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（阜陽師范學院物理與電子工程學院，安徽阜陽　236037）

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
（阜陽師范學院物理與電子工程學院，安徽阜陽236037）

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，當在汽車上安裝太陽能設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。然后計算了汽車太陽能設備加載引起的附加油耗。通過對太陽能設備節(jié)省油耗與負載引起的附加油耗進行比較，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行了模擬計算，給出了在一天中用電設備使用太陽能發(fā)電行駛100km情況下可以節(jié)約15.6%的油耗。

太陽能電池板用電設備油耗

1　前言

隨著現(xiàn)代機車技術的不斷提升，小型家用汽車配備的用電設備不斷增加，比如空調、音響等。用電設備的增加雖然會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備，能有效降低油耗，將具有較大的經濟價值。我國已擁有超過1800萬輛汽車的規(guī)模［1］，對能源的利用更是緩解能源危機的一種有效途徑。雖然目前已經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［2］。隨著新型太陽能技術的日益成熟，在小型家用汽車中使用太陽能發(fā)電取代機械發(fā)電為汽車提供電量將是節(jié)能減排的一種新選擇。同時在機車上安裝太陽能電池板可使機車在不工作的情況下也能夠開啟用電設備。尤其夏季溫度越來越高，在汽車上安裝太陽能設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環(huán)境。

目前車載太陽能的使用已在一輛飲料運貨車上的到了實驗，該貨車的用電設備可以利用太陽能發(fā)出的電量正常運行，并且每輛汽車每年可以減少排放四噸二氧化碳。該類汽車的進一步發(fā)展是生產20萬輛新能源環(huán)衛(wèi)車［3］，這在一定程度上可以緩解當今的能源危機。但是目前研究的重點考慮太陽能發(fā)電效率對節(jié)省油耗的影響，一般忽悠了太陽能設備加載引起的油耗。本文對家用汽車油耗隨載重的變化進行了方程擬合，同時又給出了一天中太陽能發(fā)電節(jié)省的油量計算公式，建立了太陽能供汽車日常用電的數(shù)學模型，并通過舉例分析驗證了模型。

2　數(shù)學模型

2.1相關變量定義

現(xiàn)在汽車的電能都來源于機械能的轉化，其供電系統(tǒng)我們已經熟悉。但在安裝太陽能設備后，汽車的供電系統(tǒng)就會與原先的供電系統(tǒng)有所不同［4］。太陽能工作時可以直接供用電設備工作，也可以將電量儲存在蓄電池中。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)結構簡圖（圖1）。

圖1　車載太陽能供電系統(tǒng)結構圖

在汽車機械能供電和太陽能供電模型當中，需要考慮機車載重、用電量、汽油燃燒效率、轉化效率等相關因素，因此為了計算和查看方便，我們給相應的參量進行了系統(tǒng)命名（如表1）：

2.2家用汽車每天平均用電所需的油耗

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

其中，1w是用電設備在一天中消耗的電能，1p是汽車用電設備的總功率。家用汽車型號較多，不同型號汽車的用電功率存在一定的差異。同時天氣的原因也會影響機車的用電情況。比如，在夏季空調使用率會顯著高于其他季節(jié)。本文選擇了幾款經典家庭轎車用電功率的平均值作為1p的參考值。

普通汽車所需的電能一般都是通過汽油在發(fā)動機內燃燒產生機械能，再由發(fā)電機將機械能轉換而來的。所以汽車用電需要一定的油耗。假設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)動機在一天中能夠提供給發(fā)電機的能量（即汽油燃燒后傳遞給發(fā)電機的能量）為：

其中η1為汽油燃燒效率

由發(fā)動機與發(fā)電機之間的轉化效率為η2，所以推出發(fā)電機在一天中所發(fā)電量（即發(fā)動機傳遞給發(fā)電機的能量） w3為：

發(fā)電機發(fā)出的電能一部分直接傳給用電設備，另一部分先傳遞給蓄電池再傳給用電設備，這兩種傳遞方式的加權系數(shù)分別為μ3、μ4，由此得出汽油燃燒在一天中所提供的電能關系式，如下

相應地，可以得出用電設備多耗的油量（即使用太陽能設備后節(jié)省的油量）計算公式為：

例如：在平常日間家用轎車的用電設備工作的功率約為p1=432.6（w）［5］，設其工作時間為5小時（行駛200公里），那么用電設備在一天中消耗的電能，如下式給出

日間汽車用電設備耗電2.16kw·h，這些電量所消耗的油量可以通過公式（5）計算。

2.3車載太陽能電池板發(fā)電功率的計算

為了能夠滿足汽車上用電設備的正常運行，要求選擇一定規(guī)格的太陽能電池板。目前市場上使用較多的幾種太陽電池板類型可以為：單晶硅電池、多晶硅電池、薄膜電池 。對于不同型號的太陽能電池板其規(guī)格、重量、轉化效率、價格等各不相同，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。單晶硅電池的轉化效率一般在15%-18%之間，多晶硅電池的轉化效率一般在14.8%-16.5%之間，而薄膜電池的轉化效率一般在3.6%-7%之間［6］。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1.9m2，車頂和后備箱車蓋面積為4.5m2。）

根據太陽能隨時間變化的單位面積的水平面輻照強度（I（t），單位為w/m2，可隨地區(qū)差異而變化［7］），可以計算得出單位面積太陽能電池上的輻射總功率（P），

其中21tt和分別表示積分的開始時刻和終止時刻，也就是有效光照時間的起止時間。

由此，可以獲得車載太陽能設備每天可接受的太陽能輻射能為：

現(xiàn)在我們以山西省大同市一天的光照強度隨時間的變化［8］（如圖2）來計算太陽能設備在一天中能夠發(fā)出的電量。其光照強度隨時間的變化的關系式通過擬合上圖得到：

其中，I表示光照強度隨時間的變化，t表示一天中時間的變化。對上式積分得到太陽輻射能：

由車頂可負載S=5m2的太陽能電池板，可求出一天中可接受的輻射能約為：

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備。太陽能發(fā)電一方面可以減少油耗（sx），另一方面發(fā)電設備的引入會使汽車重量增加（w），從而相應地增加耗油量（wx）。為了明確太陽能設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系［9］。

首先，需要獲得汽車重量與油耗之間的關系。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系。

從圖3我們可以知道，隨著汽車載重（m）的增加，油耗（x）也隨著相應地增加。我們可以獲得相應車型的車重與百公里油耗之間的一般統(tǒng)計關系，

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

圖2　山西大同市一天的水平面總輻射強度（W/m2）

圖3　不同車型載重與油耗的關系

以轉化效率為1 6%的單晶硅太陽能板作為例。設其重量為x1kg，相應地控制器重量為x2kg，蓄電池重量為x3kg。可以得到車載太陽能設備增加的質量為 m=x1+x2+x3+x4，x4表示其它相關零部件增加的質量（為修正項）。對于目前較為普遍使用的汽車質量分布在1000kg-2000kg的范圍，太陽能設備的引入對汽車多增加的耗油量與行駛s千米的關系已由公式（8）給出，即：

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

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

2.5凈節(jié)油量的計算

太陽能發(fā)電節(jié)省的油量等于太陽能發(fā)電對應的油量減去太陽能設備引起的耗油量，也就是。根據兩者的差值，可以判斷在汽車上使用太陽能發(fā)電供用電設備工作的可行性。

對一天中太陽能轉化為電能而節(jié)省的油量進行計算。我們選擇的車頂太陽能電池板面積為5㎡，地區(qū)有效太陽光照時間為7h，單晶硅電池板的轉化效率為18%，在控制器的轉化效率上一般為95%左右［10］，因此可以算的一天中太陽能轉化得到的電能為：

P為一天中單位面積太陽輻射能， S為太陽能板面積，η為單晶硅的轉化效率。此部分電能對應的油耗可以通過公式（5）計算出來，由于發(fā)電機產生的電能轉化給用電設備和蓄電池的效率都很高，所以計算將發(fā)電機產生的電能視作全部供應給用電設備，即視作w1=w3=xqη1η2。其中，q為汽油的燃燒值大約為4.4～4.8×10^7J/ kg，1kw·h約為3.6×10^6J能量，那么可以計算出11.23kw·h的焦耳熱約為11.233.6×10^6J，汽油的燃燒效率η1約為20%-30%，發(fā)動機到發(fā)電機的轉化效率η2約為80%。因此若太陽能設備一天中產生的電能2.5kw·h完全被利用，則此部分電能相當于 x=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會因太陽能設備自身重量耗油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［12］，節(jié)省油量1L，因此節(jié)油約15.6%。

根據本次研究的結果，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1800多萬輛家用轎車如果都可以加載太陽能設備，則有望每天節(jié)省1800萬升的汽油。同時，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不斷出現(xiàn)，車載太陽能發(fā)電為電網供電也會成為可能，如此車載太陽能發(fā)電的經濟效益還是很可觀的。

3　結語

普通汽車在日常使用中會因用電器的工作而增加油耗量，所以可以根據汽車用電設備的使用情況，選擇一定面積的太陽能電池板取代機械能發(fā)電，同時太陽能設備的重量增加會使汽車耗油增加。因此使用太陽能設備節(jié)省的油量和多消耗的油量差是使用太陽能取代機械能發(fā)電可行性的標志。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，可以得出在機車上安裝太陽能電池板取代機械能發(fā)電是可行性的。

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阜陽師范學院大學生創(chuàng)新訓練項目（FS201310371087），安徽省省級質量工程項目（2013jyxm136，2014zy047）

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