車 用 遮 陽 太 陽 能 光 伏 發 電 系 統

沈奕雯, 李晨曦, 王子健, 鄧 柯, 王 瑩, 陳東生

(上海電力學院 數理學院，上海 200090)

0 引 言

伴隨著科學技術的進步，太陽能光伏產業的發展異常迅速，在可預見的未來，太陽能將會成為日趨枯竭的傳統化石類能源的有效替代物[1]。太陽能發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烈，汽車發動機關閉一段時間后，車內溫度迅速升高。實驗表明，夏季戶外停放的小汽車，車內平均溫度可高達55 ℃，某些物體表面甚至達到71 ℃ 左右。有限空間內的高溫會導致車內一些皮制產品散發出讓人難以承受的氣味，駕駛人員需要忍受長達15～20 min才能適應[3]。如何解決車內溫度過高和一些讓人難受的氣味等問題？

現有的防曬車罩最近的研究動向是向其多功能自動化發展[4]，但它將太陽能當作多余的能量阻擋在室外，沒有加以充分利用。本文通過將光伏發電技術與防曬車罩完美結合，將其改造為光伏發電式防曬、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行發電。該車罩一方面達到防曬的目的，另一方面所發的電能在停車時會驅動負載，如車用制冷器或空間清新器，達到降溫與去除車內異味等作用，給駕駛人員創造一個美好舒適的環境。

1 可行性分析

經測量，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43 566 cm2，詳細測量數據如下。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，性能優良、成本低廉，可折疊[5]。其產品已廣泛應用于太陽能背包、太陽能敞篷、太陽能汽車、太陽能帆船甚至太陽能飛機上[6]。其尺寸可根據客戶進行定制，為了降低其成本選用現有的柔性太陽能電池，其相關尺寸如下：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到很好的節能減排的目的。

2 系統設計及技術原理

2.1 系統設計

該車罩是集發電、儲能、遮陽、防塵等多功能于一體的新型防曬車罩，實現一物多用，同時達到節能減排的目的。車罩內置柔性太陽能電池組件，它通過黏扣黏(或編制)在防曬罩上。所發電能在汽車停車時能驅動車內負載，達到降低車內溫度，排除車內異味等功效。同時，它還包括Led燈、電子車牌、控制器、蓄電池以及各種負載等部件。車罩棱邊上的Led燈和電子車牌能在夜晚發光，為周圍提供照明作用的同時，也能取到廣告的效應,其原理示意圖如圖1所示。

圖1 原理示意圖

2.2 實驗原理

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

(1)柔性太陽能電池。柔性電子技術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,在近10年來得到了迅速的發展。柔性太陽能電池就利用此技術,將脆性的GaAs電池模塊粘貼在超彈性材料PDMS上,使整個薄膜電池結構的延展性得到了增加[7]。柔性太陽能電池由于其質量輕、成本低、容易加工,適于大面積生產等特點已經引起人們的廣泛關注[8]。它是太陽能發電系統的核心部分。白天吸收太陽光，將光能轉化為電能供負載使用。

(2)太陽能控制器。太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，將太陽能電池所發的電供給負載使用，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、過放電保護的作用[9]。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。

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

(4)逆變器。將太陽能電池所發的直流電轉化為交流電供交流負載使用[11]。

產品設計的最終效果如圖2所示。

圖2 實物效果圖

3 性能研究與分析

太陽能電池是整個系統的核心部件，其性能好壞直接影響其發電量的多少。為此，先要對單個電池片的性能進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，實驗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在柔性太陽能電池板上，檢驗柔性太陽能電池板是否成功儲電；③連接實驗器材，準備測量實驗數據;④測量組件的輸出電流和電壓,電阻從0～30 kΩ。實驗數據如表1所示。

表1 太陽光照下柔性電池組件的實驗數據

根據以上實驗數據，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，隨著負載電阻的增大，柔性太陽能電池板的功率隨之變小。當外界負載達到約0.6 kΩ時，其組件的輸出功率達到最大值。

4 應用舉例

4.1 車內降溫

分別測試了不加車罩、加普通車罩與光伏發電車罩3種情況下的夏天車內溫度,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 ℃。在夏日室外溫度達到40 ℃左右時，太陽暴曬一段時間后，車內的溫度一般為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，并打開負載，柔性太陽能電池板會吸收太陽的能量，轉化為電能后作用于負載上，進一步降低車內溫度，可達到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燈的廣泛應用將為現代社會提供更加優良、環保的照明環境和高效、節能的照明品質，并且替代白熾燈的應用[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，五彩的燈光也達到了美化環境的目的,如圖5所示。

5 結 語

車用遮陽太陽能光伏發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憂和環境惡化的焦慮,使得充分利用可再生能源已經成為全球共識。以太陽能、風能為代表的大規模可再生能源并網發電已經成為新型電力系統不可阻擋的發展趨勢,對電力系統深層次的影響正在凸顯,各國學術界和工程界均給予極大關注[14]。然而，隨著我國國民經濟的持續快速增長，城市居民可支配收入的快速增加，以及國家對汽車產業的宏觀牽引，國際汽車巨頭紛紛進入國內，汽車開始迅猛進入家庭，引發了城市汽車數量急劇增長[15]。一輛汽車的發電量可能很少，然而數目巨大的車輛一起發電，如大型停車場，廢棄車輛滯銷地等，其發電量將十分可觀。

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