基于柔性光伏組件的重型卡車駕駛室供能系統的實驗研究

收稿日期：2023-03-02

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目——基于柔性光伏組件的貨車駕駛室局部控溫與充放電技術集成（202210536021）

通信作者：趙斌（1968—），男，博士、教授，主要從事工程熱物理及先進發電技術方面的研究。zhaobin19680507@163.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230302.01 文章編號：1003-0417（2024）04-29-12

摘 要：中國重型卡車保有量大，駕駛員工作強度極大，駕駛室內空間有限且封閉，提高駕駛員的熱舒適性對于緩解其疲勞、提高行車安全性具有重要意義。為在提高駕駛員熱舒適性的同時減少重型卡車的能源消耗，研發了一套基于柔性光伏組件的重型卡車駕駛室供能系統，以國產重型卡車中銷量最高的車型為例搭建了重型卡車駕駛室實物模型，對使用柔性光伏組件供電和半導體制冷裝置實現駕駛室局部溫度控制和充放電技術集成的應用方法進行了探索，并通過實驗從局部溫度控制策略、光伏發電與變負載充電關系這兩個方面對本供能系統設計的合理性進行了驗證。研究結果表明：以長沙地區為例，經計算，重型卡車（平穩運行時）駕駛室內的夏季制冷總負荷為3995 W，使用6組（共18片）半導體制冷片組即可達到駕駛室局部的制冷效果。使用人工環境箱模擬長沙地區夏季、冬季環境溫度進行局部溫度控制效果實驗，本供能系統的制冷和供暖效果均可滿足人體的熱舒適性需求，驗證了所提出局部溫度控制策略的可行性。根據光伏發電與變負載充電實驗，1塊XZL-A100型單晶硅柔性光伏組件的年發電量約為13.3 kWh，本供能系統的光伏發電模塊采用6塊單晶硅柔性光伏組件并聯，發電量可以滿足重型卡車駕駛室局部溫度控制的用電需求。

關鍵詞：柔性光伏組件；重型卡車駕駛室；半導體制冷；光伏發電；局部溫度控制；供能系統；熱舒適性

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

截至2022年，中國重型卡車的保有量穩步增長[1]。由于貨物運輸在空間和時間上的跨度較大，重型卡車駕駛員長期從事高強度工作，極易出現疲勞和焦躁等狀態，會對安全行駛造成隱患。傳統的重型卡車駕駛室使用車載空調來調節整個駕駛室的溫度，可以改善駕駛室的熱舒適性，從而減小交通事故的發生幾率。但車載空調會造成能源浪費，并會對重型卡車的動力性能產生負面影響，采用開啟式壓縮機的車載空調還存在制冷劑泄漏的風險。因此，采用無制冷劑的局部空調系統具有極大的發展潛力。

Vesely等[2]證實了工位送風方式的高效性，并指出基于帕爾貼效應的半導體制冷技術具有結構簡單、無制冷劑、制冷速度快、負荷調控性好、局部空間制冷效果好等獨有的優勢。這些得天獨厚的優點使半導體制冷技術很適用于駕駛室局部溫度控制系統[3]。杜涵[4]對半導體制冷技術應用于汽車局部空調進行了相關研究，且通過遺傳算法對其綜合性能進行了優化，研究結果表明：采用半導體制冷技術的汽車局部空調可大幅提高人體的整體熱舒適性。王彬彬[5]對不同送風結構下駕駛室內速度場和溫度場的變化進行了分析，分析結果表明：在不降低駕駛員熱舒適性的情況下，若采用頂置和側位組合送風方式可節能約41.4%。

隨著新能源發電技術的不斷發展，汽車上電能的來源越來越豐富，這也將為駕駛室局部溫度控制系統在汽車領域的應用提供契機[6-9]。《“十四五”現代能源體系規劃》（發改能源[2022] 210號）和《國家能源局關于建立可再生能源開發利用目標引導制度的指導意見》（國能新能[2016]54號）等產業政策的持續出臺，為光伏產業發展提供了系統化的保障。由于傳統光伏組件體積大、厚重，導致其在運載工具上難以支撐，限制了其在交通運輸領域的應用，柔性化、輕薄化的光伏組件應用于分布式光伏發電領域是重點研究方向[10]。目前，只有薄膜太陽電池和單晶硅柔性太陽電池具有柔性可彎曲、輕薄、可與運載工具融合的特點。

目前已有研究大多是針對半導體制冷技術應用于汽車駕駛室局部溫度控制系統對人體熱舒適性的影響，或光伏發電技術應用于駕駛室的可行性的單方面研究，少有學者搭建出完整的半導體制冷裝置模型，并對其應用于駕駛室的制冷性能進行數值模擬和實驗研究[11]。將半導體制冷技術和柔性光伏發電技術結合應用于重型卡車駕駛室局部溫度控制的相關研究仍有待進一步探索。基于此，本文在搭建出重型卡車駕駛室實物模型的基礎上，提出一種基于柔性光伏組件的重型卡車駕駛室供能系統，對該供能系統中半導體制冷裝置的局部溫度控制策略進行研究，并對使用柔性光伏組件供電和半導體制冷裝置實現重型卡車駕駛室局部溫度控制和充放電技術集成的應用方法進行探索，以求在提高駕駛員熱舒適性的同時減少重型卡車的能源消耗。

1" 物理模型與數學模型

1.1" 重型卡車駕駛室物理模型

本文以國產重型卡車中銷量最高的，由一汽解放汽車有限公司（下文簡稱為“一汽解放”）生產的J6P重型卡車為例，利用Solidworks軟件建立該重型卡車駕駛室的3D模型，并按照1：2.5的比例制作了該車駕駛室的實物模型。為兼顧重型卡車駕駛室的結構穩固性及材料保溫性能，該實物模型采用鍍鋅鐵皮粘連泡沫板作為外殼，采用透光、輕便的亞克力板作為車窗玻璃。J6P重型卡車駕駛室的結構尺寸及實物模型圖如圖1所示。

a. 駕駛室結構尺寸（俯視） （單位：mm）

b. 駕駛室結構尺寸（左視） （單位：mm）

c. 駕駛室實物模型外部

d. 駕駛室實物模型內部

圖1" J6P重型卡車駕駛室的結構尺寸及實物模型圖

Fig. 1" Diagrams of structural and dimensions and physical model of cab of J6P heavy-duty truck

1.2" 重型卡車駕駛室內的制冷負荷計算模型

重型卡車駕駛室內的制冷總負荷Φ的計算式為：

Φ=Φ1+Φ2+Φ3+Φ4+Φ5" " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：Φ1為通過駕駛室隔熱壁的單位時間傳熱量，W；Φ2為進入駕駛室內的單位時間太陽輻射量，W；Φ3為駕駛室內人員的單位時間總散熱量，W；Φ4為駕駛室內機電設備的單位時間總散熱量，W；Φ5為進入駕駛室內的新風冷負荷，W。

1）通過駕駛室隔熱壁的單位時間傳熱量的計算式為：

Φ1=K1F（t0–ti）" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：t0為環境溫度，℃；ti為駕駛室內的溫度，℃；K1為駕駛室圍護結構的平均傳熱系數，W/（m2·K）；F為駕駛室隔熱壁的面積，m2。

2）通過駕駛室前擋風玻璃和車窗玻璃進入駕駛室內的太陽輻射量按整車接收的太陽輻射量的90%計算，則進入駕駛室內的單位時間太陽輻射量的計算式為：

Φ2= DσFchJcQ

0.9" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （3）

式中：D為玻璃透光系數，與玻璃種類有關，本文取0.6；σ為遮陽系數，與玻璃厚度及其種類有關[12]，本文取1；Fch為車窗的傳熱面積，m2；JCQ為車窗表面的太陽輻照度，W/m2。

3）駕駛室內人員的單位時間總散熱量的計算式為：

Φ3=nQ" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中：n為駕駛室內的人員數量，人；Q為人體的單位時間平均散熱量，W。

4）由于駕駛室內的機電設備種類與數量不易確定，因此本文通過發動機散熱量進行駕駛室內機電設備總散熱量的定性計算。則駕駛室內機電設備的單位時間總散熱量的計算式為：

Φ4=CQ1" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （5）

式中：C為計算系數，本文取0.6；Q1為駕駛室內發動機的單位時間散熱量，W。

5）進入駕駛室內的新風冷負荷的計算式為：

Φ5= ρ1G1（hw–hn）

3.6" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（6）

式中：G1為新風量，m3/h；ρ1為新風密度，本文取值為常溫常壓下的空氣密度（1.2 kg/m3）；hw為環境的空氣焓值，kJ/kg；hn為駕駛室內的空氣焓值，kJ/kg。

1.3" 光伏發電量計算模型

在標準測試條件（STC，即AM1.5、太陽輻照度為1000 W/m2、光伏組件表面溫度為25 ℃）下，光伏發電單元的實際輸出功率PD的計算式為：

PD=PSU" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （7）

式中：PS為STC下光伏發電單元的額定輸出功率，W；U為降額因子。

假設光伏發電單元的日均發電效率是在有太陽輻射的時間段計算得到的，則光伏發電單元的日均發電量E的計算式為：

E=TPD" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （8）

式中：T為光伏發電單元每日接收太陽輻照的時長，s。

根據STC下的測試參數，可推導出在任意太陽輻照度S下的光伏發電單元輸出特性[13]。則任意太陽輻照度下光伏發電單元最大輸出功率Pm的計算式為：

Pm=Um_stc Im_stc" " S" " "1+ b （S–Sref）

Sref" " " " " "e" " " " " " " " " " " " " " " " " "（9）

式中：Um_stc為STC下光伏發電單元的最大功率點電壓，V；Im_stc為STC下光伏發電單元的最大功率點電流，A；Sref為STC下的太陽輻照度，W/m2，取值為1000；b為計算常數；e為自然對數底數。

結合式（7）～式（9），可得到光伏發電單元年發電量En的計算式為：

En=TPmU" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （10）

2" 駕駛室供能系統設計

2.1" 設計集成

為提高駕駛員的熱舒適性，節約重型卡車的能源消耗，本文基于先進制冷/供暖、傳感、控制和新能源發電技術，研制出一種基于柔性光伏組件的重型卡車駕駛室供能系統。重型卡車駕駛室的內部空間大，其中，主、副駕駛座位和后排臥鋪區域為主要的溫度調節區域，本供能系統的半導體制冷裝置采用半導體制冷片組來實現對人體局部部位熱舒適性的調控，通過改變半導體制冷片組的電流方向可實現制冷與供暖的切換，并可降低重型卡車的油耗，且無需使用制冷劑；采用可折疊的柔性光伏組件發電，不僅可實現綠色供能，還能消除發動機啟停和負載變化對供能系統制冷/供暖能力的影響；采用熱敏溫度傳感器和稱重壓力傳感器進行實時溫度控制，可改善駕駛員的熱舒適性，從而有助于提高重型卡車行駛的安全性。

2.2" 主要設備選型

本供能系統的硬件架構圖如圖2所示，圖中：MPPT為最大功率點跟蹤。供能系統主要由4個工作模塊組成，分別為光伏發電模塊、儲電模塊、溫度控制模塊和負載模塊。

2.2.1" 光伏發電模塊

光伏發電模塊選用XZL-A100型單晶硅柔性光伏組件，以減少車載重量，其主要參數如表1所示，其在重型卡車掛車頂部鋪設的模式如圖2所示。

光伏組件將太陽輻射轉換為直流電后，通過MPPT控制器使光伏組件的輸出功率達到最佳狀態，并使整個供能系統達到最佳能量匹配。

2.2.2" 儲電模塊

儲電模塊中包含重型卡車原車載蓄電池和第2蓄電池。其中，由第2蓄電池給溫度控制模塊供電，以滿足重型卡車駕駛員的熱舒適性需求，并給負載模塊連接的用電設備供電。當第2蓄電

表1" 單塊XZL-A100型單晶硅柔性光伏組件的主要參數

Table 1" Main parameters of a XZL-A100 mono-Si

flexible PV module

參數 數值

光電轉換效率/% gt;20

折疊尺寸（長×寬×高）/mm 350×250×50

展開尺寸（長×寬×高）/mm 1060×700×5

重量/kg 2.5

最大輸出功率/W 100

開路電壓/V 18

最大功率點電流/A 5.6

短路電流/A 5.9

池的電量達到100%時，與其相連的庫侖計發出信號并將信號輸入至STM32單片機；單片機接收并處理信號，使MPPT控制器接通重型卡車原車載蓄電池，以存儲光伏組件充滿第2蓄電池后的富余電能。

目前車載蓄電池主要采用三元鋰電池、錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池。其中，磷酸鐵鋰電池可耐高溫，但其生產技術要求高，成本較高；錳酸鋰電池雖然成本低，但其能量密度低，容量易衰減，受高溫影響大；三元鋰電池的能量密度高、循環壽命長。綜合考慮蓄電池的性價比和系統負荷需求，根據光伏發電單元的發電量和備用時長確定第2蓄電池的具體容量，本供能系統的第2蓄電池選擇100 Ah三元鋰電池，其主要參數如表2所示。

表2" 100 Ah三元鋰電池的主要參數

Table 2" Main parameters of 100 Ah ternary

lithium battery

參數 數值

尺寸（長×寬×高）/mm 240×73×340

工作溫度/℃ -20～60

充電電壓/V 12.6

持續放電電流/A 85

放電終止電壓/V 9

最大放電電流/A 350

循環壽命/次 2500及以上

標稱電壓/V 12.6（USB接口的可接用

電壓為5V/2V）

2.2.3" 溫度控制模塊

本供能系統的溫度控制模塊采用半導體制冷片組進行溫度調節，根據帕爾貼效應的可逆性，將電流反轉后可調換冷熱端，實現制冷與供暖的切換；采用高效散熱的水冷方式為半導體制冷片組熱端散熱。

每組半導體制冷片組包含3片TEC1-12706型半導體制冷片，其主要參數如表3所示。表中，工作電流為額定電壓啟動時半導體制冷片的電流大小。

表3" TEC1-12706型半導體制冷片的主要參數

Table 3" Main parameters of TEC1-12706 semiconductor refrigeration slice

參數 數值

尺寸（長×寬×高）/mm 340.0×40.0×3.7

內阻/Ω 2.1～2.4

額定電壓/V 12

工作電流/A 4.5

額定功率/W 48

最大制冷功率/W 60

冷熱端最大溫差/℃ 67

2.2.4" 負載模塊

單晶硅柔性光伏組件輸出的一部分電能通過MPPT控制器內部的DC/DC變換器降壓，然后通過5 V電壓的USB接口實現為手機、平板電腦等負載供電；同時，第2蓄電池輸出的電能也可經MPPT控制器內部的DC/DC變換器變換至合適的電壓幅值，實現為電熱水壺和電飯煲等負載供電。

2.3" 局部溫度控制策略

本供能系統通過由DS18B20型熱敏溫度傳感器、HX711型稱重壓力傳感器等構成的采集電路模塊，由溫控總開關、SLA-12VDC-SL-C型繼電器和恒溫控制器構成的溫度控制模塊來實現對駕駛室內溫度的實時調控，其中，恒溫控制器由STM32單片機及MPPT控制器內部的DC/DC變換器組成。

本供能系統的局部溫度控制策略為：閉合溫控總開關，整個溫度控制模塊接通，DS18B20型熱敏溫度傳感器與HX711型稱重壓力傳感器實時檢測主、副駕駛座位和后排臥鋪3個區域內的溫度和壓力，并將產生的持續壓力電信號和溫度電信號傳輸給STM32單片機。STM32單片機將壓力電信號和溫度電信號與設定值進行比較，從而判斷主、副駕駛座位和后排臥鋪3個座位是否有人，且該人是否存在溫度調節需求；STM32單片機通過分析輸入的壓力電信號與溫度電信號，控制繼電器改變半導體制冷片組的電流方向，并采用比例積分微分（PID）控制DC/DC變換器輸入的載波占空比，改變DC/DC變換器的輸出電壓以改變流過半導體制冷片組的電流大小，進而實現對主、副駕駛座位和后排臥鋪3個區域的局部溫度控制。結合本供能系統的硬件架構，局部溫度控制策略的主要流程如圖3所示。

3" 實驗

3.1" 供能系統的局部溫度控制效果測試實驗

為驗證本供能系統的制冷和供暖效果可以達到人體熱舒適性需求，在長沙理工大學工科1號樓A108實驗室人工環境箱中對本供能系統進行了局部溫度控制效果測試實驗。需要說明的是，由于本供能系統只針對重型卡車駕駛室局部位置進行溫度調控，因此只需選擇駕駛室中1處位置進行測試即可，若該位置的溫度控制效果能夠達到人體熱舒適性需求，則其余幾處位置均可達到人體熱舒適性需求。

局部溫度控制效果測試實驗是利用人工環境箱模擬駕駛室外的環境溫度，將制作的駕駛室實物模型置于人工環境箱內進行測試。本實驗所用人工環境箱如圖4所示。

在制作的駕駛室實物模型中，將半導體制

圖4" 本實驗所用人工環境箱

Fig. 4" Artificial environmental chamber used in

this experiment

冷片組固定在駕駛位上方，用人偶模型代替駕駛員放置在駕駛位。實驗通過調整人工環境箱控制面板的參數來改變環境溫度，對人偶模型的頭部、胸部、腳踝處及駕駛室內周邊離散點的溫度進行重點監測。使用熱電偶在駕駛室內布置18處測點，所在位置及數量分別為：人偶模型頭部測點5處、人偶模型胸部測點5處、人偶模型腳部測點3處、駕駛室內環境測點5處；使用紅外熱成像儀記錄制冷或供暖后上述4個部位各自的平均溫度波動幅度不超過1 ℃時的平均溫度，并對比制冷或供暖前后人偶模型身體表面（共13處測點）的溫度變化情況。

局部溫度控制效果測試實驗的工況設定如表4所示。該實驗共設定了7種工況，其中：工況Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ的半導體制冷片組均采用正接方式接入供能系統，此時為制冷模式；其余4種工況的半導體制冷片組均采用反接方式接入供能系統，此時為供暖模式。實驗時，從接通半導體制冷片組電路開始，每分鐘采集1組熱電偶溫度數據，共采集10組。

表4" 局部溫度控制效果測試實驗的工況設定

Table 4" Working condition setting for local temperature control effect experiment

工況 人工環境箱內的

環境溫度/℃ 半導體制冷片組的

輸入功率/W

Ⅰ 0 144

Ⅱ 5 70

Ⅲ 5 144

Ⅳ 10 144

Ⅴ 30 70

Ⅵ 35 70

Ⅶ 40 70

3.2" 光伏發電及變負載充電實驗

為估算供能系統中光伏發電單元的年發電量和測試供能系統應用時的穩定性，在工科1號樓樓頂進行了光伏發電及變負載充電實驗。實驗對XZL-A100型單晶硅柔性光伏組件在長沙地區的日輸出功率進行測定，并通過變負載來模擬供能系統應用時額外負載的加入，觀察額外負載是否對第2蓄電池的充電穩定性存在影響。

在長沙地區晴朗天氣下，對XZL-A100型單晶硅柔性光伏組件的日輸出功率進行測定，然后分別利用單塊單晶硅柔性光伏組件、并聯的兩塊單晶硅柔性光伏組件為第2蓄電池充電來進行充電實驗。本實驗的工作臺如圖5所示。

圖5" 光伏發電及變負載充電實驗的工作臺

Fig. 5" Workbench for PV power generation and variable load charging experimental

實驗時間為11：45～15：20，使用溫度計監測環境溫度和單晶硅柔性光伏組件表面溫度，采用輻照儀實時記錄太陽輻照度，采用庫侖計分別監測單塊單晶硅柔性光伏組件和并聯的兩塊單晶硅柔性光伏組件的輸出功率變化情況，每分鐘采集1組數據，實驗結果如圖6所示。

圖6" 長沙地區太陽輻照度、單晶硅柔性光伏組件

實測輸出功率隨時間的變化曲線

Fig. 6" Variation curves of solar irradiance and measured output

power of mono-Si flexible PV modules over

time in Changsha region

從圖6可以看出：單晶硅柔性光伏組件的輸出功率與太陽輻照度的變化呈正相關，說明MPPT控制器可有效實現對多塊單晶硅柔性光伏組件組成的光伏發電單元的MPPT。

根據前文的光伏發電量計算公式，可以估算出在長沙地區太陽輻照度條件下，1塊單晶硅柔性光伏組件的年發電量約為13.3 kWh。

在利用并聯的兩塊單晶硅柔性光伏組件為第2蓄電池充電的充電實驗中，充電的同時依次接入阻值為11、13、15、17、19 Ω的負載來模擬車載用電器使用時的負載變化情況。當太陽輻照度、單晶硅柔性光伏組件表面溫度、外接負載阻值實時變化時，通過庫侖計監測單晶硅柔性光伏組件輸出功率的變化情況，每分鐘采集1組數據，測試結果如圖7所示。

圖7" 隨著太陽輻照度、單晶硅柔性光伏組件表面溫度的

實時變化，接入不同阻值負載時單晶硅柔性光伏組件

輸出功率的變化情況

Fig. 7" Variation of output power of mono-Si flexible PV modules when connected to loads with different resistance values，

as the solar irradiance and surface temperature of

mono-Si flexible PV modules change in real time

從圖7可以看出：當太陽輻照度、單晶硅柔性光伏組件表面溫度實時變化時，相對于外接負載阻值較大（負載阻值≥15 Ω）的情況，外接負載阻值較小（負載阻值≤13 Ω）的情況下單晶硅柔性光伏組件的輸出功率更大；相較于單晶硅柔性光伏組件表面溫度而言，太陽輻照度對單晶硅柔性光伏組件輸出功率的影響更大。

4" 本供能系統的局部溫度控制效果實驗結果分析

根據設定，本供能系統具有制冷與供暖功能。由于駕駛室位于重型卡車發動機上方，發動機會產生熱量，冬季時可作為駕駛室一定的輸入熱量，因此駕駛室對冬季供熱量的需求會比夏季制冷量的需求低；而半導體的制熱性能遠高于制冷性能，因此在分析供能系統的局部溫度控制效果時，重點分析其制冷效果。

4.1" 制冷負荷計算分析

由于重型卡車處于不斷運動狀態，與之對應的外界條件也在不斷變化，相互之間的熱傳遞處于不穩定狀態，動態負荷計算較為復雜，因此，本文采用目前應用較多的設計工況下穩態傳熱方法來計算重型卡車駕駛室夏季制冷負荷。計算車載空調的制冷負荷無固定氣象參數可利用，因此國內外都無統一的計算參數選取標準。本文駕駛室外環境計算參數的選取參照GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》中相應的規定。在長沙地區夏季，重型卡車（平穩運行時）駕駛室制冷負荷的計算參數如表5所示。

將表5中的數值代入式（2）～式（6），可計算出：通過駕駛室隔熱壁的單位時間傳熱量為1091 W；進入駕駛室內的單位時間太陽輻射量為1936 W；駕駛室內人員的單位時間總散熱量為233 W；駕駛室內機電設備的單位時間總散熱量為60 W；進入駕駛室內的新風冷負荷為675 W。因此，根據式（1），在長沙地區夏季，重型卡車（平穩運行時）駕駛室內的制冷總負荷為3995 W。

本供能系統采用的1組半導體制冷片組的額定功率為144 W、制冷功率為180 W，駕駛室內兩位人員的主要活動區域僅為整個駕駛室容積的4/15，因此若使用該半導體制冷片組對駕駛室進行局部制冷，制冷負荷約為1065 W，則需要使用6組（共18片）半導體制冷片組可達到重型卡車駕駛室局部的制冷效果。

表5" 在長沙地區夏季，重型卡車（平穩運行時）

駕駛室制冷負荷的計算參數

Table 5" Calculation parameters of cooling load in the cab of heavy-duty truck （during soomth operation） during summer in Changsha region

參數 數值

室外干球溫度/℃ 35.8

室內干球溫度/℃ 27.0

G1/（m3/h） 7.11

hw/（kJ/kg） 80.84

hn/（kJ/kg） 58.90

Q1/W 100

K1/[W/（m2·K）] 2.89

F/m2 25.5

Fch/m2 7.0

JCQ/（W/m2） 414.8

Q/W 116.3

n/人 2

4.2" 制冷實驗結果分析

長沙地區夏季的平均溫度為30 ℃，將人工環境箱模擬的環境溫度設置為30 ℃，對本供能系統的制冷效果進行實驗分析。開啟制冷模式后駕駛室實物模型中人偶模型上兩處測點的溫度云圖如圖8所示。

從圖8可以看出：在環境溫度為30 ℃時，采用本供能系統制冷后，駕駛室實物模型中人偶模型頭部、腳部的平均溫度分別為24.5、26.8 ℃，

a. 頭部的溫度云圖

b. 腳部的溫度云圖

圖8" 環境溫度為30 ℃時，開啟制冷模式后人偶模型上

兩處測點的溫度云圖

Fig. 8" When ambient temperature is 30 ℃，temperature cloud map of two measuring points on doll model

after turning on cooling mode

相較于環境溫度分別降低了5.5、3.2 ℃，降溫效果明顯。人偶模型上兩處位置的溫度均有所下降，且表面溫度的分布符合“頭冷腳暖”的人體熱舒適性基本原則[14-15]。

由于頭部是人體感官的敏感部位，且頭部位置距離半導體制冷片組最近，而胸部是車載空調的送風位置，因此針對這兩個人體部位，對長沙地區夏季時不同環境溫度下該供能系統的制冷效果進行進一步分析。在夏季不同環境溫度下，開啟制冷模式后人偶模型頭部和胸部位置的溫度變化曲線如圖9所示。

圖9" 在夏季不同環境溫度下，開啟制冷模式后

人偶模型頭部和胸部位置的溫度變化曲線

Fig. 9 Temperature variation curves of head and chest

positions of doll model after turning on cooling mode at

different ambient temperatures in summer

從圖9可以看出：在夏季不同環境溫度下，開啟制冷模式后人偶模型頭部和胸部位置均有迅速且明顯的降溫，人偶模型頭部位置溫度的最大降幅可達10 ℃，說明本供能系統對駕駛室熱環境和駕駛員熱舒適性的調節效果較佳。

4.3" 供暖實驗結果分析

采用人工環境箱模擬長沙地區冬季時的環境溫度，對本供能系統的供暖效果進行實驗分析。

不同半導體制冷片組輸入功率下人偶模型頭部位置的溫度云圖如圖10所示。

a. 輸入功率為72 W時

b. 輸入功率為144 W時

圖10" 不同半導體制冷片組輸入功率時

人偶模型頭部位置的溫度云圖

Fig. 10" Temperature cloud map of head position of doll model under different input power of semiconductor

refrigeration chip groups

從圖10可以看出：當半導體制冷片組的輸入功率為144 W時，人偶模型頭部位置的升溫更明顯。另外，半導體制冷片組的制熱效果隨著其輸入功率的增加而增強，但其增強倍率并不與輸入功率的增加倍數成正比。

當半導體制冷片組的輸入功率為144 W時，在冬季不同環境溫度下人偶模型頭部和胸部位置的溫度變化曲線如圖11所示。

圖11" 在冬季不同環境溫度下人偶模型頭部和

胸部位置的溫度變化曲線

Fig. 11" Temperature variation curves of head and chest

positions of doll model under different ambient

temperatures in winter

從圖11可以看出：不同環境溫度下半導體制冷片組的制熱速率都很快。長沙地區的冬季平均溫度為5 ℃，在環境溫度為5 ℃時，人偶模型頭部位置的溫度在短時間內達到了23 ℃，說明本供能系統可實現人體的快速溫升。

5" 供能系統驗證分析

在不外加任何負載，僅使用第2蓄電池為本供能系統供電的條件下，連通電路使供能系統運行。供能系統將單晶硅柔性光伏組件所發電能存儲在第2蓄電池，為半導體制冷片組的工作提供電能。在該運行條件下，供能系統電路工作電壓波動不超過5 V，半導體制冷片組可正常運行，供能系統工作狀況穩定。

根據1塊XZL-A100型單晶硅柔性光伏組件在長沙地區的年發電量計算結果，本供能系統的光伏發電模塊由6塊單晶硅柔性光伏組件并聯組成，這些單晶硅柔性光伏組件均鋪設在重型卡車掛車頂部，鋪設面積為4.452 m2，該面積在掛車頂部的有效面積之內。計算時段為6～8月，結合長沙地區的氣象資料，設定本供能系統1天的備用時長為5 h。按半導體制冷片組以額定功率工作來計算，則本供能系統的年發電量約為80 kWh，年耗電量為32 kWh。由前文可知，本供能系統在滿足駕駛室的制冷/供暖需求外，在第2蓄電池充滿電后，還可以將富余電能存儲在原車載蓄電池中。

6" 結論

本文研發了一套基于柔性光伏組件的重型卡車駕駛室供能系統，搭建了重型卡車駕駛室實物模型，對使用柔性光伏組件供電和半導體制冷裝置實現重型卡車駕駛室局部溫度控制和充放電技術集成的應用方法進行了探索，并通過實驗從局部溫度控制策略、光伏發電與變負載充電關系這兩個方面對本供能系統設計的合理性進行了驗證。得出的主要結論如下：

1）本供能系統將柔性光伏發電技術和半導體制冷技術結合，實現了駕駛室的綠色供能和局部溫度控制。供能系統充分利用重型卡車的掛車頂部空間來鋪設柔性光伏組件進行發電，無需啟動重型卡車即可使用溫度控制模塊實現對駕駛室內局部溫度的控制，同時富余電能還可以供車載其他電器使用；車載空調采用半導體制冷片組作為能量傳遞載體，對駕駛室內部環境進行制冷/供暖。

2）本供能系統提出了基于熱敏溫度傳感器和稱重壓力傳感器的局部溫度控制策略，可對重型卡車駕駛室進行實時溫度控制，從而改善駕駛員的熱舒適性。以一汽解放J6P重型卡車駕駛室為例，在長沙地區夏季、冬季的環境溫度條件下，通過制冷、供暖實驗驗證了局部溫度控制策略的可行性。

3）長沙地區重型卡車（平穩運行時）駕駛室內的夏季制冷總負荷為3995 W，使用6組（共18片）半導體制冷片組即可達到駕駛室局部的制冷效果。根據光伏發電量計算模型估算得到在長沙地區太陽輻照度條件下，1塊XZL-A100型單晶硅柔性光伏組件的年發電量約為13.3 kWh；本供能系統的光伏發電模塊采用6塊單晶硅柔性光伏組件并聯，發電量可以滿足重型卡車駕駛室局部溫度控制的用電需求。

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EXPERIMENTAL STUDY ON ENERGY SUPPLY SYSTEM FOR

HEAVY-DUTY TRUCK CABS BASED ON

FLEXIBLE PV MODULES

Wang Shiyi，Zhao Bin，Shi Er，Pei Caiyu，Li Zijian，Han Chengyu

（College of Energy and Power Engineering，Changsha University of Science amp; Technology，Changsha 410114，China）

Abstract：China has a large number of heavy-duty trucks，and the workload of drivers is extremely high. The space inside the cab is limited and enclosed. Improving the thermal comfort of drivers is of great significance for alleviating their fatigue and improving driving safety. In order to improve the thermal comfort of drivers while reducing energy consumption of heavy-duty trucks，this paper developed a heavy-duty truck cab energy supply system based on flexible PV modules. A physical model of the heavy-duty truck cab is built using the best-selling model among domestic heavy-duty trucks as an example. The application method of using flexible PV modules for power supply and semiconductor refrigeration devices to achieve local temperature control in the cab and integration of charging and discharging technology is explored，and the rationality of the energy supply system design is verified through experiments from two aspects：local temperature control strategy，PV power generation and variable load charging relationship. The research results show that，taking the changsha region as an example，according to calculations，the total cooling load in summer inside the cab of a heavy-duty truck （during soomth operation） is 3995 W. Using six sets （eighteen pieces in total） of semiconductor refrigeration chip group can achieve local cooling effects in the cab. Using an artificial environment chamber to simulate the summer and winter environmental temperatures in the Changsha region for local temperature control effect experiments，the cooling and heating effects of this energy supply system can meet the thermal comfort needs of the human body，verifying the feasibility of the proposed local temperature control strategy." According to the PV power generation and variable load charging experiments，the annual power generation capacity of one XZL-A100 mono-Si flexible PV module is about 13.3 kWh. The PV power generation module of this energy supply system adopts six mono-Si flexible PV modules in parallel，and the power generation capacity can meet the electricity demand for local temperature control in the cab of heavy-duty trucks.

Keywords：flexible PV modules；heavy-duty truck cab；semiconductor refrigeration；PV power generation； local temperature control；energy supply system；thermal comfort