白有俊,劉世豪,趙 猛,蘇 思,鄭 艷(.海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院,海口 577; .海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,?？?5708)

海南熱帶環(huán)境下太陽(yáng)能電動(dòng)觀光車性能對(duì)比

白有俊1,2,劉世豪2,趙 猛2,蘇 思1,鄭 艷1
(1.海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院,?？?571127; 2.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,海口 570228)

針對(duì)海南省國(guó)際旅游島背景下的綠色環(huán)保問(wèn)題,探索符合熱帶氣候特點(diǎn)的電動(dòng)觀光車上加裝太陽(yáng)能電池輔助充電系統(tǒng).基于海南省三亞市豐富的太陽(yáng)能資源,選定實(shí)驗(yàn)車輛及參數(shù),研究太陽(yáng)能電池參數(shù),并選取了3種代表性的太陽(yáng)能電池,通過(guò)價(jià)格、發(fā)電量、產(chǎn)生效益、續(xù)航里程影響、充電時(shí)間等分析對(duì)比,驗(yàn)證了在電動(dòng)觀光車上安裝太陽(yáng)能電池輔助充電系統(tǒng)的合理性.研究結(jié)果表明,在電動(dòng)觀光車上安裝單晶硅太陽(yáng)能電池輔助充電系統(tǒng),具有良好的節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效應(yīng).

太陽(yáng)能電池; 電動(dòng)觀光車; 輔助充電; 性能對(duì)比; 發(fā)電量

節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為目前時(shí)代主題,在環(huán)境保護(hù)前提下的新能源開(kāi)發(fā)是人類社會(huì)解決當(dāng)前所面臨的環(huán)境危機(jī)的根本途徑[1].為了更加環(huán)保,同時(shí)又能保障人們?nèi)粘Ｐ枰?世界各國(guó)都在支持發(fā)展新能源汽車,我國(guó)也一直在大力支持發(fā)展電動(dòng)汽車[2].國(guó)內(nèi)外有多個(gè)科研院所正在進(jìn)行太陽(yáng)能車輛的研究,并成功研制出一些太陽(yáng)能電動(dòng)車[3],個(gè)別太陽(yáng)能企業(yè)也一直在進(jìn)行太陽(yáng)能電動(dòng)車的研發(fā)工作.為了使電動(dòng)觀光車增加續(xù)航里程,同時(shí)節(jié)約電能,進(jìn)一步保護(hù)環(huán)境,可在電動(dòng)觀光車車頂部安裝太陽(yáng)能電池用于輔助充電.

我國(guó)目前大多數(shù)旅游景區(qū)、高等院校、高爾夫球場(chǎng)、酒店等場(chǎng)所都在使用電動(dòng)觀光車,如果能夠在電動(dòng)觀光車上普及太陽(yáng)能電池輔助充電,將會(huì)大大減少火力發(fā)電量,從而減少環(huán)境污染,滿足社會(huì)使用需求.海南省地處熱帶地區(qū),陽(yáng)光穿透性好,太陽(yáng)能輻射量較高,具有良好的開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源的區(qū)域優(yōu)勢(shì)[4].特別是海南在積極開(kāi)展國(guó)際旅游島建設(shè),擁有較多的電動(dòng)觀光車,具有多家太陽(yáng)能光伏企業(yè).在海南開(kāi)展太陽(yáng)能輔助電動(dòng)觀光車應(yīng)用研究可以實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)約能源,具有極大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義.

目前,市場(chǎng)上有多種太陽(yáng)能電池,如何選取合適的太陽(yáng)能電池,是需要解決的問(wèn)題.本文選取3種代表性的電池板,通過(guò)計(jì)算在海南省三亞市的電池板發(fā)電效果、車輛加裝電池板后的續(xù)航里程、產(chǎn)品價(jià)格等分析對(duì)比,從而為電動(dòng)觀光車選取合適的太陽(yáng)能電池提供依據(jù).通過(guò)在電動(dòng)觀光車底部安裝太陽(yáng)能電池板,并連接控制器對(duì)太陽(yáng)能電池充電進(jìn)行控制,有效保護(hù)蓄電池過(guò)充,同時(shí)防止太陽(yáng)能電池消耗蓄電池電量,使得電動(dòng)觀光車在白天可以通過(guò)太陽(yáng)能電池輔助充電,以到達(dá)增加使用里程、節(jié)能環(huán)保的目的.

1 選定實(shí)驗(yàn)車輛及參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)對(duì)象為海南省三亞市某熱帶景區(qū)配備的太陽(yáng)能電動(dòng)觀光車,圖1為太陽(yáng)能電池輔助充電的電動(dòng)觀光車結(jié)構(gòu)示意圖,具體參數(shù)如表1所示.

圖1 太陽(yáng)能電池輔助充電的電動(dòng)觀光車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of electricsightseeing car with solar battery auxiliarycharging

2 太陽(yáng)能電池參數(shù)及選取

2.1太陽(yáng)能電池基本參數(shù)

太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體結(jié)的光生伏打效應(yīng)[5].所謂光生伏打效應(yīng)，就是當(dāng)半導(dǎo)體物體在受到光照時(shí),物體內(nèi)的正負(fù)電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng).當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射半導(dǎo)體結(jié)時(shí),就會(huì)在結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓,叫光生電壓,使PN結(jié)短路,產(chǎn)生電流[6].圖2為太陽(yáng)能電池工作原理.

表1 電動(dòng)觀光車詳細(xì)參數(shù)Tab.1 Detailed parameters of an electric sightseeing car

圖2 太陽(yáng)能電池工作原理Fig.2 Working principle of solar battery

按照太陽(yáng)能電池的汽車表面應(yīng)用來(lái)分,大體上可分為片狀和薄膜狀兩種太陽(yáng)能光伏電池.片狀太陽(yáng)能光伏電池又可分為單晶硅太陽(yáng)能光伏電池、多晶硅太陽(yáng)能光伏電池以及其他類片狀光伏電池.薄膜狀太陽(yáng)能光伏電池又可分為非晶硅太陽(yáng)能光伏電池和化合物太陽(yáng)能光伏電池[7].

隨著光伏電池的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用,它的成本大幅度下降,而且與它的光電轉(zhuǎn)化率也得到了大大地提升.近年來(lái)多晶硅太陽(yáng)能光伏電池技術(shù)在不斷成熟,光電轉(zhuǎn)化效率也一直在提高[8],可以實(shí)現(xiàn)19%的光電轉(zhuǎn)化效率.

化合物太陽(yáng)能光伏電池主要有銦硒銅、碲化鎘、砷化鎵、磷化銦等化合物光伏電池,目前市場(chǎng)上的薄膜太陽(yáng)能光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率在15%以上.

光電轉(zhuǎn)換ηs可定義為

(1)

I,U分別是光伏電池輸出電流和電壓,電壓-電流特性為

(2)

式中:I0為逆飽和電流;e為電子電荷;n稱為理想系數(shù);k為為波爾茨曼常數(shù);T為溫度;V即為太陽(yáng)能電池的端電壓.

開(kāi)路電流為

(3)

開(kāi)路電壓為

(4)

通過(guò)式(4)可以看出,太陽(yáng)能電池的面積大小對(duì)電池電壓沒(méi)有影響.

當(dāng)太陽(yáng)能電池接上不同的負(fù)載時(shí),可以得出伏安特性曲線(見(jiàn)圖3).

圖3 伏安特性曲線Fig.3 Volt-Ampere characteristic curve

太陽(yáng)能電池重要參數(shù)填充因子FF定義為

(5)

式中:Pm為太陽(yáng)能電池最大功率.

FF也可由如下經(jīng)驗(yàn)公式表示:

(6)

填充因子FF是衡量太陽(yáng)能電池輸出特性的重要指標(biāo),在太陽(yáng)能電池的短路電流ISC和開(kāi)路電壓UOC一定的情況下,填充因子FF值越大可以表示太陽(yáng)能電池的輸出功率越大[9].

光電轉(zhuǎn)換效率定義為ηs,大氣質(zhì)量ma為1.5時(shí)的光譜分布的具體規(guī)定可參見(jiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn).在入射的太陽(yáng)輻照度為1 000 W/m2、溫度為25 ℃的情況下,

ηs=vOCISCFF

(7)

太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是衡量電池質(zhì)量、企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平和發(fā)電效率的重要參數(shù),主要影響因素有ISC,UOC和FF等,這些與電池的結(jié)構(gòu)、結(jié)特性、材料性質(zhì)、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環(huán)境情況等有關(guān)[10].

2.2選取太陽(yáng)能電池及參數(shù)對(duì)比

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查后,選取下列3種代表性太陽(yáng)能電池,具體參數(shù)如表2所示.

表2 3種代表性太陽(yáng)能電池參數(shù)Tab.2 Three representative solar battery parameters

由于太陽(yáng)能電池制造原因,無(wú)法取得尺寸完全同樣大小,故選取盡可能長(zhǎng)和寬接近面積數(shù)值.通過(guò)表2對(duì)比可以看出:薄膜類太陽(yáng)能電池價(jià)格較貴,厚度最薄,但是薄膜類太陽(yáng)能電池為柔性材料,可以直接進(jìn)行粘貼,安裝方便且損壞后不易造成傷害;單晶硅太陽(yáng)能電池價(jià)格低廉,厚度適中,易破碎,無(wú)法適應(yīng)較大幅度的道路顛簸;多晶硅太陽(yáng)能電池價(jià)格居于前兩者之間,厚度較大,而且質(zhì)量最大,也易破碎.

3 發(fā)電量對(duì)比

3.1三亞市太陽(yáng)能輻射情況

海南省的太陽(yáng)能資源理論儲(chǔ)量為4.76×1013(kW·h)/a,年平均太陽(yáng)能輻射量為4 600～5 800 MJ/m2,年平均日照數(shù)為2 166 h,部分地區(qū)最多可達(dá)2 650 h.海南省南部地區(qū)陽(yáng)光更加充足,具有豐富的太陽(yáng)能資源[4],其中三亞市年太陽(yáng)總輻射量為5 994 MJ/m2,即1 665(kW·h)/m2,日照時(shí)長(zhǎng)可達(dá)2 555 h.由此可得日平均太陽(yáng)能輻射量約為4.56(kW·h)/m2,三亞市月平均太陽(yáng)能輻射量如圖4所示.

圖4 三亞市各月平均太陽(yáng)能輻射量Fig.4 The monthly average solar radiation of Sanya City

3.2三亞市太陽(yáng)能電池發(fā)電對(duì)比

發(fā)電效率可通過(guò)日平均輻射總量和光電轉(zhuǎn)換率及面積進(jìn)行估算,公式如下:

PF=φηs

(8)

式中:PF為太陽(yáng)能板的日平均發(fā)電功率;φ為日平均太陽(yáng)能輻射量.

WF=PFS

(9)

式中:WF為該太陽(yáng)能電池日平均發(fā)電量;S為太陽(yáng)能電池的面積.

通過(guò)式(8)和式(9),可計(jì)算出3種電池在三亞地區(qū)的日均發(fā)電量,詳細(xì)對(duì)比如表3所示.

表3 3種太陽(yáng)能電池日平均發(fā)電量對(duì)比Tab.3 The comparison of daily average generationof three kinds of solar batteries

單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池日均發(fā)電量相差不大,薄膜太陽(yáng)能電池相對(duì)少些.如果在車輛側(cè)面上,增加太陽(yáng)能電池,可以提高發(fā)電量,但是車輛側(cè)身安裝面積小而且復(fù)雜.本實(shí)驗(yàn)電動(dòng)車消耗至充電時(shí)的耗電總量約為4.536 kW·h,3種電池日均發(fā)電量可占充電量的百分比分別為38.1%,37.1%和27.5%.

在火力發(fā)電廠,每1 kW·h電需要燃燒0.4 kg標(biāo)準(zhǔn)煤,此時(shí)會(huì)產(chǎn)生0.272 kg粉塵、0.996 kg CO2、0.032 kg SO2和0.016 kg氮氧化物[11].如果在電動(dòng)觀光車上使用3種太陽(yáng)能電池進(jìn)行輔助充電,平均每天可分別節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤0.69,0.672 4,0.498 4 kg,還可減少CO2，SO2等氣體排放,同時(shí)會(huì)減少PM2.5等粉塵的排放.

3種電池回收成本計(jì)算對(duì)比如表4所示,其中海南省電費(fèi)價(jià)格按工商業(yè)用電1.058 1 kW·h計(jì)算.

表4 3種太陽(yáng)能電池經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比Tab.4 The comparison of economic benefit ofthree kinds of solar batteries

4 續(xù)航里程對(duì)比

根據(jù)能量守恒定律,不同的太陽(yáng)能電池質(zhì)量會(huì)消耗不同的電能,同時(shí)影響電動(dòng)車的持續(xù)行駛里程.選取電動(dòng)車在平直道路上勻速行駛時(shí),蓄電池經(jīng)過(guò)車身上各系統(tǒng)能量消耗后輸出的總能量等于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)力所做的功.蓄電池能量和行駛里程關(guān)系如下:

3 600Eoutη=∑FL

(10)

式中:Eout為蓄電池輸出能量;η為蓄電池能量傳遞到車身行駛的效率;∑F為汽車行駛在設(shè)定的平順道路上的驅(qū)動(dòng)力;L是持續(xù)行駛里程.本實(shí)驗(yàn)車輛的η為80%,圖5為電動(dòng)觀光車的能量效率及損失情況,其中

Eout=Eζ

(11)

式中:E為蓄電池組的總能量(W·h);ζ為放電深度.為了使蓄電池使用壽命延長(zhǎng)及取得實(shí)驗(yàn)車輛最佳放電效率,選取放電深度為60%,其中

E=UC

(12)

式中:U，C分別為電池組總電壓和總?cè)萘?

圖5 電動(dòng)觀光車能量效率圖Fig.5 The energy efficiency diagram of anelectric sightseeing car

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)條件選取車輛在平直道路上等速行駛,驅(qū)動(dòng)力與行駛阻力相等[12],

(13)

式中:Ff為電動(dòng)汽車滾動(dòng)阻力;Fw為該車輛的迎風(fēng)阻力;m為該車輛的質(zhì)量;g為重力加速度;f為該車在道路行駛時(shí)滾動(dòng)阻力系數(shù);Cd為車輛實(shí)驗(yàn)時(shí)的空氣阻力系數(shù);A為該車輛的迎風(fēng)面積;ρ為空氣密度(ρ=1.225 8 N·s2·m-4),V為行駛速度.

由此可得

(14)

本實(shí)驗(yàn)選取速度為10,15,20 km/h進(jìn)行車身質(zhì)量對(duì)續(xù)航里程的影響實(shí)驗(yàn),圖6為本實(shí)驗(yàn)車型在不同速度下的車身質(zhì)量和續(xù)航里程關(guān)系圖.表5為3種太陽(yáng)能觀光電動(dòng)車質(zhì)量影響續(xù)航里程對(duì)比.表6為3種太陽(yáng)能觀光電動(dòng)車質(zhì)量比原車減少質(zhì)量對(duì)比.

圖6 3種太陽(yáng)能電池電動(dòng)觀光車的續(xù)航里程情況對(duì)比Fig.6 The Comparison of three kinds of solar energysightseeing electric vehicle on the rechargemileage

電動(dòng)觀光車輛續(xù)航里程受質(zhì)量、迎風(fēng)面積、道路情況、電池、電機(jī)、速度等多種因素影響,在電動(dòng)觀光車上安裝太陽(yáng)能電池板所增加的質(zhì)量都將減少續(xù)航里程.其中:薄膜太陽(yáng)能電池因?yàn)橘|(zhì)量輕,對(duì)續(xù)航里程影響最小,只為約0.5 km左右;多晶硅太陽(yáng)能電池質(zhì)量影響最大,減少續(xù)航里程約4 km左右;單晶硅太陽(yáng)能電池質(zhì)量對(duì)續(xù)航里程減少約2 km.而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,太陽(yáng)能電池可以在有光照的情況下為蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電.

表5 3種太陽(yáng)能電池觀光電動(dòng)車質(zhì)量影響續(xù)航里程對(duì)比Tab.5 The comparison of the influence of weight of threekinds of solar energy sightseeing electric vehicle

表6 3種太陽(yáng)能電動(dòng)觀光車質(zhì)量比原車減少續(xù)航里程對(duì)比Tab.6 Three kinds of solar sightseeing electric vehicle weightthan the original car to reduce mileage comparison

設(shè)定日平均光照時(shí)間為10 h/d,L0為未安裝太陽(yáng)能板時(shí)的車輛續(xù)航里程,Lx為加裝后的車輛續(xù)航里程,t為可行駛減少的續(xù)航里程的充電時(shí)間(h),Eout為蓄電池輸出能量,WF為太陽(yáng)能電池日均發(fā)電量,即

(15)

由此可得

(16)

可計(jì)算出3種太陽(yáng)能電池電動(dòng)觀光車在可以補(bǔ)充充電時(shí),為達(dá)到原車行駛里程所需要太陽(yáng)能充電時(shí)間.表7為3種太陽(yáng)能電池,在3種速度情況下為達(dá)到原車的續(xù)航里程需要太陽(yáng)能充電的時(shí)間.

分析表7可以得出,太陽(yáng)能電池自身質(zhì)量影響的續(xù)航里程,通過(guò)自身一定時(shí)間的太陽(yáng)能充電即可抵消自身消耗的能量.其中:薄膜太陽(yáng)能電池用時(shí)最少,只需要16 min左右;單晶硅太陽(yáng)能電池用時(shí)居中,需要44 min左右;多晶硅太陽(yáng)能電池用時(shí)最多,需要80 min左右.這主要是由自身質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率兩個(gè)因素決定的.

表7 3種太陽(yáng)能觀光電動(dòng)車為達(dá)到原續(xù)航里程需要的充電時(shí)間對(duì)比Tab.7 The comparison of the charging time of the threekinds of sola sightseeing electric cars with lessweight than the original cars

3種太陽(yáng)能電池通過(guò)補(bǔ)充輔助充電,在完全補(bǔ)充充電的情況下,可以達(dá)到增加30%左右續(xù)航里程的效果.3種太陽(yáng)能電池質(zhì)量相差約12 kg,其中多晶硅最重、薄膜最輕,質(zhì)量對(duì)續(xù)航里程影響相差約1.5 km.觀光電動(dòng)車行駛道路比較平順,沒(méi)有過(guò)大顛簸,速度相對(duì)不高,在觀光電動(dòng)車上推廣太陽(yáng)能輔助充電具有比較好的經(jīng)濟(jì)前景,如安裝單晶硅太陽(yáng)能電池在15個(gè)月的時(shí)間就可以收回成本,還將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益,推薦使用單晶硅太陽(yáng)能電池.在安裝太陽(yáng)能電池時(shí)在下部安裝減震材料,使得太陽(yáng)能電池和車頂之間具有緩沖,保護(hù)太陽(yáng)能電池;而薄膜太陽(yáng)能電池建議使用在房車等類型的車輛上,這類汽車運(yùn)行速度高,要求安全性、穩(wěn)定性好;多晶硅太陽(yáng)能電池受其自身質(zhì)量約束,目前不建議在電動(dòng)觀光車上使用.

5 結(jié)論

本文在海南熱帶環(huán)境下基于豐富的太陽(yáng)能資源,對(duì)3種不同類型的太陽(yáng)能電池進(jìn)行了性能參數(shù)、發(fā)電量、質(zhì)量影響續(xù)航里程實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,所得到的結(jié)論如下:

(1) 針對(duì)在觀光電動(dòng)車上安裝太陽(yáng)能電池輔助充電設(shè)備,可以有效地利用太陽(yáng)能,從而增加續(xù)航里程.

(2) 3種太陽(yáng)能電池價(jià)格分別為660,900和2 600元,多晶硅太陽(yáng)能電池厚度最大,為薄膜太陽(yáng)能電池厚度2倍;薄膜太陽(yáng)能電池比其他兩種太陽(yáng)能電池發(fā)電量日均差別0.3 kW·h,單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池日均發(fā)電量分別為1.729和1.681 kW·h.3種太陽(yáng)能電池年平均產(chǎn)生效益分別為667.80,649.20和481.45元,盡管薄膜太陽(yáng)能電池具有多種優(yōu)點(diǎn),但是局限于價(jià)格高、轉(zhuǎn)化率相對(duì)低,造成其經(jīng)濟(jì)效益較低.

(3) 在電動(dòng)觀光車上安裝單晶硅太陽(yáng)能電池輔助充電設(shè)備,平均每天可以產(chǎn)生電能1.729 kW·h,一輛車每年可以節(jié)約251.85 kg標(biāo)準(zhǔn)煤,可減少171 kg粉塵、627.11 kg CO2、20.15 kg SO2和10.07 kg氮氧化物排放.在三亞市甚至海南省推廣使用太陽(yáng)能電動(dòng)觀光車,可以為建設(shè)低碳綠色國(guó)際旅游島作出貢獻(xiàn),也會(huì)提高人們的環(huán)保意識(shí).

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ComparativestudyonperformanceofsolarelectricsightseeingvehicleinHainan’stropicalenvironment

BAIYoujun1,2,LIUShihao2,ZHAOMeng2,SUSi1,ZHENGYan1
(1.College of Engineering and Technology,Hainan College of Economics and Business,Haikou 571127, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Hainan University,Haikou 570228, China)

Aiming at the problem of environmental protection under the background of Hainan international tourism island,this paper is to explore the electric sightseeing car installing solar battery auxiliary charging system,which is suitable for the characteristics of tropical climate.Based on the rich solar energy resources of Sanya City of Hainan Province,the experimental vehicles and parameters were selected to study the solar battery parameters.Three representative solar batteries were selected,compared and analyzed through the price,power generation,product benefits,recharge mileage effects and charging time,and verified the rationality of the installation of solar battery auxiliary charging system on electric sightseeing car.The research indicates that the installation of monocrystalline silicon solar battery auxiliary charging system in electric sightseeing car has good economic,energy saving and environmental protection effects.

solar battery; electric sightseeing car; auxiliary charge; performance comparison; power generation

TK 519; U 469

： A

： 1672-5581(2017)03-0273-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405115);海南省自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(20166213);海南省高等學(xué)?？茖W(xué)研究資助項(xiàng)目(Hnky2017-69)

白有俊(1983—),男,講師.E-mail:642baiyoujun@163.com

劉世豪(1981—),男,副教授,博士.E-mail:liushihao1102@126.com