光伏發電在汽車領域的應用研究綜述與展望

摘 要：隨著全球原材料價格的上漲和“雙碳”戰略目標的推進，太陽能作為一種清潔、可再生的能源，在汽車領域的應用受到越來越多的關注。首先，簡述了太陽電池的市場現狀；隨后，從光伏發電輔助充電增加續航里程、車輛冷卻與節能、汽車上光伏發電的最大功率點跟蹤控制，太陽能電動汽車充電站的設計與實現4個方向對光伏發電在汽車領域的應用研究進行了深入探討；最后，對光伏發電在汽車領域應用的未來方向進行了展望，提出了新型太陽電池材料的研究與應用、增加光伏組件在車身上的可發電面積、儲能與節能等研究方向，為光伏發電在汽車領域的應用設計提供有力的參考和指導，推動汽車行業向更加綠色、可持續的方向發展。

關鍵詞：光伏發電；太陽能汽車；續航里程；冷卻；節能；最大功率點跟蹤；充電站

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

汽車作為現代社會的主要交通工具，是人們日常生活中不可或缺的一部分。然而，隨著汽車保有量增加，能源消耗量也隨之上升。光伏發電技術在汽車領域的應用，不僅能夠輔助節能和儲能，還能有效促進減排，助力“雙碳”的目標實現。

太陽能汽車的研究歷史已超過40年。最初主要集中在純太陽能發電賽車的理論研究上，隨后，眾多汽車制造商探索并改進了太陽能電動賽車技術。這些研究成果為在現有汽車產品上應用光伏發電技術，實現節能減排，提供了寶貴的技術參考。與傳統的內燃機汽車相比，單純依靠光伏發電提供動力的太陽能電動汽車在減少二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物排放方面的潛力可分別達到99.8%、99.7%和100.0%[1]。

盡管，太陽能電動汽車在理論上具有諸多優勢，但其實際應用仍受到光伏組件發電效率和太陽輻射量變化等因素的影響，這些因素使其無法充分滿足日常使用需求。因此，高校、科研機構和企業把研究重點轉向光伏發電輔助充電技術在汽車領域中的應用。此外，提高光伏組件的發電效率和擴大可發電面積以增加發電量，也是當前此應用領域的研究熱點。

本文簡要介紹太陽電池市場現狀，并重點梳理光伏發電在汽車領域應用的研究進展，提出未來的研究方向和展望，以期為光伏發電在汽車領域應用的進一步研究和設計提供參考。

1" 太陽電池市場現狀

太陽電池根據技術可分為3類[2]。第1類太陽電池是當前市場主流，以硅基太陽電池為主，尤其是晶硅（C-Si）太陽電池，由于硅材料的廣泛可用性和環境友好性，晶硅太陽電池一直是光伏行業的主導技術。第2類太陽電池是包括非晶硅、碲化鎘（CdTe）、銅銦鎵硒（CIGS）在內的薄膜太陽電池。第3類太陽電池為一些新興的太陽電池，比如：有機太陽電池（OPV）、鈣鈦礦太陽電池（PSC）、染料敏化太陽電池（DSSC）[4]。

晶硅太陽電池以高性能、高環境兼容性及長壽命著稱，可以承受惡劣的太空條件，但成本相對較高[5-6]；薄膜太陽電池雖然光電轉換效率略低，但其應用靈活性比單晶硅太陽電池更大[7]。

1.1" 晶硅太陽電池

晶硅太陽電池以其占全球光伏發電總裝機容量95%的份額統治市場[8]。硅材料的卓越性能促成了晶硅太陽電池的技術優勢，包括：原料來源豐富、光伏組件穩定性強、光電轉換效率好。

常規的晶硅太陽電池包括多晶硅和單晶硅太陽電池，二者的物理、化學性質，以及成本和光電轉換效率均不同[9]。單晶硅太陽電池所用的單晶硅棒采用直拉法制造，得到具有均勻黑色外觀的高純度單晶硅片；而多晶硅太陽電池所用的多晶硅錠采用鑄錠法制造，最終得到具有藍色外觀的多晶硅片[10]。單晶硅太陽電池具有較高光電轉換效率，但由于制造工藝復雜，成本較高；而在多晶硅太陽電池的生產過程中會產生硅晶粒，導致其光電轉換效率比單晶硅太陽電池的低。

另外，鈍化發射極及背面接觸（PERC）太陽電池[11]、異質結（HJT）太陽電池[12]、雙面太陽電池[13]等。這些技術各有優缺點，大部分仍在研究過程中。

1.2" 薄膜太陽電池

薄膜太陽電池具有質量小、厚度極薄（微米級）、柔性強等優點，但也存在價格高和光電轉換率低的缺點。薄膜太陽電池由玻璃、金屬或塑料襯底支撐，比晶硅太陽電池輕薄許多[14-15]；主要包括：硅基（例如：非晶硅）薄膜太陽電池、化合物（例如：CdTe、CIGS）薄膜太陽電池等。

1.3" 新興太陽電池

新興太陽電池由新興的光伏材料制成，例如：染料敏化[16]、鈣鈦礦[17]和有機材料[18]。目前，新興太陽電池正處于技術快速發展階段，仍存在穩定性差、制備技術不成熟等問題[19]。

1.4" 小結

不同技術的太陽電池的實驗室光電轉換效率如圖1[8]所示。目前，中國市場上常用的太陽電池主要為單晶硅太陽電池、半柔性太陽電池和柔性薄膜太陽電池（多組分化合物）。

2" 光伏發電在汽車領域的應用研究現狀

文獻[20-21]的研究顯示，消費者對于在汽車上加裝光伏發電設施表現出濃厚興趣。部分汽車制造商將光伏組件安裝在汽車上，以提供電力輔助車內通風、降溫，或作為輔助充電電源；此外，也有制造商探索在車身覆蓋件上加裝光伏組件；還有汽車制造商開發了可折疊光伏組件，其可在停車時展開，擴大可發電面積，從而提高發電量。

學術界對光伏發電在汽車領域的應用研究主要集中在4個方面：1）增加汽車的續航里程；2）進行車內降溫以輔助節能；3）汽車上光伏發電的最大功率點跟蹤（MPPT）控制；4）太陽能電動汽車充電站。

2.1" 光伏發電輔助充電增加續航里程

對于光伏發電在汽車領域應用的研究，最初主要集中在增加汽車的續航里程上。2011年，Su等[22]對實驗車輛的車身進行了改造，采用光伏發電和蓄電池的雙模式混合驅動，光伏發電和蓄電池可實現獨立驅動，實驗車輛如圖2所示。在陽光充足的情況下，與未安裝光伏組件的電動汽車相比，加裝光伏組件的電動汽車的續航里程提高約35%。

2023年，Park等[23]通過實驗評估并驗證了加裝光伏組件的電動汽車在不同行駛條件下的功率輸出潛力。實驗在電動汽車的4個面（車頂、后窗、左車門和右車門）都安裝了光伏組件，如圖3所示，然后在17個不同的路況條件（不同道路坡度和太陽方位角）下行駛，并考慮了周圍地形和建筑物的陰影遮擋影響，通過分析每塊光伏組件在不同路況條件下的發電量差異及對比安裝在車身不同位置的4塊光伏組件的發電

量差異來評估發電潛力，如圖4所示。實驗結果顯示：該電動汽車單次行駛（約10 min）的發電量為0.0158 kWh，平均發電時間以6 h/天計算，則年發電量為221 kWh；車頂光伏組件的發電潛力最大，其次是后窗和兩個車門的光伏組件，后窗和兩個車門（兩側車門發電量相同）的光伏組件的發電量分別約為車頂光伏組件發電量的42%和27%。

同年，Mohammed等[24]在印度制造的燃油三輪車上加裝光伏組件改造成電動三輪車，通過實驗發現，加裝光伏組件后該三輪車每天可增加的續航里程為17 km。

由于汽車的車身面積有限，加裝光伏組件的 日發電量對提升其續航里程的貢獻有限，因此許多學者和汽車制造商把研究方向轉向在不增加安裝面積的前提下增加光伏組件可發電面積，比如：設計可折疊收縮的光伏組件；也有將光伏發電技術應用于汽車的其他系統（例如：制冷系統）的研究，以減少汽車動力電池能量的使用，從而間接提升其續航里程。

2.2" 光伏發電輔助通風和冷卻

由于太陽能電動汽車的續航里程受限于光伏組件的光電轉換效率和光伏組件的可發電面積等因素，單靠光伏發電的電量難以滿足汽車持續運行的需求。因此，研究者們開始探索利用光伏發電來輔助汽車節能，尤其是在車廂通風和冷卻方面的應用。

2010年，Leong等[25]的研究表明：汽車車廂內朝北客艙的整體空氣溫度場的估計值略大于朝西客艙的估計值，這與太陽輻射可穿透玻璃的面積成正比。另外，因為空調系統是汽車中消耗電能最多的設備，實驗在車上加裝了光伏發電排氣風扇系統，有效降低了車廂內的溫度，從而降低了汽車空調系統的電力消耗。2011年，Levinson等[26]發現車輛熱負荷和其空調系統負荷受太陽輻射的影響顯著，在車輛外殼的不透明表面采用太陽能反射涂層可以降低停放在陽光下時汽車車廂內的空氣溫度，從而能減少車輛的空調系統負荷，提高燃油經濟性。2017年，Khatoon等[27]開發了一種利用光伏發電技術的新型車廂布局通風方法，并進行了模擬驗證。數值模擬結果表明：通風變量會影響車廂內熱舒適性和能量效率，有可能提高乘客的舒適性。可以看出，在車輛上安裝光伏組件用以輔助車廂通風降溫具有一定效果。

一些研究人員在電動汽車天窗玻璃上安裝了光伏組件用于輔助車廂內的通風和冷卻，從而降低車輛的能量消耗。2018年，Kolhe等[28]在車輛上安裝了利用光伏發電直接供電的通風系統，該系統使用直流電風扇，多次比較實驗的結果表明：在夏季晴天時，該系統可為停放中的電動汽車的通風系統提供動力，并有助于將車廂溫度降至環境溫度。2021年，Al-Rawashdeh等[29]設計了一種由光伏發電驅動的新型便攜式車廂通風機，其設計方案如圖5所示，并對其進行了實驗驗證。實驗結果表明：裝有該通風機的車廂溫度比未裝設該通風機的車廂溫度低11.4 ℃，表明此車廂通風機顯著改善了車輛在烈日下停放時車廂內的熱舒適性。

2022年，Alani等[30]設計了一種利用光伏發電供能的空調系統（如圖6所示），空調系統與柔性光伏組件相連，以補償車輛發動機的電力，提高車輛的燃油經濟性；并通過實驗測量了利用光伏發電供能的空調系統對燃料消耗量的影響，以及車廂內的制冷和制熱溫度。研究結果表明：與傳統的空調系統相比，利用光伏發電供能的空調系統減少了25%的發動機燃料消耗；在炎熱天氣時，當室外溫度為40 ℃時，車廂的內部溫度在30 s內可降至20 ℃。Rossetti等[31]在輕型卡車冷藏箱頂部設計了與光伏發電系統集成的電動制冷單元，并在固定條件下對該系統原型進行了測試。測試結果證明了光伏發電系統對制冷機組凈能量平衡有顯著影響；在雅典的氣候條件下，光伏發電系統每年可提供冷卻裝置消耗能量的65%～112%，降低了汽車的能量消耗。

2.3" 汽車上光伏發電的MPPT控制

MPPT控制的目的是在各種情形下都可以使光伏發電系統保持最大的輸出功率。有些學者研究了在汽車上裝設改進型的MPPT光伏發電系統，提高光伏發電系統的發電效率以得到更多的能量。

Ota等[32]提出了一種通過安裝在汽車車頂的3D彎曲光伏組件攔截太陽輻射進入車內的方法，設計了1種轉換因子，可將常規的光伏組件2D計算模型轉換為3D計算模型，并使用移動式多光譜儀陣列（MMPA）系統（如圖7所示）評估了汽車上的年太陽輻射量。

Vu等[33]提出了一種用于電動汽車的靜態集中器光伏發電（concentrator photovoltaics，CPV）系統，該靜態CPV系統的結構（如圖8所示）比使用太陽跟蹤機構的CPV系統的結構更穩定，操作更方便，適合在車頂安裝。靜態CPV系統包括固體復合拋物面聚光器（CPCs）、三結太陽電池。仿真結果表明：該模塊可實現25%的發電效換效率。

光伏發電MPPT在汽車行駛過程中很難控制，但在戶外靜止狀態下的（例如：房車）車輛上，其應用較為廣泛，這不僅方便了可折疊光伏組件的鋪設和收縮，還提高了太陽能的利用效率。

2.4" 太陽能電動汽車充電站的設計與實現

隨著電動汽車行業的蓬勃發展，光伏發電輔助充電系統在停車場中的應用日益增多。此類停車場不僅能利用太陽能實現清潔能源的利用，還能為電動汽車提供充電服務。

徐政等[34]設計了一種包括并網發電、景觀照明、電動車充電和其他用途的多功能太陽能車棚，其基礎設施示意圖如圖9所示，為太陽能車棚的設計、成本與效益評估等提供了實驗依據。Singh等[35]設計了一款太陽能電動汽車充電站，根據印度6個城市的日照情況，使用PVsyst軟件生成的能量平衡數據對該充電站的情況進行模擬。結果表明：充電站每年平均可產生12428.8 kWh的電能，可以為414輛電池容量為30 kWh的電動汽車充電，并且每年可減少約7950 kg的二氧化碳排放量。

Enescu等[36]設計了一款成本更低的利用光伏發電的電動汽車充電站（EVCS），采用功率跟蹤策略降低充電站的電池容量，從而降低成本，為建設和推廣利用光伏發電的電動汽車充電站提供了參考和借鑒。

3" 展望

光伏發電在汽車領域應用的未來研究方向主要包括以下3個方向。

1）新型太陽電池材料的研究與應用。探索薄膜太陽電池替代汽車表面材料的可能性，例如：汽車服裝薄膜、玻璃隔熱薄膜、覆蓋油漆層等。研究太陽電池作為汽車玻璃的替代品；開發更便攜、更薄、光電轉換效率更高的太陽電池材料。隨著太陽電池制備工藝的不斷成熟，預計將有更多適合汽車應用的太陽電池問世。

2）增加光伏組件在汽車車身上的可發電面積以提升其發電量。開發光伏組件遮陽控制系統，以減少太陽輻射對汽車的影響，降低車廂內熱量，進而減少用電量。此外，研發適用于小型汽車、冷藏車、中大型客車的專用光伏發電設備，拓寬太陽能電動汽車的范圍。

3）儲能與節能。加大對電動汽車用電器的替代研究，在電動汽車停車時需要冷卻車廂內或加熱動力電池、停車監控等需要消耗電能的情況下，使用光伏發電為空調鼓風機、陶瓷加熱器供電，從而減少汽車電器消耗的動力電池電量，實現儲能與節能的目的。

4" 結論

本文綜述了光伏發電在汽車領域的應用研究現狀，并探討了其未來發展方向。太陽能的清潔特性與汽車的能源需求相結合，展現出巨大的應用應用潛力和價值。通過擴大光伏組件可發電面積、提升發電效率及節約汽車電器能耗，光伏發電技術在汽車領域的應用前景廣闊。

隨著科技進步，光伏組件在汽車領域的應用將變得更加多樣化和高效。本文提出的未來的研究方向不僅涵蓋了太陽電池材料創新、系統集成，還包含了能源管理策略，為太陽能汽車的未來研究和發展提供了清晰的藍圖。期待太陽能技術的進步能夠為汽車行業帶來革命性的改變，實現更加綠色、可持續的交通方式。

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REVIEW AND PROSPECT OF PV power generation

APPLICATION research IN AUTOMOtive filed

Bai Youjun1，2，Zheng Yan1

（1. School of electromechanical and automotive engineering，Hainan college of economics and business，Haikou 571127，China；

2. Hainan engineering research center of intelligent grid equipment，Haikou 571127，China）

Abstract：Amidst the rise in global raw material prices and the advancement of the \"emission peak and carbon neutrality\" strategic goals，solar energy，as a clean and renewable source of energy，has garnered increasing attention for its application in the automotive field. This paper first briefly describes the current market situation of solar cells. Subsequently，in-depth discussions are conducted on the application research of PV power generation in the automotive field from four directions：increasing driving range with PV assisted charging，vehicle cooling and energy conservation，MPPT control of PV power generation in automobiles，and design and implementation of solar electric vehicle charging stations. Finally，the future direction of PV power generation application in the automotive field is looked forward to，proposing research and application of new materials of solar cells，increasing the laying area of PV modules on the vehicle body，energy storage and energy conservation，etc.，providing strong reference and guidance for the application design of PV power generation in the automotive field，and promoting the development of the automotive industry towards a greener and more sustainable direction.

Keywords：PV power generation；solar power vehicle；driving range；cooling；energy conservation；MPPT；charging station

基金項目：海南省自然科學基金項目（520MS068）；海南經貿職業技術學院“雙高計劃”新能源汽車科研創新團隊項目（HNJMT2022-202）

通信作者：白有俊（1983—），男，碩士、副教授，主要從事電動汽車太陽能輔助充電與節能方面的研究。11066110@qq.com