太陽能輔助汽車電動空調(diào)制冷系統(tǒng)研究

王太成，張洪巖

（1.山東交通職業(yè)學院，山東 泰安 271000；2.勝利油田新星燃氣技術(shù)開發(fā)有限責任公司，山東 東營 257000）

目前，國內(nèi)外對汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究，除繼續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有車載空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局和提高舒適性能外，還有將太陽能輔助溫控系統(tǒng)應用在汽車空調(diào)系統(tǒng)中，以解決夏日汽車室外熄火暫時停泊后車內(nèi)的制冷和空氣調(diào)節(jié)問題的方案。已經(jīng)成型的產(chǎn)品有太陽能溫控風扇和太陽能半導體制冷裝置。前者是利用車載太陽能電池板給蓄電池充電，汽車停車發(fā)動機熄火后，當汽車車廂內(nèi)溫度超過預定值時，打開電動風扇和換氣閥，將室內(nèi)的熱氣體排出，同時吸入外界的新鮮空氣，從而達到空氣調(diào)節(jié)的目的；后者是利用熱電偶冷、熱端的熱電制冷效應，由太陽能電池供給所需的直流電，把熱電偶的冷端放置于汽車室內(nèi)工作環(huán)境中吸熱，熱端置于大氣環(huán)境中放熱，從而達到汽車室內(nèi)制冷的功效。

上述兩種輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)無論是工作持續(xù)時間還是制冷效果都存在一定的局限性，與皮帶帶動的機械壓縮機空調(diào)制冷效果相比差距甚大。本文介紹的太陽能輔助汽車電動空調(diào)制冷系統(tǒng)，是在汽車皮帶帶動的機械空調(diào)的基礎(chǔ)上加裝一套直流電機空調(diào)壓縮機制冷系統(tǒng)，通過汽車外部的太陽能電池板或汽車發(fā)電機向蓄電池充電后，再向直流電動壓縮機提供電能，可根據(jù)需要通過手動轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換機械制冷或電動制冷模式，解決夏季汽車發(fā)動機熄火后室外停泊和汽車在怠速、低速、中速斷續(xù)行車持續(xù)時間較長的運行工況條件下車廂內(nèi)的空氣制冷調(diào)節(jié)和節(jié)能減排問題。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 空調(diào)系統(tǒng)的組成

以普通桑塔納轎車安裝本系統(tǒng)為例，空調(diào)系統(tǒng)的電路如圖1所示。除原車部件蒸發(fā)器、冷凝器、儲液干燥器、膨脹閥、各種開關(guān)元器件，及與其配套的電源電路、電磁離合器控制電路、鼓風機控制電路和冷凝器冷卻風扇控制電路外，太陽能輔助電動空調(diào)系統(tǒng)增加了28V太陽能電池板3、24V蓄電池4、28V直流變壓器5、直流電機空調(diào)開關(guān)6、直流電機空調(diào)繼電器7、熔斷絲8、直流電機空調(diào)壓縮機V1等。

24V直流電動空調(diào)壓縮機V1由24V蓄電池提供電能，通過直流電機空調(diào)開關(guān)和直流電機空調(diào)繼電器控制。電源由2塊12V蓄電池串聯(lián)組成，蓄電池的容量與原車裝用蓄電池容量大致相等。系統(tǒng)由汽車發(fā)電機和28V太陽能電池板同時向蓄電池充電，以確保蓄電池經(jīng)常處于充足電的狀態(tài)。因汽車發(fā)電機的直流輸出電壓約為14V，因此，需經(jīng)28V直流變壓器將發(fā)電機輸出電壓升高后方能向24V蓄電池充電。車輛正常行駛時，汽車發(fā)電機和28V太陽能電池板同時向蓄電池充電，可將發(fā)電機和太陽能電池板的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能儲存起來。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

1.2.1 使用機械空調(diào)壓縮機時的工作情況

點火開關(guān)接通使減荷繼電器工作后，C路電源接通。接通空調(diào)A/C開關(guān)，電流從12V蓄電池的正極經(jīng)減荷繼電器的觸點、熔斷絲S14、空調(diào)A/C開關(guān)后分為2路，第1路經(jīng)空調(diào)指示燈K46構(gòu)成回路，空調(diào)指示燈K46亮，表示空調(diào)A/C開關(guān)接通。

第2路經(jīng)室溫開關(guān)F38后又分成3路：①一路經(jīng)新鮮空氣電磁閥N63構(gòu)成回路，該閥動作接通新鮮空氣翻板真空促動器，新鮮空氣進入空氣通道。②一路到蒸發(fā)器溫控開關(guān)F33，給電磁離合器N25和怠速電磁閥N16供電，空調(diào)壓縮機運轉(zhuǎn)制冷，同時怠速電磁閥N16動作，使發(fā)動機以較高的怠速運轉(zhuǎn)而驅(qū)動壓縮機工作，當蒸發(fā)器溫度低于調(diào)定溫度，溫控開關(guān)F33斷開，壓縮機停止轉(zhuǎn)動，同時怠速電磁閥N16斷電，怠速自動調(diào)節(jié)裝置不起作用。③第3路是經(jīng)空調(diào)繼電器J23構(gòu)成回路，使其兩對觸點吸合，其中一對觸點用于控制冷凝器冷卻風扇電動機及其繼電器J26，高壓開關(guān)F23和繼電器J26串聯(lián)，當制冷系統(tǒng)高壓側(cè)壓力低于1.5 MPa時，高壓開關(guān)F23觸點斷開，冷卻風扇低速運轉(zhuǎn)，當制冷系統(tǒng)高壓側(cè)壓力高于1.5 MPa時，高壓開關(guān)F23觸點接通，繼電器J26通電，觸點閉合，冷卻風扇高速運轉(zhuǎn)以加強冷凝效果；另一對觸點用于控制鼓風電動機V2，該觸點在接通空調(diào)A/C開關(guān)時，立即閉合，這時即使沒有接通鼓風機開關(guān)E6，鼓風機V2也將從該觸點獲得電流而低速旋轉(zhuǎn)，以免接通空調(diào)A/C開關(guān)后忘記接通鼓風機開關(guān)E6，使蒸發(fā)器表面不能獲得強制通風而造成結(jié)冰現(xiàn)象。

1.2.2 使用電動空調(diào)壓縮機時的工作情況

點火開關(guān)接通，C路電源接通。接通直流電機空調(diào)開關(guān)，電流從12V蓄電池的正極經(jīng)直流電機空調(diào)開關(guān)后分為2路：第1路經(jīng)室溫開關(guān)F38后又分成3路，3路電流的流向與使用機械空調(diào)壓縮機時的工作情況相同，故不再贅述。但需要說明的是通過蒸發(fā)器溫控開關(guān)F33給電磁離合器N25和怠速電磁閥N16供電時，因汽車發(fā)動機不運轉(zhuǎn)，故無論蒸發(fā)器溫度高于還是低于調(diào)定溫度，蒸發(fā)器溫控開關(guān)F33接通與否，空調(diào)壓縮機和怠速調(diào)節(jié)裝置均不起作用。第2路是24V直流電經(jīng)直流電機空調(diào)繼電器的開關(guān)觸點至直流電機空調(diào)壓縮機V1，直流電機空調(diào)壓縮機運轉(zhuǎn)，吸入低溫低壓的制冷劑蒸汽，將其壓縮成為高溫高壓的氣體，經(jīng)高壓管路送入冷凝器冷凝為液態(tài)，然后進入儲液干燥器去除水分和雜質(zhì)后至膨脹閥。高溫高壓的液態(tài)制冷劑流經(jīng)膨脹閥后，借助膨脹閥的節(jié)流作用變?yōu)榈蜏氐蛪旱撵F狀氣體噴入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收周圍空氣的熱量而使周圍空氣溫度降低。鼓風機V2將空氣吹過蒸發(fā)器表面，將涼氣送進車廂，使車廂內(nèi)空氣變得涼爽。

2 系統(tǒng)的主要功能和創(chuàng)新點

太陽能輔助汽車電動空調(diào)制冷系統(tǒng)的主要功能和創(chuàng)新點可概括為以下幾個方面。

1）本系統(tǒng)以太陽能為動力源，對環(huán)境無污染，可持續(xù)，對降低汽車燃油消耗和環(huán)境保護具有重要作用。系統(tǒng)拆裝靈活便捷，可作為汽車空調(diào)的輔助備用系統(tǒng)使用，是清潔能源技術(shù)在汽車上的重要應用推廣。

2）本系統(tǒng)既可利用太陽能電池板向儲能蓄電池充電，又可利用汽車發(fā)電機向儲能蓄電池充電。在發(fā)動機熄火的情況下開啟太陽能輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)，由太陽能電池板和已充足電的儲能蓄電池向空調(diào)壓縮機直流電機提供電能；在發(fā)動機運轉(zhuǎn)的情況下開啟太陽能輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)，太陽能電池板和汽車發(fā)電機同時向蓄電池充電并向直流電機空調(diào)壓縮機提供電能，確保了系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。

3）利用直流電機空調(diào)壓縮機驅(qū)動原車載空調(diào)循環(huán)制冷蒸發(fā)系統(tǒng)是一種新的嘗試，與太陽能溫控風扇和太陽能半導體制冷系統(tǒng)相比，空氣制冷調(diào)節(jié)效果好，也能使汽車發(fā)電機發(fā)出的電能得到更充分的利用。

4）在炎熱夏季汽車停在室外且發(fā)動機熄火的情況下，可通過在駕駛室內(nèi)安裝溫控感應開關(guān)，自動啟動太陽能輔助空調(diào)系統(tǒng)，將汽車室內(nèi)的溫度控制在設(shè)定范圍之內(nèi)，既較好地解決了因太陽直射車內(nèi)溫度過高而使汽車內(nèi)飾裝潢發(fā)出異味危害駕乘人員的身體健康問題，又解決了炎熱夏季汽車發(fā)動機熄火后室外停車時車廂內(nèi)的制冷和空氣調(diào)節(jié)問題。

5）據(jù)權(quán)威部門公布的數(shù)據(jù)顯示，中國人均石油、天然氣擁有量僅為世界平均水平的1/15左右，原油對外依存度高達60%以上，因此，汽車的節(jié)能降耗勢在必行。另一方面，隨著中國汽車保有量的快速增加，汽車尾氣污染已成為中國空氣污染的重要來源，是造成細顆粒物、光化學煙霧污染的重要原因，汽車的污染防治也迫在眉睫。本系統(tǒng)旨在解決汽車夏日泊車或行車時車廂內(nèi)的制冷和空氣調(diào)節(jié)問題，以及由此引起的節(jié)能減排問題，符合低碳環(huán)保的既定國策，推廣應用前景廣闊。

3 系統(tǒng)在設(shè)計中應重點研究解決的問題

為使太陽能輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)能夠在汽車上得到廣泛的推廣應用，在規(guī)劃設(shè)計過程中既要統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的性能、成本、使用壽命、安裝布局，又要考慮系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能減排效果及投資回報周期等問題。

1）太陽能電池是關(guān)鍵部件之一，但目前使用的單晶硅或多晶硅太陽能電池的光電效率不高，約為17%，由于光電轉(zhuǎn)化效率越低，在相同的功率輸出情況下，所需的太陽能電池的面積越大，這不利于在車頂上的布置。據(jù)報道，國外多層太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率可高達41.1%，在相同的功率輸出情況下，可大大減少太陽能電池板的面積。因此，太陽能電池的材料、電池板的結(jié)構(gòu)、電池板在汽車中的安裝、電池板的充放電等核心技術(shù)是需要重點研究的課題。

2）直流電機空調(diào)壓縮機是太陽能輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的驅(qū)動部件，也是系統(tǒng)中唯一的運動部件，因此，直流電機空調(diào)壓縮機在車上安裝后工作的可靠性和穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵所在，是測試的重點。此外，系統(tǒng)在太陽能電池板單獨供電情況下獨立工作的制冷效果是否能接近原車空調(diào)的制冷效果、系統(tǒng)獨立運行的持續(xù)時間長短、系統(tǒng)長時間連續(xù)運行時制冷效果是否穩(wěn)定可靠，以及太陽能電池板的發(fā)電量與所選儲能蓄電池是否匹配等內(nèi)容也需要進行持續(xù)測定和不斷優(yōu)化。

3）要對出廠新車或在用汽車設(shè)計加裝直流電機空調(diào)壓縮機式太陽能輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)后的直接成本進行測算，并與夏季使用該系統(tǒng)產(chǎn)生的油耗減少、排放降低、汽車磨損減少而使維修費用減少等綜合收益進行對比分析，在能滿足夏季制冷基本功能的前提下，盡量降低系統(tǒng)成本，縮短投資回報周期，為大面積推廣應用創(chuàng)造條件。

4 結(jié)束語

目前，我國太陽能應用技術(shù)日臻成熟，太陽能應用水平也處于國際領(lǐng)先地位，太陽能發(fā)電已廣泛應用于航天、通信、工業(yè)、家用電器等專業(yè)領(lǐng)域，但在汽車上的應用屈指可數(shù)。目前，我國汽車保有量已超過2億輛，隨著人均GDP的不斷增加，汽車的產(chǎn)銷量平均每年還將有10%以上的增幅，節(jié)能、降耗和減排任重而道遠。本系統(tǒng)可在在用汽車上改裝，但在汽車出廠前設(shè)計安裝更佳。

經(jīng)用改裝樣車進行測試，使用本系統(tǒng)進行制冷，油耗可降低10%～15%，車速在60km/h以下開空調(diào)時，油耗則可降低15%以上，同時，可實現(xiàn)HC（碳氫）、NOx（氮氧化合物）、CO（一氧化碳）和PM（微粒）零排放。按平均每年使用空調(diào)4個月、家庭轎車平均每車每月燃油費500元、10%的現(xiàn)用小型載客汽車安裝使用本系統(tǒng)計算，則每年可節(jié)約燃油費用45億元，HC、NOx、CO和PM排放減少數(shù)量也是一個龐大的數(shù)字。綜合考慮本系統(tǒng)的先進性和可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，加之節(jié)能、降耗和減排等諸多因素，筆者認為，系統(tǒng)具有較大的推廣應用價值和廣闊的發(fā)展空間。