車 用 遮 陽 太 陽 能 光 伏 發(fā) 電 系 統(tǒng)

沈奕雯, 李晨曦, 王子健, 鄧 柯, 王 瑩, 陳東生

(上海電力學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展異常迅速，在可預(yù)見的未來，太陽能將會成為日趨枯竭的傳統(tǒng)化石類能源的有效替代物[1]。太陽能發(fā)電是擺脫對化石燃料的依賴,減少溫室氣體排放的重要手段之一。太陽能發(fā)電潛力巨大,按照理想狀況,2100年世界能源需求的64%可由太陽能提供[2]。

炎炎夏日太陽光照射強(qiáng)烈，汽車發(fā)動機(jī)關(guān)閉一段時間后，車內(nèi)溫度迅速升高。實(shí)驗(yàn)表明，夏季戶外停放的小汽車，車內(nèi)平均溫度可高達(dá)55 ℃，某些物體表面甚至達(dá)到71 ℃ 左右。有限空間內(nèi)的高溫會導(dǎo)致車內(nèi)一些皮制產(chǎn)品散發(fā)出讓人難以承受的氣味，駕駛?cè)藛T需要忍受長達(dá)15～20 min才能適應(yīng)[3]。如何解決車內(nèi)溫度過高和一些讓人難受的氣味等問題？

現(xiàn)有的防曬車罩最近的研究動向是向其多功能自動化發(fā)展[4]，但它將太陽能當(dāng)作多余的能量阻擋在室外，沒有加以充分利用。本文通過將光伏發(fā)電技術(shù)與防曬車罩完美結(jié)合，將其改造為光伏發(fā)電式防曬、防塵多用途車罩。這樣既可以降溫，又可以有效地利用車頂上光空間進(jìn)行發(fā)電。該車罩一方面達(dá)到防曬的目的，另一方面所發(fā)的電能在停車時會驅(qū)動負(fù)載，如車用制冷器或空間清新器，達(dá)到降溫與去除車內(nèi)異味等作用，給駕駛?cè)藛T創(chuàng)造一個美好舒適的環(huán)境。

1 可行性分析

經(jīng)測量，僅車頂有效利用的光空間為16 000 cm2，其長度為147.5 cm，寬度為109 cm,再加上車頂和車尾部分，有效利用的光空間高達(dá)43 566 cm2，詳細(xì)測量數(shù)據(jù)如下。車頂:長度147.5 cm,寬度109 cm,面積16 077.5 cm2;車頭:長度143 cm,寬度92 cm,面積13 156 cm2;車尾:長度131 cm,寬度110 cm,面積14 410 cm2,總面積43 566 cm2。

柔性太陽能電池是薄膜太陽能電池的一種，性能優(yōu)良、成本低廉，可折疊[5]。其產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于太陽能背包、太陽能敞篷、太陽能汽車、太陽能帆船甚至太陽能飛機(jī)上[6]。其尺寸可根據(jù)客戶進(jìn)行定制，為了降低其成本選用現(xiàn)有的柔性太陽能電池，其相關(guān)尺寸如下：短路電流1.25 A,開路電壓16 V,額定功率20 W,長度94 cm,寬度42 cm,有效面積3 600 cm2。

通過分析可知,柔性太陽能電池可以和車罩完美的結(jié)合在一起。車罩上面一般可以使用7塊太陽能電池。如果按平均8～10 h/d，所發(fā)電量為1 kW·h左右。因此，有效的利用車頂上的光空間能夠達(dá)到很好的節(jié)能減排的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)原理

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該車罩是集發(fā)電、儲能、遮陽、防塵等多功能于一體的新型防曬車罩，實(shí)現(xiàn)一物多用，同時達(dá)到節(jié)能減排的目的。車罩內(nèi)置柔性太陽能電池組件，它通過黏扣黏(或編制)在防曬罩上。所發(fā)電能在汽車停車時能驅(qū)動車內(nèi)負(fù)載，達(dá)到降低車內(nèi)溫度，排除車內(nèi)異味等功效。同時，它還包括Led燈、電子車牌、控制器、蓄電池以及各種負(fù)載等部件。車罩棱邊上的Led燈和電子車牌能在夜晚發(fā)光，為周圍提供照明作用的同時，也能取到廣告的效應(yīng),其原理示意圖如圖1所示。

圖1 原理示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

太陽能電池有效地吸收太陽光輻射能，并使之變?yōu)殡娔埽@種效應(yīng)又稱為光生伏特效應(yīng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理是：在太陽光的照射下，將太陽電池組件產(chǎn)生的電能通過控制器給負(fù)載直接供電，多余的電能直接儲存在蓄電池以備不急之需。對于交流負(fù)載而言，還需要增加逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換成交流電供交流負(fù)載使用。相關(guān)部件性能如下：

(1)柔性太陽能電池。柔性電子技術(shù)是一種將電子元件集成在柔性基體上,從而使剛性的電子元件有了較大延展性的新型技術(shù),在近10年來得到了迅速的發(fā)展。柔性太陽能電池就利用此技術(shù),將脆性的GaAs電池模塊粘貼在超彈性材料PDMS上,使整個薄膜電池結(jié)構(gòu)的延展性得到了增加[7]。柔性太陽能電池由于其質(zhì)量輕、成本低、容易加工,適于大面積生產(chǎn)等特點(diǎn)已經(jīng)引起人們的廣泛關(guān)注[8]。它是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心部分。白天吸收太陽光，將光能轉(zhuǎn)化為電能供負(fù)載使用。

(2)太陽能控制器。太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，將太陽能電池所發(fā)的電供給負(fù)載使用，另一方面將多余的電能送往蓄電池中存儲起來以備不急之需。同時它還能對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用[9]。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

(3)蓄電池。蓄電池儲能具有效率高、使用壽命長、對地理?xiàng)l件要求低等優(yōu)點(diǎn),其額定功率和額定容量可以獨(dú)立配置[10]。將太陽能電池板所發(fā)出的多余的電能儲存起來，需要時再釋放出來，供負(fù)載使用。

(4)逆變器。將太陽能電池所發(fā)的直流電轉(zhuǎn)化為交流電供交流負(fù)載使用[11]。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最終效果如圖2所示。

圖2 實(shí)物效果圖

3 性能研究與分析

太陽能電池是整個系統(tǒng)的核心部件，其性能好壞直接影響其發(fā)電量的多少。為此，先要對單個電池片的性能進(jìn)行伏安特性和功率特性研究，其步驟如下:①將柔性太陽能電池板鋪平，使太陽光照直射到上面，實(shí)驗(yàn)過程盡量避免周圍其他因素的干擾；②把控制器和蓄電池串聯(lián)在柔性太陽能電池板上，檢驗(yàn)柔性太陽能電池板是否成功儲電；③連接實(shí)驗(yàn)器材，準(zhǔn)備測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);④測量組件的輸出電流和電壓,電阻從0～30 kΩ。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 太陽光照下柔性電池組件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作不同情況下光伏組件伏安特性曲線與輸出功率特性曲線,分別如圖3、4所示。

圖3 光伏組件伏安特性特性曲線

圖4 光伏組件輸出功率特性曲線

由圖3可知，其開路電壓和短路電流分別為19.5 V和1.6 A。由圖4可知，光線均勻地聚集在光伏組件上，隨著負(fù)載電阻的增大，柔性太陽能電池板的功率隨之變小。當(dāng)外界負(fù)載達(dá)到約0.6 kΩ時，其組件的輸出功率達(dá)到最大值。

4 應(yīng)用舉例

4.1 車內(nèi)降溫

分別測試了不加車罩、加普通車罩與光伏發(fā)電車罩3種情況下的夏天車內(nèi)溫度,如下：不加車罩的溫度70 ℃,加車罩的溫度30～40 ℃,加光伏車罩的溫度15～20 ℃。在夏日室外溫度達(dá)到40 ℃左右時，太陽暴曬一段時間后，車內(nèi)的溫度一般為55 ℃甚至更高，在車上覆蓋一般車罩時，車罩反射太陽光，溫度降低到30～40 ℃，但若是在車上覆蓋光伏車罩，并打開負(fù)載，柔性太陽能電池板會吸收太陽的能量，轉(zhuǎn)化為電能后作用于負(fù)載上，進(jìn)一步降低車內(nèi)溫度，可達(dá)到15～20 ℃。

4.2 夜晚照明及廣告效果

在車罩上安裝Led燈，可以作為夜間的照明工具，解決了路燈照明間距大、不明亮等問題。Led燈的廣泛應(yīng)用將為現(xiàn)代社會提供更加優(yōu)良、環(huán)保的照明環(huán)境和高效、節(jié)能的照明品質(zhì)，并且替代白熾燈的應(yīng)用[13]。而且，燈光使車體的輪廓更加清晰，不易造成夜間的擦傷碰撞，五彩的燈光也達(dá)到了美化環(huán)境的目的,如圖5所示。

5 結(jié) 語

車用遮陽太陽能光伏發(fā)電裝置適用范圍廣泛，可適用于不同型號的轎車，且成本低，利用率高，可廣泛推廣。由于汽車不占用固定建筑面積，而且車頂上面積也大。因此，光伏發(fā)電式防曬車罩具有非常廣闊的市場前景。

人類對能源安全的擔(dān)憂和環(huán)境惡化的焦慮,使得充分利用可再生能源已經(jīng)成為全球共識。以太陽能、風(fēng)能為代表的大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為新型電力系統(tǒng)不可阻擋的發(fā)展趨勢,對電力系統(tǒng)深層次的影響正在凸顯,各國學(xué)術(shù)界和工程界均給予極大關(guān)注[14]。然而，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長，城市居民可支配收入的快速增加，以及國家對汽車產(chǎn)業(yè)的宏觀牽引，國際汽車巨頭紛紛進(jìn)入國內(nèi)，汽車開始迅猛進(jìn)入家庭，引發(fā)了城市汽車數(shù)量急劇增長[15]。一輛汽車的發(fā)電量可能很少，然而數(shù)目巨大的車輛一起發(fā)電，如大型停車場，廢棄車輛滯銷地等，其發(fā)電量將十分可觀。

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