相關(guān)零部件增加的質(zhì)量（為修正項(xiàng)）。對(duì)于目前較為普遍使用的汽車質(zhì)量分布在1000kg-2000kg的范圍，太陽能設(shè)備的引入對(duì)汽車多增加的耗油量與行駛s千米的關(guān)系已由公式（8）給出，即：

現(xiàn)在我們代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算， 根據(jù)統(tǒng)計(jì)家用轎車一天的平均路程一般為：100km左右，統(tǒng)計(jì)5㎡太陽能電池板、蓄電池、逆變器等重量之和約為120kg則可以計(jì)算出車載太陽能板行駛一天多耗得油量為：

但對(duì)于市內(nèi)行駛的車輛由于交通的影響，每多載100kg重量，會(huì)多消耗0.4L/100km的油量，因此在市區(qū)中油量消耗會(huì)更多。

2.5凈節(jié)油量的計(jì)算

太陽能發(fā)電節(jié)省的油量等于太陽能發(fā)電對(duì)應(yīng)的油量減去太陽能設(shè)備引起的耗油量，也就是 。根據(jù)兩者的差值，可以判斷在汽車上使用太陽能發(fā)電供用電設(shè)備工作的可行性。

對(duì)一天中太陽能轉(zhuǎn)化為電能而節(jié)省的油量進(jìn)行計(jì)算。我們選擇的車頂太陽能電池板面積為5㎡，地區(qū)有效太陽光照時(shí)間為7 h，單晶硅電池板的轉(zhuǎn)化效率為18%，在控制器的轉(zhuǎn)化效率上一般為95%左右 ，因此可以算的一天中太陽能轉(zhuǎn)化得到的電能為：

P為一天中單位面積太陽輻射能， S為太陽能板面積，η為單晶硅的轉(zhuǎn)化效率。此部分電能對(duì)應(yīng)的油耗可以通過公式（5）計(jì)算出來，由于發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化給用電設(shè)備和蓄電池的效率都很高，所以計(jì)算將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能視作全部供應(yīng)給用電設(shè)備，即視作 。其中，q為汽油的燃燒值大約為4.4～4.8×10^7J/kg，1 約為3.6×10^6J能量，那么可以計(jì)算出11.23 的焦耳熱約為11.23 3.6×10^6J，汽油的燃燒效率 約為20%-30%，發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率 約為80% 。因此若太陽能設(shè)備一天中產(chǎn)生的電能2.5 完全被利用，則此部分電能相當(dāng)于 =0.98 kg的汽油，換算成體積則約為1.35L汽油。一天中汽車行駛100km會(huì)因太陽能設(shè)備自身重量耗油0.37L，因此一天中在平直公路上以穩(wěn)定速度行駛100km可以節(jié)省的油量為1L汽油。汽車行駛100km情況下燃油約6.4L ，節(jié)省油量1L，因此節(jié)油約15.6%。

根據(jù)本次研究的結(jié)果，在每輛汽車一天中行駛100km可以節(jié)約1L（15.6%）的油量情況下，全國(guó)1800多萬輛家用轎車如果都可以加載太陽能設(shè)備，則有望每天節(jié)省1800萬升的汽油。同時(shí)，隨著科技的日益發(fā)展，高功率輕重量的新型太陽能電池和新型蓄電池的會(huì)不斷出現(xiàn)，車載太陽能發(fā)電為電網(wǎng)供電也會(huì)成為可能，如此車載太陽能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益還是很可觀的。

3.結(jié)語

普通汽車在日常使用中會(huì)因用電器的工作而增加油耗量，所以可以根據(jù)汽車用電設(shè)備的使用情況，選擇一定面積的太陽能電池板取代機(jī)械能發(fā)電，同時(shí)太陽能設(shè)備的重量增加會(huì)使汽車耗油增加。因此使用太陽能設(shè)備節(jié)省的油量和多消耗的油量差是使用太陽能取代機(jī)械能發(fā)電可行性的標(biāo)志。使用我們建立的模型，以汽車每天行駛100公里為例，我們計(jì)算得出使用太陽能能節(jié)省約15.6%的燃油量。因此，可以得出在機(jī)車上安裝太陽能電池板取代機(jī)械能發(fā)電是可行性的。

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作者簡(jiǎn)介：徐雙雷（1990—），男，漢，安徽人，阜陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院學(xué)生，主持大學(xué)生科研立項(xiàng)；張開銀，男，博士，副教授。主要研究方向：光電子技術(shù)，材料物理學(xué)。

基金項(xiàng)目：阜陽師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（FS201310371087），安徽省省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2013jyxm136，2014zy047）