海南熱帶環境下太陽能電動觀光車性能對比

白有俊,劉世豪,趙 猛,蘇 思,鄭 艷(.海南經貿職業技術學院 工程技術學院,海口 577; .海南大學 機電工程學院,海口 5708)

海南熱帶環境下太陽能電動觀光車性能對比

白有俊1,2,劉世豪2,趙 猛2,蘇 思1,鄭 艷1
(1.海南經貿職業技術學院 工程技術學院,海口 571127; 2.海南大學 機電工程學院,海口 570228)

針對海南省國際旅游島背景下的綠色環保問題,探索符合熱帶氣候特點的電動觀光車上加裝太陽能電池輔助充電系統.基于海南省三亞市豐富的太陽能資源,選定實驗車輛及參數,研究太陽能電池參數,并選取了3種代表性的太陽能電池,通過價格、發電量、產生效益、續航里程影響、充電時間等分析對比,驗證了在電動觀光車上安裝太陽能電池輔助充電系統的合理性.研究結果表明,在電動觀光車上安裝單晶硅太陽能電池輔助充電系統,具有良好的節能環保和經濟效應.

太陽能電池; 電動觀光車; 輔助充電; 性能對比; 發電量

節能環保已經成為目前時代主題,在環境保護前提下的新能源開發是人類社會解決當前所面臨的環境危機的根本途徑[1].為了更加環保,同時又能保障人們日常需要,世界各國都在支持發展新能源汽車,我國也一直在大力支持發展電動汽車[2].國內外有多個科研院所正在進行太陽能車輛的研究,并成功研制出一些太陽能電動車[3],個別太陽能企業也一直在進行太陽能電動車的研發工作.為了使電動觀光車增加續航里程,同時節約電能,進一步保護環境,可在電動觀光車車頂部安裝太陽能電池用于輔助充電.

我國目前大多數旅游景區、高等院校、高爾夫球場、酒店等場所都在使用電動觀光車,如果能夠在電動觀光車上普及太陽能電池輔助充電,將會大大減少火力發電量,從而減少環境污染,滿足社會使用需求.海南省地處熱帶地區,陽光穿透性好,太陽能輻射量較高,具有良好的開發太陽能資源的區域優勢[4].特別是海南在積極開展國際旅游島建設,擁有較多的電動觀光車,具有多家太陽能光伏企業.在海南開展太陽能輔助電動觀光車應用研究可以實現綠色環保、節約能源,具有極大的社會和經濟意義.

目前,市場上有多種太陽能電池,如何選取合適的太陽能電池,是需要解決的問題.本文選取3種代表性的電池板,通過計算在海南省三亞市的電池板發電效果、車輛加裝電池板后的續航里程、產品價格等分析對比,從而為電動觀光車選取合適的太陽能電池提供依據.通過在電動觀光車底部安裝太陽能電池板,并連接控制器對太陽能電池充電進行控制,有效保護蓄電池過充,同時防止太陽能電池消耗蓄電池電量,使得電動觀光車在白天可以通過太陽能電池輔助充電,以到達增加使用里程、節能環保的目的.

1 選定實驗車輛及參數

本文實驗對象為海南省三亞市某熱帶景區配備的太陽能電動觀光車,圖1為太陽能電池輔助充電的電動觀光車結構示意圖,具體參數如表1所示.

圖1 太陽能電池輔助充電的電動觀光車結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of electricsightseeing car with solar battery auxiliarycharging

2 太陽能電池參數及選取

2.1太陽能電池基本參數

太陽能電池是利用半導體結的光生伏打效應[5].所謂光生伏打效應，就是當半導體物體在受到光照時,物體內的正負電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電流的一種效應.當太陽光或其他光照射半導體結時,就會在結的兩邊出現電壓,叫光生電壓,使PN結短路,產生電流[6].圖2為太陽能電池工作原理.

表1 電動觀光車詳細參數Tab.1 Detailed parameters of an electric sightseeing car

圖2 太陽能電池工作原理Fig.2 Working principle of solar battery

按照太陽能電池的汽車表面應用來分,大體上可分為片狀和薄膜狀兩種太陽能光伏電池.片狀太陽能光伏電池又可分為單晶硅太陽能光伏電池、多晶硅太陽能光伏電池以及其他類片狀光伏電池.薄膜狀太陽能光伏電池又可分為非晶硅太陽能光伏電池和化合物太陽能光伏電池[7].

隨著光伏電池的技術發展和應用,它的成本大幅度下降,而且與它的光電轉化率也得到了大大地提升.近年來多晶硅太陽能光伏電池技術在不斷成熟,光電轉化效率也一直在提高[8],可以實現19%的光電轉化效率.

化合物太陽能光伏電池主要有銦硒銅、碲化鎘、砷化鎵、磷化銦等化合物光伏電池,目前市場上的薄膜太陽能光伏電池的光電轉化效率在15%以上.

光電轉換ηs可定義為

(1)

I,U分別是光伏電池輸出電流和電壓,電壓-電流特性為

(2)

式中:I0為逆飽和電流;e為電子電荷;n稱為理想系數;k為為波爾茨曼常數;T為溫度;V即為太陽能電池的端電壓.

開路電流為

(3)

開路電壓為

(4)

通過式(4)可以看出,太陽能電池的面積大小對電池電壓沒有影響.

當太陽能電池接上不同的負載時,可以得出伏安特性曲線(見圖3).

圖3 伏安特性曲線Fig.3 Volt-Ampere characteristic curve

太陽能電池重要參數填充因子FF定義為

(5)

式中:Pm為太陽能電池最大功率.

FF也可由如下經驗公式表示:

(6)

填充因子FF是衡量太陽能電池輸出特性的重要指標,在太陽能電池的短路電流ISC和開路電壓UOC一定的情況下,填充因子FF值越大可以表示太陽能電池的輸出功率越大[9].

光電轉換效率定義為ηs,大氣質量ma為1.5時的光譜分布的具體規定可參見國家標準和國際標準.在入射的太陽輻照度為1 000 W/m2、溫度為25 ℃的情況下,

ηs=vOCISCFF

(7)

太陽能電池的光電轉換效率是衡量電池質量、企業生產技術水平和發電效率的重要參數,主要影響因素有ISC,UOC和FF等,這些與電池的結構、結特性、材料性質、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環境情況等有關[10].

2.2選取太陽能電池及參數對比

經過市場調查后,選取下列3種代表性太陽能電池,具體參數如表2所示.

表2 3種代表性太陽能電池參數Tab.2 Three representative solar battery parameters

由于太陽能電池制造原因,無法取得尺寸完全同樣大小,故選取盡可能長和寬接近面積數值.通過表2對比可以看出:薄膜類太陽能電池價格較貴,厚度最薄,但是薄膜類太陽能電池為柔性材料,可以直接進行粘貼,安裝方便且損壞后不易造成傷害;單晶硅太陽能電池價格低廉,厚度適中,易破碎,無法適應較大幅度的道路顛簸;多晶硅太陽能電池價格居于前兩者之間,厚度較大,而且質量最大,也易破碎.

3 發電量對比

3.1三亞市太陽能輻射情況

海南省的太陽能資源理論儲量為4.76×1013(kW·h)/a,年平均太陽能輻射量為4 600～5 800 MJ/m2,年平均日照數為2 166 h,部分地區最多可達2 650 h.海南省南部地區陽光更加充足,具有豐富的太陽能資源[4],其中三亞市年太陽總輻射量為5 994 MJ/m2,即1 665(kW·h)/m2,日照時長可達2 555 h.由此可得日平均太陽能輻射量約為4.56(kW·h)/m2,三亞市月平均太陽能輻射量如圖4所示.

圖4 三亞市各月平均太陽能輻射量Fig.4 The monthly average solar radiation of Sanya City

3.2三亞市太陽能電池發電對比

發電效率可通過日平均輻射總量和光電轉換率及面積進行估算,公式如下:

PF=φηs

(8)

式中:PF為太陽能板的日平均發電功率;φ為日平均太陽能輻射量.

WF=PFS

(9)

式中:WF為該太陽能電池日平均發電量;S為太陽能電池的面積.

通過式(8)和式(9),可計算出3種電池在三亞地區的日均發電量,詳細對比如表3所示.

表3 3種太陽能電池日平均發電量對比Tab.3 The comparison of daily average generationof three kinds of solar batteries

單晶硅和多晶硅太陽能電池日均發電量相差不大,薄膜太陽能電池相對少些.如果在車輛側面上,增加太陽能電池,可以提高發電量,但是車輛側身安裝面積小而且復雜.本實驗電動車消耗至充電時的耗電總量約為4.536 kW·h,3種電池日均發電量可占充電量的百分比分別為38.1%,37.1%和27.5%.

在火力發電廠,每1 kW·h電需要燃燒0.4 kg標準煤,此時會產生0.272 kg粉塵、0.996 kg CO2、0.032 kg SO2和0.016 kg氮氧化物[11].如果在電動觀光車上使用3種太陽能電池進行輔助充電,平均每天可分別節省標準煤0.69,0.672 4,0.498 4 kg,還可減少CO2，SO2等氣體排放,同時會減少PM2.5等粉塵的排放.

3種電池回收成本計算對比如表4所示,其中海南省電費價格按工商業用電1.058 1 kW·h計算.

表4 3種太陽能電池經濟效益對比Tab.4 The comparison of economic benefit ofthree kinds of solar batteries

4 續航里程對比

根據能量守恒定律,不同的太陽能電池質量會消耗不同的電能,同時影響電動車的持續行駛里程.選取電動車在平直道路上勻速行駛時,蓄電池經過車身上各系統能量消耗后輸出的總能量等于電動車驅動力所做的功.蓄電池能量和行駛里程關系如下:

3 600Eoutη=∑FL

(10)

式中:Eout為蓄電池輸出能量;η為蓄電池能量傳遞到車身行駛的效率;∑F為汽車行駛在設定的平順道路上的驅動力;L是持續行駛里程.本實驗車輛的η為80%,圖5為電動觀光車的能量效率及損失情況,其中

Eout=Eζ

(11)

式中:E為蓄電池組的總能量(W·h);ζ為放電深度.為了使蓄電池使用壽命延長及取得實驗車輛最佳放電效率,選取放電深度為60%,其中

E=UC

(12)

式中:U，C分別為電池組總電壓和總容量.

圖5 電動觀光車能量效率圖Fig.5 The energy efficiency diagram of anelectric sightseeing car

因為本實驗條件選取車輛在平直道路上等速行駛,驅動力與行駛阻力相等[12],

(13)

式中:Ff為電動汽車滾動阻力;Fw為該車輛的迎風阻力;m為該車輛的質量;g為重力加速度;f為該車在道路行駛時滾動阻力系數;Cd為車輛實驗時的空氣阻力系數;A為該車輛的迎風面積;ρ為空氣密度(ρ=1.225 8 N·s2·m-4),V為行駛速度.

由此可得

(14)

本實驗選取速度為10,15,20 km/h進行車身質量對續航里程的影響實驗,圖6為本實驗車型在不同速度下的車身質量和續航里程關系圖.表5為3種太陽能觀光電動車質量影響續航里程對比.表6為3種太陽能觀光電動車質量比原車減少質量對比.

圖6 3種太陽能電池電動觀光車的續航里程情況對比Fig.6 The Comparison of three kinds of solar energysightseeing electric vehicle on the rechargemileage

電動觀光車輛續航里程受質量、迎風面積、道路情況、電池、電機、速度等多種因素影響,在電動觀光車上安裝太陽能電池板所增加的質量都將減少續航里程.其中:薄膜太陽能電池因為質量輕,對續航里程影響最小,只為約0.5 km左右;多晶硅太陽能電池質量影響最大,減少續航里程約4 km左右;單晶硅太陽能電池質量對續航里程減少約2 km.而在實際運行過程中,太陽能電池可以在有光照的情況下為蓄電池進行補充充電.

表5 3種太陽能電池觀光電動車質量影響續航里程對比Tab.5 The comparison of the influence of weight of threekinds of solar energy sightseeing electric vehicle

表6 3種太陽能電動觀光車質量比原車減少續航里程對比Tab.6 Three kinds of solar sightseeing electric vehicle weightthan the original car to reduce mileage comparison

設定日平均光照時間為10 h/d,L0為未安裝太陽能板時的車輛續航里程,Lx為加裝后的車輛續航里程,t為可行駛減少的續航里程的充電時間(h),Eout為蓄電池輸出能量,WF為太陽能電池日均發電量,即

(15)

由此可得

(16)

可計算出3種太陽能電池電動觀光車在可以補充充電時,為達到原車行駛里程所需要太陽能充電時間.表7為3種太陽能電池,在3種速度情況下為達到原車的續航里程需要太陽能充電的時間.

分析表7可以得出,太陽能電池自身質量影響的續航里程,通過自身一定時間的太陽能充電即可抵消自身消耗的能量.其中:薄膜太陽能電池用時最少,只需要16 min左右;單晶硅太陽能電池用時居中,需要44 min左右;多晶硅太陽能電池用時最多,需要80 min左右.這主要是由自身質量和轉換效率兩個因素決定的.

表7 3種太陽能觀光電動車為達到原續航里程需要的充電時間對比Tab.7 The comparison of the charging time of the threekinds of sola sightseeing electric cars with lessweight than the original cars

3種太陽能電池通過補充輔助充電,在完全補充充電的情況下,可以達到增加30%左右續航里程的效果.3種太陽能電池質量相差約12 kg,其中多晶硅最重、薄膜最輕,質量對續航里程影響相差約1.5 km.觀光電動車行駛道路比較平順,沒有過大顛簸,速度相對不高,在觀光電動車上推廣太陽能輔助充電具有比較好的經濟前景,如安裝單晶硅太陽能電池在15個月的時間就可以收回成本,還將產生良好的經濟效益,推薦使用單晶硅太陽能電池.在安裝太陽能電池時在下部安裝減震材料,使得太陽能電池和車頂之間具有緩沖,保護太陽能電池;而薄膜太陽能電池建議使用在房車等類型的車輛上,這類汽車運行速度高,要求安全性、穩定性好;多晶硅太陽能電池受其自身質量約束,目前不建議在電動觀光車上使用.

5 結論

本文在海南熱帶環境下基于豐富的太陽能資源,對3種不同類型的太陽能電池進行了性能參數、發電量、質量影響續航里程實驗對比分析,所得到的結論如下:

(1) 針對在觀光電動車上安裝太陽能電池輔助充電設備,可以有效地利用太陽能,從而增加續航里程.

(2) 3種太陽能電池價格分別為660,900和2 600元,多晶硅太陽能電池厚度最大,為薄膜太陽能電池厚度2倍;薄膜太陽能電池比其他兩種太陽能電池發電量日均差別0.3 kW·h,單晶硅和多晶硅太陽能電池日均發電量分別為1.729和1.681 kW·h.3種太陽能電池年平均產生效益分別為667.80,649.20和481.45元,盡管薄膜太陽能電池具有多種優點,但是局限于價格高、轉化率相對低,造成其經濟效益較低.

(3) 在電動觀光車上安裝單晶硅太陽能電池輔助充電設備,平均每天可以產生電能1.729 kW·h,一輛車每年可以節約251.85 kg標準煤,可減少171 kg粉塵、627.11 kg CO2、20.15 kg SO2和10.07 kg氮氧化物排放.在三亞市甚至海南省推廣使用太陽能電動觀光車,可以為建設低碳綠色國際旅游島作出貢獻,也會提高人們的環保意識.

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ComparativestudyonperformanceofsolarelectricsightseeingvehicleinHainan’stropicalenvironment

BAIYoujun1,2,LIUShihao2,ZHAOMeng2,SUSi1,ZHENGYan1
(1.College of Engineering and Technology,Hainan College of Economics and Business,Haikou 571127, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Hainan University,Haikou 570228, China)

Aiming at the problem of environmental protection under the background of Hainan international tourism island,this paper is to explore the electric sightseeing car installing solar battery auxiliary charging system,which is suitable for the characteristics of tropical climate.Based on the rich solar energy resources of Sanya City of Hainan Province,the experimental vehicles and parameters were selected to study the solar battery parameters.Three representative solar batteries were selected,compared and analyzed through the price,power generation,product benefits,recharge mileage effects and charging time,and verified the rationality of the installation of solar battery auxiliary charging system on electric sightseeing car.The research indicates that the installation of monocrystalline silicon solar battery auxiliary charging system in electric sightseeing car has good economic,energy saving and environmental protection effects.

solar battery; electric sightseeing car; auxiliary charge; performance comparison; power generation

TK 519; U 469

： A

： 1672-5581(2017)03-0273-06

國家自然科學基金資助項目(51405115);海南省自然科學基金面上資助項目(20166213);海南省高等學校科學研究資助項目(Hnky2017-69)

白有俊(1983—),男,講師.E-mail:642baiyoujun@163.com

劉世豪(1981—),男,副教授,博士.E-mail:liushihao1102@126.com