李童馨，李周正，陳亮，高黎明，郭靈柔，劉勇

汽車用太陽能發(fā)電遮陽裝置研究*

李童馨1，李周正1，陳亮1，高黎明1，郭靈柔1，劉勇2

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029）

車輛在高溫中停放會(huì)使內(nèi)部溫度升高達(dá)60℃，對(duì)車內(nèi)各部件都會(huì)產(chǎn)生不同程度的損傷，并減少車輛使用壽命。文章結(jié)合“車罩”的概念，通過隔層減少太陽直射汽車的面積，以此達(dá)到有效降溫；通過添加柔性太陽能電池板以獲取能量，利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)一步加大降溫效果。實(shí)驗(yàn)使用了等效模型法，將形狀相似的紙盒替換成汽車，降低了實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間和金錢成本。最終獲取了新裝置可以實(shí)現(xiàn)的效率及最適安裝距離。

汽車內(nèi)部降溫；太陽能電池板；半導(dǎo)體制冷片；安裝距離

引言

隨著人們生活水平的提高，小汽車走進(jìn)了千家萬戶。由于汽車數(shù)量的大量增加，車庫車位短缺的問題大大加劇，大部分汽車只能露天停放在路邊[1]。由于沒有遮蔽物，汽車難免會(huì)受到太陽的直射。美國(guó)一項(xiàng)研究表明，當(dāng)環(huán)境氣溫為35℃時(shí)，陽光照射15 min便能使封閉車廂內(nèi)的溫度達(dá)到65℃。如此高的車內(nèi)溫度不僅會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，還會(huì)加速車內(nèi)設(shè)施的老化[2]。這些本可造福人類的太陽能因未被利用，而對(duì)我們的生活造成巨大的危害[3]。因此，設(shè)計(jì)出能夠攜帶的，便利的汽車遮陽裝置非常有實(shí)際意義。

現(xiàn)有的汽車遮陽裝置只能遮擋部分陽光，降溫效果不盡人意，同時(shí)也未將太陽能有效利用[4]。柔性非晶硅薄膜太陽能電池板近年來發(fā)展迅速，其質(zhì)量輕、成本低、延展性好、容易加工的特性也越來越引起人們的關(guān)注[5]。本文利用柔性非晶硅太陽能電池板一方面阻擋太陽光，一方面利用其產(chǎn)生的電能，對(duì)半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行供電，使其對(duì)車內(nèi)降溫[6]。我們通過實(shí)驗(yàn)，得出了電池板距離車最合適的距離，以便在利用太陽能時(shí)還能給予人們最舒適的出行體驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

太陽能電池板所形成的車衣可以吸收光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，同時(shí)具有遮光作用，可以有效降低車內(nèi)溫度。同時(shí)所產(chǎn)生的電能可供給半導(dǎo)體制冷片，對(duì)車內(nèi)起降溫作用。根據(jù)研究表明，在其他條件相同時(shí)，光強(qiáng)越強(qiáng)，輸出電壓不變，但輸出電流增大。但溫度升高，輸出電流又減小。所以需要盡量保持太陽能電池板溫度不要太高[7]。且光照強(qiáng)度越高，外阻值較小的話，最大輸出功率就會(huì)較大[8]。

因此利用柔性非晶硅太陽能電池板做成的車衣，在距車身距離合適時(shí)，既能起到遮陽作用，產(chǎn)生的電能又能給半導(dǎo)體制冷片供電，從而起到降溫作用。

我們所設(shè)計(jì)的車載遮陽發(fā)電裝置，所使用的主材料為柔性非晶硅太陽能電池板[9]，生產(chǎn)單位為美國(guó)的聯(lián)合太陽能公司，其相較于傳統(tǒng)太陽能電池板具有重量輕、可折疊和不易破碎的特點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 太陽能電池板距車身距離的選擇

太陽能電池板對(duì)紫外線有一定的遮蔽作用，可以在一定程度上減少車內(nèi)溫度的上升。且隨著陽光強(qiáng)度的升高，差異愈加明顯[10]。本實(shí)驗(yàn)采用紙盒代替車殼，測(cè)量電池板到紙盒的距離對(duì)紙盒內(nèi)溫度的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

采用如圖1所示實(shí)驗(yàn)儀器，用兩個(gè)等大的尺寸為154x84x65（mm），體積約為840立方厘米的紙盒作為研究對(duì)象。做如下實(shí)驗(yàn)：（1）紙盒1做空白對(duì)照，和紙盒2放在相同光照條件下，紙盒2被太陽能電池板完全遮蔽，并且電池板離紙盒2的距離為0 mm。（2）太陽能電池板距離紙盒2的高度分別設(shè)置為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm和18 mm，穩(wěn)定后記錄紙盒內(nèi)溫度。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中紙盒1與紙盒2的穩(wěn)定溫度分別是39.4℃和38.6℃。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的溫度變化如圖2所示。

圖2 太陽能電池板距紙盒的距離對(duì)紙盒內(nèi)溫度的影響

由圖2可知，太陽能電池板距離紙盒過低時(shí)，由于電池板的傳熱作用，紙盒內(nèi)溫度較高；距離紙盒過高時(shí)，遮蔽作用不明顯，盒內(nèi)溫度也較高。當(dāng)太陽能電池板距離盒子8-12 mm時(shí)，盒內(nèi)溫度最低。實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖如圖3所示。

圖3 柔性太陽能電池板遮蔽汽車模擬圖

2.2 半導(dǎo)體制冷片制冷

只采取柔性太陽能電池板遮陽降溫，車內(nèi)溫度達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)。因此我們選擇半導(dǎo)體制冷片來加強(qiáng)降溫。半導(dǎo)體制冷片工作時(shí)無噪聲，并且無需氟利昂制冷，非常環(huán)保，簡(jiǎn)單易操作[11]。

根據(jù)半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶，當(dāng)直流電通過時(shí)，電偶的兩端可分別放出熱量和吸收熱量，從而制冷[12]。并且兩個(gè)極板也會(huì)通過空氣與半導(dǎo)體材料進(jìn)行逆向熱傳遞[13,14]。

我們?cè)O(shè)計(jì)了兩套方案。一是分散放置（見圖4），將制冷片均勻分布在車頂、車身四周；二是集中放置（見圖5），將制冷片集中放置在車頂。由于制冷片一面制冷、一面制熱，第一種方案的散熱不好制作，沒有深入研究。

圖4 分散裝置

圖5 集中放置

在進(jìn)行集中放置實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象，模型內(nèi)的溫度一開始降的很快，一段時(shí)間后卻又迅速回升。最終我們發(fā)現(xiàn)了問題所在：實(shí)驗(yàn)所選用的半導(dǎo)體制冷片，屬于大功率制冷片，該制冷片工作時(shí)一面致冷一面發(fā)熱，在其工作時(shí)必須確保制冷片的熱面有良好散熱。兩面的溫差將影響制冷片的效率[15]。我們效仿電腦CPU散熱提出了銅管散熱和水冷兩種解決方案。由于銅管散熱裝置制作復(fù)雜，使用不方便，最后被放棄。水冷裝置如圖6所示，實(shí)驗(yàn)中，在制冷片熱面緊貼吸水濾紙，一側(cè)滴加冷水，一側(cè)用脫脂棉吸走熱水，來降低熱面溫度。

采取此方案后，模型溫度得到了有效降低。

圖6 水輔助散熱裝置

3 結(jié)語

利用柔性非晶硅薄膜太陽能電池板所制成的“車衣”，既可以起到一定的遮光降溫作用，也可以吸收光能轉(zhuǎn)化成電能，供電給半導(dǎo)體制冷片，給汽車降溫。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽能電池板距離車身8-12 mm時(shí)，車內(nèi)溫度最低。半導(dǎo)體制冷片在一定條件下，具有良好的輔助散熱效果。本研究為開發(fā)新型太陽能車衣提供了有益參考。

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Research on the Solar Generator and Sunshade Device for Car*

Li Tongxin1, Li Zhouzheng1, Chen Liang1, Gao Liming1, Guo Lingrou1, Liu Yong2

( 1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029; 2. College of Materials Science and Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029 )

The temperature inside vehicles can go up to 60℃ if parked under sunlight, causing damage to different car parts and reduce the total life expectancies. In order to determine the practicability of using car cover with solar panels and the energy it produces to reduce the in-car temperature in summer, as well as the most suitable installation methods, the research team used the idea of “car-cover” --blocking the sunlight to reduce radiation--and attach with some soft solar panels to produce energy, using the energy and a thermoelectric cooler to further improve cooling effect. The experiments selected similar shapes boxes to replace cars to reduce the time and money costs. After the experiments, the results of the efficiency of the device are achieved and the most suitable installation distance is determined.

In-car cooling; Solar panels; Thermoelectric cooler; Right distance

TK11

A

1671-7988(2019)18-25-03

TK11

A

1671-7988(2019)18-25-03

李童馨，就讀于北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。

北京化工大學(xué)2018年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（X2018100109 187）的資金支持。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.008