太阳能轿车天窗的设计研究

2011-01-04庞小兰

重庆三峡学院学报 2011年3期

庞小兰

（肇庆科技职业技术学院，广东肇庆 526114）

传统的石油资源日益枯竭，人们对石油资源的依赖性和石油储量的不断锐减形成了鲜明的反差.汽车产业的蓬勃发展也给社会环境带来了一定的压力，寻找新能源解决方案是汽车发展的新课题.

太阳能是一种可再生能源，取之不尽、使用安全，引起了人们的极大关注,太阳能电池是开发利用太阳能最有效的方法之一.太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能的，是对环境无污染的可再生能源，它的应用可以解决社会发展在能源需求方面的问题.

太阳能是一种储量极其丰富的洁净能源，太阳每年向地面输送的能量高达 3×1024焦耳，相当于世界年耗能量的1.5万倍.因此太阳能电池作为人们利用可持续的太阳能资源，是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径，[1]因此近几年对于太阳能汽车的研究已经日益增多.所谓太阳能汽车就是利用太阳能电池将太阳能转换为电能，并利用该电能驱动车辆行驶.太阳能汽车由于其零污染、能源用之不竭，代表了汽车发展的新水平，因此被人们称为“未来汽车”.因为目前太阳能汽车还有一些不能逾越的障碍，太阳能电池的转换效率不高，太阳能辐射功率单位面积比较小，而价格又比较昂贵，所以目前太阳能汽车离我们的生活还比较遥远.而将太阳能汽车的概念实际化应用，让太阳能汽车这种尚未得以普及的意念实际应用成为目前汽车或者是电动汽车上的一个部件，通过轿车天窗和太阳能电池模块的一体化设计，来实现轿车发动机不启动时的电源供给，从而使车内排气扇工作，达到停车通风的效果，改善车内的空气质量.

1 太阳能介绍

太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换部件才能转换成电能.太阳能电池就是一种直接将太阳能转换为电能的转换部件.它的物理基础是两种不同半导体材料构成的大面积P-N结，以及非平衡少数载流子在P-N结内建电场作用下形成的漂移电流.用适当波长的光照射到半导体P-N结时，半导体吸收光能后，半导体内的原子获得光能后产生电子—空穴对，并在势垒区内建电场的作用下，发生漂移运动而分离，电子被送入N型区，空穴被送入P型区，从而使N型区有过剩的电子，P型区有过剩的空穴.这样，就在P-N结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场.光生电场的一部分与内建电场相抵消，其余的使 P型区带正电，N型区带负电，这种现象被称为光生伏特效应，故太阳能电池通常又称为光伏电池.这样P型区和N型区产生的光生载流子，在内建电场的作用下，反方向穿过势垒，形成光电流.理想P-N结的光伏电池电流—电压(I-V)关系如式(1-1)所示：

其中，I为PN结的电流（A）；I0为反饱和电流（A）；V为外加电压（V）；q是电子电荷（1.6× 10-19C）；K是波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K）；T是绝对温度（K）.

实际上太阳能电池还具有体串联电阻 Rs和并联电阻Rsh等.考虑到这些因素，通常采用太阳电池等效电路.实际太阳电池中的电阻等参数是分布参数，但在应用中处理为集总参数后，其分析模型的精度仍足够准确，本文不考虑分布参数问题.通过二极管因子A可以考虑等效电路中二极管的非理想P-N结，取值范围1-5在如图设定的电压、电流方向下，可得太阳能电池的I-V特性方程为：

图1表明它具有强烈的非线性性质.[2,3]

图1 太阳能电池的I-V和P-V特性曲线

由太阳能电池的I-V特性曲线可以得到太阳能电池的几个重要技术参数：

（1）短路电流(Isc)：在给定日照强度和温度下的最大输出电流；

（2）开路电压(Voc)：在给定日照强度和温度下的最大输出电压；

（3）最大功率点电流(Im)：在给定日照强度和温度下对应于最大功率点的电流；

（4）最大功率点电压(Vm)：在给定日照强度和温度下对应于最大功率点的电压；

（5）最大功率点功率（Pm）：在给定日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率，Pm=Im×Vm.

一个光伏电池单元一般只能产生大约0.45V的电压，远低于实际应用所需要的数值.在实际应用中，一般把光伏电池单元通过串联和并联连接成光伏组件，太阳能光伏组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接，多个光伏组件可以通过串联和并联阵列.

2 研究思路

太阳能轿车天窗的系统主要由以下几个部分组成，实际上就是一个太阳能电池的充放电路，系统如图2所示.

图2 太阳能轿车天窗系统示意图

太阳能电池：太阳能电池板是系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用.

充放控制器：充放控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效地为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生.通过充放控制器可以为负载提供稳定电压的直流电.

蓄电池：蓄电池的作用是将太阳能电池发出的直流电直接储存起来，供负载使用.

直流负载：车内排风扇，实线停车通风.

3 系统硬件设计

（1）太能电池

按照要求比对，最合适最常见的太阳能电池材料是硅类太阳能电池，而单晶硅的转换效率最高，但是价格最贵，市场上常见的都是大功率的单晶硅太阳能板居多，所以选择效率和价格都比较合适的多晶硅太阳能电池.而多晶硅太阳能电池的封装方式一般有两种，一种是钢化玻璃封装，重量厚度均比较大，但是寿命长，可达到10年左右，常用于功率比较大的电池板.另一种为滴胶树脂封装，重量轻，厚度小，寿命大约为3年左右，常用于小功率的电池板.综合考虑，选用滴胶树脂封装的多晶硅太阳能电池物美价廉.

（2）直流负载——车内排气扇

炎热的夏天，汽车被阳光照射半个小时，车内的温度会急剧上升到高于车外双倍的温度，启动空调五分钟以后车内温度才会下降，既不舒适又浪费燃油.

车内温度在30℃以上，甲醛、苯类有害气体的排放是平时排放的数倍以上，长期在此环境下，易引发各种疾病.

现在在市面上流行的一种太阳能车内排风扇的原理比较简单，电池和排风机是一体化的，靠太阳能电池来驱动电机的工作，但实际的排气效果比较差，功率也比较小.

具体设计是采用了一款应用于中央处理器的散热涡轮风扇改装使用，可达到更大的风量和更小的功率.去掉铝片，有4个孔位可安装在轿车出风口之上，直接用夹具夹放于轿车空调出风口的位置，此涡轮风扇的功率为3W，最高转速可到3 500RPM，风量达到50CFM左右.比起原来的风量和工作时间都多出数倍.实际测试的使用时间是6个小时左右，风力强劲.

4 电路设计

外界气候的变化无常，太阳光的强弱也不确定，导致太阳能电池输出的电压不稳定，那么输出的电流也就不断变化，而轿车的用电设备要求电压和电流相对固定，所以需要一个电路（如图 3）给蓄电池充电，起到稳压的作用.

图3 充电部分电路图

在此设计中，三极管VT1起到开关的作用，它与变压器T1、电阻R1和R3以及电容C2组成自激式振荡电路.当VT1导通时，电流从蓄电池正极流向电阻R1，然后到达三极管VT1的基极，同时，变压器 T1的初级线圈通电，随着基极线圈的电流增加，感应线圈的感应电压也不断增加，此时，该感应电压给电容C2充电，随着时间的累积，C2充电电压不断增高，VT1基极电位慢慢变低，当三极管 VT1的基极电流变化不能满足其继续饱和时，VT1退出饱和区进入放大区.这时，三极管 VT1的基极电流开始下降，感应线圈同样产生感应电流，当基极电流减小到低于E极时，三极管VT1截止，这时变压器T1储存的能量提供给负载，次级线圈产生的电压经二极管VD1整流滤波后，在C3上得到直流电压给电池充电.

当VT1截止时，蓄电池输人电压和感应线圈的电压通过R1、R3给C2反向充电，随着时间的增多，三极管VT1基极的电位不断升高，当满足导通条件时，三极管VT1重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去.

该电路设计有限压保护功能，限压电路由R5、R6、VD2、VT2等组成，其目的是保护蓄电池不被过度充电，并要求充电最大电压值为4.2V.在蓄电池的的充电过程中，蓄电池两端的电压不断上升，当充电电压大于上限值时，利用电阻R5、R6分压后稳压二极管VD2开始导通，此时，三极管VT2导通，VT2的分流作用减小了VT1的基极电流，从而减小了VT1的集电极电流Ic，达到了限制输出电压的作用.这时电路停止了对电池的大电流充电，用小电流将电池的电压维持在4.2V.

5 充放控制器软件设计

充放控制器是太阳能控制系统中的核心部分，主要完成对蓄电池进行充电和放电的控制，以及在过充、过放电、过载等情况发生时对系统进行有效地保护.[4]因此，对太阳能系统性能的影响除了硬件电路外，软件的设计也在很大程度上影响了系统的可靠性和充电的效率，尤其是充电方法的实现更为重要（如图4）.[5]鉴于以上考虑，在设计时，该系统的软件设计采用动态跟踪技术，利用单片机不断的检测蓄电池电压、负载电流、太阳能电池端电压、环境温度等参数，根据所得参数进行校正，同时，设计恰当的调制脉宽脉冲信号的占空比，从而对蓄电池实现不同幅值的恒压充电；在蓄电池的每一个保护点时可实现不同的控制动作，对蓄电池加以保护，达到最佳的充电效果.为实现系统的可靠工作采用了先进的数字滤波技术和电压回差法来抑制干扰和振荡等现象，有效地提高了系统的可靠性和平稳性.[6]