基于光伏遮陽板供電的悶曬車輛通風降溫研究

劉明瑞，陳海進

（南通大學 信息科學技術學院，江蘇 南通 226000）

0 引言

截至2019年上半年，全國的停車位缺口已達2.1億[1]，停車位的巨大缺口使大部分車輛露天停放。夏日暴曬下，車內空氣的平均溫度可達到60℃[2]，[3]。持續的高溫不僅會影響人員進入車內后的舒適感，還會加速車內電子設備與飾品的老化，導致有毒物質的釋放。有限的面積限制了車載光伏電池的發電量，無法滿足汽車空調的供電需求。合理利用太陽能，驅動汽車外循環通風系統對悶曬車輛進行通風，是一個有效降低車內空氣溫度且切實可行的方法。當不需要駐車通風或車載光伏電池供電有盈余時，車載光伏電池可以對汽車藍牙、行車記錄儀等設備供電，對汽車蓄電池進行充電維護，延長汽車電池的使用壽命[4]。然而現有的車載光伏產品大多為概念雛形，未進行大規模市場化投放，使用光伏電池維持駐車通風具有極大的市場潛力。

文獻[5]，[6]通過仿真研究了悶曬車輛的通風降溫效果。文獻[7]提出在車頂放置光伏電池來維持駐車通風系統供電，但文中缺乏對系統供電量與降溫效果的分析，且對車輛外部框架的改造會顯著提高成本。文獻[8]提出了一種卷簾式太陽能遮陽板的設計思路，但文獻僅局限于設計方法，同樣未說明系統的供電量與降溫效果，缺乏理論支持。文獻[9]對汽車太陽能供電的駐車通風系統進行了能耗的評估與降溫模擬，論證了基于車頂放置光伏電池維持駐車通風的可行性，但分析局限于車輛外部水平放置的車載光伏電池。

市場現有的汽車遮陽板成本低、易于維護和收納，結合光伏薄膜電池良好的柔性制成光伏遮陽板，可避對車輛外部框架的改造。光伏遮陽板一方面通過遮陽降低車艙溫度，另一方面吸收太陽輻射并轉換為電能，維持車輛駐車通風可進一步降低車艙溫度，對車艙的通風降溫起到“開源節流”的作用。本文通過構建基于光伏遮陽板供電的悶曬車輛通風降溫模型，使用數值模擬方法對車艙的遮陽通風效果進行分析，利用穩態周期性得熱的性質，將太陽輻射與遮陽通風對車艙空氣溫度的影響以時間序列形式表達出來。使用當量滿負荷運行時間法對系統的能耗進行分析，驗證方案的可行性。

1 光伏遮陽板供電的悶曬車輛通風降溫模型

1.1 車艙建模

太陽輻射強度、環境溫度、環境風速以及汽車停放朝向與玻璃的透射率都對露天停放車輛的溫度有影響。因此傳導傳熱、對流傳熱和輻射傳熱都會造成車輛部件和空氣的熱浸。車內空氣溫度變化量△Tair為[2]

式中：Qr，Qcd，Qcv分別為外界對車內空氣的輻射傳熱、傳導傳熱、對流傳熱的傳熱量；C為車艙內空氣的比熱容；m為質量。

使用ANSYS的計算流體力學（CFD）模塊構建汽車鼓風降溫的網格模型。測量車型尺寸按1∶1等比例構建CFD模型。為簡化模型，忽略車艙內方向盤等對溫度影響較小的部件，構成的網格模型及仿真環境參數如圖1所示。

圖1 車艙模型與仿真環境參數設定Fig.1 Vehicle model and the environment parameter setting of simulation

為模擬前擋風玻璃處遮陽板對空氣溫度的影響，在圖1（a）模型中，平行于前擋風玻璃添加光伏遮陽板，即圖中陰影部分。選取本文所在地的經緯度將地點設置為東經121.05°，北緯32.08°。根據對車輛的實測數據，對邊界條件相關參數進行了設定。在理想情況下，風流為低速不可壓縮流體，密度符合近似假設。忽略由流體的黏性力做功所引起的耗散熱，假設車艙壁面粗糙度均勻，所有壁面施加無滑移邊界條件；假設壁面溫度均勻分布，車艙的各壁面材料屬性按照其各層材料數據取其加權平均值。使用DO輻射模型并調用FLUENT太陽軌跡追蹤模型。選用k-epsilon湍流模型，啟用RNG模型和浮力效應。在6：00-18：00，每小時設立一個仿真時間點，將車艙溫度以時間序列形式表現出來。在中控臺空調出風口位置添加總面積為0.01 m2的4個進風口，模擬汽車空氣循環的通風口。在車艙后部設置2個總面積為8 cm2的壓力出口以模擬車內的氣體自然溢出。仿真中設置各時刻太陽直射輻射值、水平方向與豎直方向散射輻射值和環境溫度等環境參數設定如圖1（b）所示。

1.2 光伏遮陽板對車艙冷熱負荷的影響

玻璃對陽光等短波輻射具有較高的透射率，對長波輻射具有較高的反射率。當光線經過車內粗糙飾品表面反射后波長變長，難以對外進行輻射傳熱，加劇了空氣溫度的上升。通過查閱機動車安全手冊可知，前擋風玻璃及其貼膜的可見光透射率須大于70%，其余玻璃的可見光透射率須大于50%。正是因為汽車不同部位玻璃及其貼膜的透射率不同與車窗玻璃尺寸的差異，當車輛不同朝向停放時，車艙空氣溫度會有顯著差異[10]，不同停放朝向車艙空氣溫度的變化曲線如圖2所示。

圖2 遮陽板對車艙空氣溫度的影響Fig.2 Air temperature affected by sunshade

光伏遮陽板遮擋了經前擋風玻璃投射入車艙的太陽輻射，減少了車艙的輻射得熱，但遮陽板在陽光照射下同樣會升溫，導致遮陽板與車艙空氣產生熱交換。根據Sandia國家實驗室開發的電性能模型，光伏組件背面溫度經驗公式可表示為[11]

式中：Tb和Tf分別為光伏遮陽板背部溫度與正面溫度；Gd為太陽直射輻射；經驗系數a=-3.562，b=-0.076 8；V為遮陽板表面的風速。

對比圖2中兩組數據可以看出，添加遮陽板后4種朝向的車艙空氣溫度均有5 K左右的降低。不同朝向下的車艙溫度變化曲線由原本在各時刻的互有高低，變為大致上的趨于相同。這一現象表明，遮陽板的存在削弱了停放朝向對車艙空氣溫度的影響。同時說明相對于汽車其他部位的玻璃，通過前擋風玻璃透射入車艙的太陽輻射所占比重較高。因此對前擋風玻璃進行遮陽可有效降低悶曬車輛的車艙的空氣溫度。

1.3 光伏遮陽板的工程計算模型

光伏遮陽板作為汽車的輔助充電電源，須滿足對駐車通風系統等汽車設備的供電需求。通過將車艙內的高溫氣體與車外相對溫度較低的氣體進行通風換氣，可以明顯降低車內溫度，換氣速度越高則降溫效果越明顯，但更高的風速需要消耗更多的能量。因此光伏遮陽板的發電量是研究的重點之一。光伏組件的溫度與入射輻射值都會改變其輸出功率，而一般情況下，光伏電池生產方只向用戶提供標準測試條件（光照強度1 000 W/m2、溫度25℃、光譜特性AM1.5標準光譜）下的4個參數Isc0，Uoc0，Im0，Um0。僅用有限的出廠參數來復現任意光強和溫度條件下光伏電池的輸出特性較困難。因此文獻[12]根據上述參數引入相應的補償系數，得到誤差在6%以下的工程計算模型。

式中：Isc，Im，Uoc和Um分別為光伏電池的實時短路電流、工作電流、開路電壓和工作電壓；G為光伏電池的入射輻射值；T為光伏電池溫度；C1，C2為補償系數；I，U分別為光伏電池的輸出電流值與輸出電壓值；Iscn和Uocn分別為第n時刻光伏電池的短路電流和開路電壓。根據工程計算模型，可得到不同溫度與不同太陽輻射強度下光伏電池的P-V曲線，如圖3所示。

圖3 光伏電池的P-V曲線Fig.3 The P-V curves of PV

由圖3可以看出，溫度每提升10 K，光伏電池的輸出功率減少約2.3%。光伏電池的輸出功率與受到的太陽輻射成正比。車艙模型的仿真結果顯示，當車艙空氣溫度達到最高值時，光伏電池的表面溫度也達到峰值331 K，相對于標準測試條件，其輸功率僅降低約6.2%，而太陽的輻射數值則會隨時間而產生較大變化。由此可以得出，光伏遮陽板的輸出功率受本身溫度的影響較小，受太陽輻射強度的影響較大。

2 供能與耗能分析

2.1 駐車通風系統的功耗

由于汽車的密閉性好，自然換熱效率低，車輛在露天暴曬下，熱量易堆積于艙內無法排出，車艙溫度高于環境溫度20 K以上。因此對車輛進行通風換熱可以有效降低車艙空氣溫度。本文以車輛正南停放為例，使用汽車的外循環通風系統，分別對悶曬車輛進行風速為1，2，3，5 m/s的通風降溫，對應的最高降溫數值為2.3，4.7，7.4，9.6 K。單位風速下的平均降溫數值分別為2.3，2.35，2.46，1.9 K。

車艙空氣的降溫變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，駐車通風可以顯著地降低車艙空氣溫度，且降溫數值隨駐車通風風速的增加而增加。但是單位風速的降溫數值卻在一定程度的增長后出現降低。對比圖中風速3 m/s與5 m/s的降溫曲線，在風速提高了2 m/s的情況下，降溫效果僅提升2.2 K，相對于0 m/s與2 m/s降溫曲線的變化，降溫效率有著明顯的降低。由此可見，當駐車通風系統的風速大于一定數值時，單位風速下的降溫效果會存在明顯的邊際效應。須根據汽車通風系統的耗能與降溫需求，結合光伏組件的供電實際，得出性價比最高的駐車通風方案。本文使用風速儀測量車輛進風口風速，并測量外循環模式鼓風機各個檔位的電壓電流。測量結果見表1。

圖4 不同風速下各時刻車艙空氣的溫度Fig.4 Air temperature under different ventionation at different time

表1 不同駐車通風參數下的車載電池耗電量Table 1 Power consumption of the battery under different parking ventilation parameters

測試中的汽車電池空載電壓為12.61 V，電瓶容量為60 Ah，為保證汽車點火啟動，電池電壓一般不得低于10.5 V。從表1可以看出，汽車在外循環通風系統的靜態功耗為0.033 7 kW·h，只夠維持車輛22.4 h的工作時間，汽車蓄電池的電量不足以維持長時間的駐車通風。對車輛加裝光伏模塊可以彌補汽車蓄電池的續航缺陷。文獻[7]論證了放置于車頂的光伏頂棚的可行性，但若進行該種改裝，需要對汽車的外部框架進行更換，價格一般為6 500元，更換與后期維護成本較高。由于車輛的停放環境具有隨機性，車載光伏電池表面會出現局部被遮擋的情況，不可避免地引起光斑效應，損壞光伏電池[13]。而當光伏頂棚出現損壞時，需對整個汽車頂棚進行更換，維護成本高。對汽車內置的遮陽板而言，可通過對其收納避免不必要的損壞。無論是直接使柔性薄膜光伏電池作為遮陽板進行卷簾式收納，還是在遮陽板上嵌入薄膜光伏電池片進行折疊式收納，或是人員手動進行收納，都避免了對汽車外部框架的改裝，降低了損壞風險，減少了后續維護成本。

2.2 光伏遮陽板供電量

相同的光照環境下，車載光伏組件的供電量決定了駐車通風系統的最高風速。根據前文對光伏電池計算模型的分析，光伏遮陽板的發電功率受入射太陽輻射的數值影響。入射太陽輻射的數值大小不僅與各時刻太陽位置有關，而且與光伏電池板放置的傾角和放置朝向有關。為估算光伏遮陽板的日總供電量，本文通過使用太陽能測試儀，測量2019年7-9月太陽輻射的數值，每日測量數值的均值與FLUENT太陽模型的太陽輻射功率數值基本一致，由MATLAB進行函數擬合后得出的簡易太陽輻射功率Psun，其表達式為

式中：t為當地時間。

各時刻太陽輻射的擬合數值與測量數值對比如圖5所示。

圖5 各時刻太陽輻射的擬合數值與測量數值Fig.5 Fitting value and measured value of solar radiation at each time

式中：η為光伏電池的轉換率；τ為汽車前擋風玻璃的透射率；S為光伏電池的面積。為體現方案數據的先進性和擴展性，本文根據現有商用光伏電池的最高數值，將η設置為20%[16]。

由于車輛停放的隨機性與人員安置光伏遮陽板的隨意性，光伏遮陽板很難保證固定朝向與固定角度的安置。圖6為不同傾角、朝向下光伏遮陽板發電功率的計算曲線。

圖6 不同傾角與朝向下各時刻光伏遮陽板的發電功率Fig.6 Power generation of photovoltaic sunshade at different times under different inclination and orientation

由圖6可以看出，光伏遮陽板的擺放角度和車輛的停放朝向都會對光伏遮陽板的發電功率造成顯著影響。因此本文以光伏遮陽板法線與西和南兩方向的夾角大小作為變量，根據公式計算不同傾角與朝向下各時刻光伏遮陽板的發電功率。

本文模型中前擋風玻璃的面積為1.12 m2，與水平面夾角為40°，在理想情況下假設光伏遮陽板與前擋風玻璃完全重合，使用當量滿負荷運行時間法對駐車通風系統功耗和光伏遮陽板發電量進行分析。4種朝向下各時刻發電功率如所圖7所示。

圖7 不同朝向各時刻發電功率Fig.7 Power generationat in different directions

從圖7可以看出，不同放置朝向的光伏遮陽板都能滿足車輛的駐車通風功能的供電需求并有電量盈余。

日發電總量如圖8所示。

圖8 日發電總量與通風系統耗電量Fig.8 Total daily power generation and ventilation system power consumption

本文以計算發電量的75%作為對駐車通風系統的實際供電量，結合表1中駐車通風系統各檔位的耗能，可得基于光伏遮陽板供電的駐車通風系統的最佳風速為2 m/s。在此風速條件下，駐車通風系統的日消耗約為0.888 kW·h。

3 降溫效果對比分析

根據前文得出的最佳駐車通風風速，對不同停放朝向的車輛進行2 m/s的遮陽通風仿真，車艙空氣的降溫曲線如圖9所示。

圖9 2 m/s遮陽通風下車艙空氣溫度變化曲線Fig.9 Air temperature in vehicle under ventilation of 2 m/s

對比圖2，東、南、西、北4種朝向車艙空氣的最高降溫數值分別10.1，11.0，10.2，9.0 K。車艙空氣溫度的高溫時長與最高溫度都有明顯降低，車艙空氣的日總熱負荷減少14.27%。以人體舒適溫度297 K作為降溫后的期望溫度，基于光伏遮陽板供電的駐車通風系統降低了車艙的空氣溫度，可減少27%空調的制冷時間，降低人員進入車輛后的不適程度，減少高溫導致的有毒物質的釋放。

作為對照組，車頂放置同等面積的光伏頂棚可維持3 m/s的駐車通風風速。以車輛正南停放向為例，3種方案的降溫效果對比如圖10所示。

圖10 不同條件下的降溫效果對比Fig.10 Comparison of cooling effects under different conditions

由圖10可以看出，雖然光伏遮陽板的發電量相對較小，但是光伏遮陽板下2 m/s通風的降溫數值卻比無遮陽板下3 m/s的通風提升39.4%。若在無遮陽板下達到同等的降溫效果，須提高供能使通風風速達到5 m/s。車頂放置光伏電池需要增大面積約67%才能滿足同等降溫預期的供電需求。光伏電池面積的增大增加了產品的成本，且不適配車頂面積較小的車型。

4 結論

本文進行了基于光伏遮陽板供電的悶曬車輛降溫研究。對遮陽熱物理模型進行了簡化，建立了光伏發電的數學模型，結合駐車通風系統的耗電量、光伏組件的供電量于實際的降溫效果，得出以下結論。

①光伏遮陽板可以滿足駐車通風系統的供電需求。使用光伏遮陽板供電可維持車輛2 m/s的駐車通風，并有盈余電量對汽車電池進行充電維護。最高可降低車艙空氣溫度11 K，減少14.27%車艙空氣的日總熱負荷，有效減緩了艙內物品的老化。減少人員進入車艙后27%空調制冷等待時間，降低了燃料的消耗。

②光伏遮陽板具有更高的降溫效率。光伏遮陽板使不同停放朝向車輛的車艙空氣溫度變化曲線趨于相同，對前擋風玻璃進行遮擋可以有效減少輻射得熱。而且由于駐車通風的降溫效果存在邊際效應，遮陽板下2 m/s的通風降溫效果與無遮陽板下5 m/s的通風效果相同。在相同光伏電池尺寸的條件下，基于光伏遮陽板供電的駐車通風系統的降溫效果比基于光伏頂棚供電的系統提高39.4%，且耗電量更低。

③光伏遮陽板的改裝與維護成本低。無論汽車光伏頂棚還是光伏天窗都需要對車輛的車身框架進行改裝，當出現故障時需對整個部位進行拆卸。汽車光伏遮陽板避免了對車身的改造，易于更換維修，更具市場潛力。