摘 要：隨著全球原材料價格的上漲和“雙碳”戰(zhàn)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(lǐng)域的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。首先，簡述了太陽電池的市場現(xiàn)狀；隨后，從光伏發(fā)電輔助充電增加續(xù)航里程、車輛冷卻與節(jié)能、汽車上光伏發(fā)電的最大功率點跟蹤控制，太陽能電動汽車充電站的設(shè)計與實現(xiàn)4個方向?qū)夥l(fā)電在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究進行了深入探討；最后，對光伏發(fā)電在汽車領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)用、增加光伏組件在車身上的可發(fā)電面積、儲能與節(jié)能等研究方向，為光伏發(fā)電在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計提供有力的參考和指導(dǎo)，推動汽車行業(yè)向更加綠色、可持續(xù)的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；太陽能汽車；續(xù)航里程；冷卻；節(jié)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(xiàn)代社會的主要交通工具，是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。然而，隨著汽車保有量增加，能源消耗量也隨之上升。光伏發(fā)電技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅能夠輔助節(jié)能和儲能，還能有效促進減排，助力“雙碳”的目標實現(xiàn)。

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(fā)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(shù)。這些研究成果為在現(xiàn)有汽車產(chǎn)品上應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)能減排，提供了寶貴的技術(shù)參考。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車相比，單純依靠光伏發(fā)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(yōu)勢，但其實際應(yīng)用仍受到光伏組件發(fā)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(gòu)和企業(yè)把研究重點轉(zhuǎn)向光伏發(fā)電輔助充電技術(shù)在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用。此外，提高光伏組件的發(fā)電效率和擴大可發(fā)電面積以增加發(fā)電量，也是當前此應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點。

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

1" 太陽電池市場現(xiàn)狀

太陽電池根據(jù)技術(shù)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(huán)境友好性，晶硅太陽電池一直是光伏行業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)。第2類太陽電池是包括非晶硅、碲化鎘（CdTe）、銅銦鎵硒（CIGS）在內(nèi)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(huán)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(zhuǎn)換效率略低，但其應(yīng)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(fā)電總裝機容量95%的份額統(tǒng)治市場[8]。硅材料的卓越性能促成了晶硅太陽電池的技術(shù)優(yōu)勢，包括：原料來源豐富、光伏組件穩(wěn)定性強、光電轉(zhuǎn)換效率好。

常規(guī)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(xué)性質(zhì)，以及成本和光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率，但由于制造工藝復(fù)雜，成本較高；而在多晶硅太陽電池的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生硅晶粒，導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率比單晶硅太陽電池的低。

另外，鈍化發(fā)射極及背面接觸（PERC）太陽電池[11]、異質(zhì)結(jié)（HJT）太陽電池[12]、雙面太陽電池[13]等。這些技術(shù)各有優(yōu)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(zhì)量小、厚度極?。ㄎ⒚准墸⑷嵝詮姷葍?yōu)點，但也存在價格高和光電轉(zhuǎn)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(shù)快速發(fā)展階段，仍存在穩(wěn)定性差、制備技術(shù)不成熟等問題[19]。

1.4" 小結(jié)

不同技術(shù)的太陽電池的實驗室光電轉(zhuǎn)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(fā)電在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

文獻[20-21]的研究顯示，消費者對于在汽車上加裝光伏發(fā)電設(shè)施表現(xiàn)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(nèi)通風(fēng)、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(fā)了可折疊光伏組件，其可在停車時展開，擴大可發(fā)電面積，從而提高發(fā)電量。

學(xué)術(shù)界對光伏發(fā)電在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要集中在4個方面：1）增加汽車的續(xù)航里程；2）進行車內(nèi)降溫以輔助節(jié)能；3）汽車上光伏發(fā)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(fā)電輔助充電增加續(xù)航里程

對于光伏發(fā)電在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的研究，最初主要集中在增加汽車的續(xù)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(fā)電和蓄電池的雙模式混合驅(qū)動，光伏發(fā)電和蓄電池可實現(xiàn)獨立驅(qū)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(xù)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(fā)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(fā)電

量差異來評估發(fā)電潛力，如圖4所示。實驗結(jié)果顯示：該電動汽車單次行駛（約10 min）的發(fā)電量為0.0158 kWh，平均發(fā)電時間以6 h/天計算，則年發(fā)電量為221 kWh；車頂光伏組件的發(fā)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(cè)車門發(fā)電量相同）的光伏組件的發(fā)電量分別約為車頂光伏組件發(fā)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(fā)現(xiàn)，加裝光伏組件后該三輪車每天可增加的續(xù)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(fā)電量對提升其續(xù)航里程的貢獻有限，因此許多學(xué)者和汽車制造商把研究方向轉(zhuǎn)向在不增加安裝面積的前提下增加光伏組件可發(fā)電面積，比如：設(shè)計可折疊收縮的光伏組件；也有將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于汽車的其他系統(tǒng)（例如：制冷系統(tǒng)）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(xù)航里程。

2.2" 光伏發(fā)電輔助通風(fēng)和冷卻

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

2010年，Leong等[25]的研究表明：汽車車廂內(nèi)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(diào)系統(tǒng)是汽車中消耗電能最多的設(shè)備，實驗在車上加裝了光伏發(fā)電排氣風(fēng)扇系統(tǒng)，有效降低了車廂內(nèi)的溫度，從而降低了汽車空調(diào)系統(tǒng)的電力消耗。2011年，Levinson等[26]發(fā)現(xiàn)車輛熱負荷和其空調(diào)系統(tǒng)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(nèi)的空氣溫度，從而能減少車輛的空調(diào)系統(tǒng)負荷，提高燃油經(jīng)濟性。2017年，Khatoon等[27]開發(fā)了一種利用光伏發(fā)電技術(shù)的新型車廂布局通風(fēng)方法，并進行了模擬驗證。數(shù)值模擬結(jié)果表明：通風(fēng)變量會影響車廂內(nèi)熱舒適性和能量效率，有可能提高乘客的舒適性?？梢钥闯?，在車輛上安裝光伏組件用以輔助車廂通風(fēng)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(nèi)的通風(fēng)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(fā)電直接供電的通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用直流電風(fēng)扇，多次比較實驗的結(jié)果表明：在夏季晴天時，該系統(tǒng)可為停放中的電動汽車的通風(fēng)系統(tǒng)提供動力，并有助于將車廂溫度降至環(huán)境溫度。2021年，Al-Rawashdeh等[29]設(shè)計了一種由光伏發(fā)電驅(qū)動的新型便攜式車廂通風(fēng)機，其設(shè)計方案如圖5所示，并對其進行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明：裝有該通風(fēng)機的車廂溫度比未裝設(shè)該通風(fēng)機的車廂溫度低11.4 ℃，表明此車廂通風(fēng)機顯著改善了車輛在烈日下停放時車廂內(nèi)的熱舒適性。

2022年，Alani等[30]設(shè)計了一種利用光伏發(fā)電供能的空調(diào)系統(tǒng)（如圖6所示），空調(diào)系統(tǒng)與柔性光伏組件相連，以補償車輛發(fā)動機的電力，提高車輛的燃油經(jīng)濟性；并通過實驗測量了利用光伏發(fā)電供能的空調(diào)系統(tǒng)對燃料消耗量的影響，以及車廂內(nèi)的制冷和制熱溫度。研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比，利用光伏發(fā)電供能的空調(diào)系統(tǒng)減少了25%的發(fā)動機燃料消耗；在炎熱天氣時，當室外溫度為40 ℃時，車廂的內(nèi)部溫度在30 s內(nèi)可降至20 ℃。Rossetti等[31]在輕型卡車冷藏箱頂部設(shè)計了與光伏發(fā)電系統(tǒng)集成的電動制冷單元，并在固定條件下對該系統(tǒng)原型進行了測試。測試結(jié)果證明了光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)保持最大的輸出功率。有些學(xué)者研究了在汽車上裝設(shè)改進型的MPPT光伏發(fā)電系統(tǒng)，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)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?shù)?D彎曲光伏組件攔截太陽輻射進入車內(nèi)的方法，設(shè)計了1種轉(zhuǎn)換因子，可將常規(guī)的光伏組件2D計算模型轉(zhuǎn)換為3D計算模型，并使用移動式多光譜儀陣列（MMPA）系統(tǒng)（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(tài)集中器光伏發(fā)電（concentrator photovoltaics，CPV）系統(tǒng)，該靜態(tài)CPV系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（如圖8所示）比使用太陽跟蹤機構(gòu)的CPV系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，操作更方便，適合在車頂安裝。靜態(tài)CPV系統(tǒng)包括固體復(fù)合拋物面聚光器（CPCs）、三結(jié)太陽電池。仿真結(jié)果表明：該模塊可實現(xiàn)25%的發(fā)電效換效率。

光伏發(fā)電MPPT在汽車行駛過程中很難控制，但在戶外靜止狀態(tài)下的（例如：房車）車輛上，其應(yīng)用較為廣泛，這不僅方便了可折疊光伏組件的鋪設(shè)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(shè)計與實現(xiàn)

隨著電動汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，光伏發(fā)電輔助充電系統(tǒng)在停車場中的應(yīng)用日益增多。此類停車場不僅能利用太陽能實現(xiàn)清潔能源的利用，還能為電動汽車提供充電服務(wù)。

徐政等[34]設(shè)計了一種包括并網(wǎng)發(fā)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(chǔ)設(shè)施示意圖如圖9所示，為太陽能車棚的設(shè)計、成本與效益評估等提供了實驗依據(jù)。Singh等[35]設(shè)計了一款太陽能電動汽車充電站，根據(jù)印度6個城市的日照情況，使用PVsyst軟件生成的能量平衡數(shù)據(jù)對該充電站的情況進行模擬。結(jié)果表明：充電站每年平均可產(chǎn)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(shè)計了一款成本更低的利用光伏發(fā)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(shè)和推廣利用光伏發(fā)電的電動汽車充電站提供了參考和借鑒。

3" 展望

光伏發(fā)電在汽車領(lǐng)域應(yīng)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(yīng)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(fā)更便攜、更薄、光電轉(zhuǎn)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(yù)計將有更多適合汽車應(yīng)用的太陽電池問世。

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

3）儲能與節(jié)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(nèi)或加熱動力電池、停車監(jiān)控等需要消耗電能的情況下，使用光伏發(fā)電為空調(diào)鼓風(fēng)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(xiàn)儲能與節(jié)能的目的。

4" 結(jié)論

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

隨著科技進步，光伏組件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)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(chuàng)新、系統(tǒng)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(fā)展提供了清晰的藍圖。期待太陽能技術(shù)的進步能夠為汽車行業(yè)帶來革命性的改變，實現(xiàn)更加綠色、可持續(xù)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(xué)基金項目（520MS068）；海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院“雙高計劃”新能源汽車科研創(chuàng)新團隊項目（HNJMT2022-202）

通信作者：白有?。?983—），男，碩士、副教授，主要從事電動汽車太陽能輔助充電與節(jié)能方面的研究。11066110@qq.com