海南热带环境下太阳能电动观光车性能对比

白有俊,刘世豪,赵 猛,苏 思,郑 艳(.海南经贸职业技术学院 工程技术学院,海口 577; .海南大学 机电工程学院,海口 5708)

海南热带环境下太阳能电动观光车性能对比

白有俊1,2,刘世豪2,赵 猛2,苏 思1,郑 艳1
(1.海南经贸职业技术学院 工程技术学院,海口 571127; 2.海南大学 机电工程学院,海口 570228)

针对海南省国际旅游岛背景下的绿色环保问题,探索符合热带气候特点的电动观光车上加装太阳能电池辅助充电系统.基于海南省三亚市丰富的太阳能资源,选定实验车辆及参数,研究太阳能电池参数,并选取了3种代表性的太阳能电池,通过价格、发电量、产生效益、续航里程影响、充电时间等分析对比,验证了在电动观光车上安装太阳能电池辅助充电系统的合理性.研究结果表明,在电动观光车上安装单晶硅太阳能电池辅助充电系统,具有良好的节能环保和经济效应.

太阳能电池; 电动观光车; 辅助充电; 性能对比; 发电量

节能环保已经成为目前时代主题,在环境保护前提下的新能源开发是人类社会解决当前所面临的环境危机的根本途径[1].为了更加环保,同时又能保障人们日常需要,世界各国都在支持发展新能源汽车,我国也一直在大力支持发展电动汽车[2].国内外有多个科研院所正在进行太阳能车辆的研究,并成功研制出一些太阳能电动车[3],个别太阳能企业也一直在进行太阳能电动车的研发工作.为了使电动观光车增加续航里程,同时节约电能,进一步保护环境,可在电动观光车车顶部安装太阳能电池用于辅助充电.

我国目前大多数旅游景区、高等院校、高尔夫球场、酒店等场所都在使用电动观光车,如果能够在电动观光车上普及太阳能电池辅助充电,将会大大减少火力发电量,从而减少环境污染,满足社会使用需求.海南省地处热带地区,阳光穿透性好,太阳能辐射量较高,具有良好的开发太阳能资源的区域优势[4].特别是海南在积极开展国际旅游岛建设,拥有较多的电动观光车,具有多家太阳能光伏企业.在海南开展太阳能辅助电动观光车应用研究可以实现绿色环保、节约能源,具有极大的社会和经济意义.

目前,市场上有多种太阳能电池,如何选取合适的太阳能电池,是需要解决的问题.本文选取3种代表性的电池板,通过计算在海南省三亚市的电池板发电效果、车辆加装电池板后的续航里程、产品价格等分析对比,从而为电动观光车选取合适的太阳能电池提供依据.通过在电动观光车底部安装太阳能电池板,并连接控制器对太阳能电池充电进行控制,有效保护蓄电池过充,同时防止太阳能电池消耗蓄电池电量,使得电动观光车在白天可以通过太阳能电池辅助充电,以到达增加使用里程、节能环保的目的.

1 选定实验车辆及参数

本文实验对象为海南省三亚市某热带景区配备的太阳能电动观光车,图1为太阳能电池辅助充电的电动观光车结构示意图,具体参数如表1所示.

图1 太阳能电池辅助充电的电动观光车结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the structure of electricsightseeing car with solar battery auxiliarycharging

2 太阳能电池参数及选取

2.1太阳能电池基本参数

太阳能电池是利用半导体结的光生伏打效应[5].所谓光生伏打效应，就是当半导体物体在受到光照时,物体内的正负电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应.当太阳光或其他光照射半导体结时,就会在结的两边出现电压,叫光生电压,使PN结短路,产生电流[6].图2为太阳能电池工作原理.

表1 电动观光车详细参数Tab.1 Detailed parameters of an electric sightseeing car

图2 太阳能电池工作原理Fig.2 Working principle of solar battery

按照太阳能电池的汽车表面应用来分,大体上可分为片状和薄膜状两种太阳能光伏电池.片状太阳能光伏电池又可分为单晶硅太阳能光伏电池、多晶硅太阳能光伏电池以及其他类片状光伏电池.薄膜状太阳能光伏电池又可分为非晶硅太阳能光伏电池和化合物太阳能光伏电池[7].

随着光伏电池的技术发展和应用,它的成本大幅度下降,而且与它的光电转化率也得到了大大地提升.近年来多晶硅太阳能光伏电池技术在不断成熟,光电转化效率也一直在提高[8],可以实现19%的光电转化效率.

化合物太阳能光伏电池主要有铟硒铜、碲化镉、砷化镓、磷化铟等化合物光伏电池,目前市场上的薄膜太阳能光伏电池的光电转化效率在15%以上.

光电转换ηs可定义为

(1)

I,U分别是光伏电池输出电流和电压,电压-电流特性为

(2)

式中:I0为逆饱和电流;e为电子电荷;n称为理想系数;k为为波尔茨曼常数;T为温度;V即为太阳能电池的端电压.

开路电流为

(3)

开路电压为

(4)

通过式(4)可以看出,太阳能电池的面积大小对电池电压没有影响.

当太阳能电池接上不同的负载时,可以得出伏安特性曲线(见图3).

图3 伏安特性曲线Fig.3 Volt-Ampere characteristic curve

太阳能电池重要参数填充因子FF定义为

(5)

式中:Pm为太阳能电池最大功率.

FF也可由如下经验公式表示:

(6)

填充因子FF是衡量太阳能电池输出特性的重要指标,在太阳能电池的短路电流ISC和开路电压UOC一定的情况下,填充因子FF值越大可以表示太阳能电池的输出功率越大[9].

光电转换效率定义为ηs,大气质量ma为1.5时的光谱分布的具体规定可参见国家标准和国际标准.在入射的太阳辐照度为1 000 W/m2、温度为25 ℃的情况下,

ηs=vOCISCFF

(7)

太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量、企业生产技术水平和发电效率的重要参数,主要影响因素有ISC,UOC和FF等,这些与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境情况等有关[10].

2.2选取太阳能电池及参数对比

经过市场调查后,选取下列3种代表性太阳能电池,具体参数如表2所示.

表2 3种代表性太阳能电池参数Tab.2 Three representative solar battery parameters

由于太阳能电池制造原因,无法取得尺寸完全同样大小,故选取尽可能长和宽接近面积数值.通过表2对比可以看出:薄膜类太阳能电池价格较贵,厚度最薄,但是薄膜类太阳能电池为柔性材料,可以直接进行粘贴,安装方便且损坏后不易造成伤害;单晶硅太阳能电池价格低廉,厚度适中,易破碎,无法适应较大幅度的道路颠簸;多晶硅太阳能电池价格居于前两者之间,厚度较大,而且质量最大,也易破碎.

3 发电量对比

3.1三亚市太阳能辐射情况

海南省的太阳能资源理论储量为4.76×1013(kW·h)/a,年平均太阳能辐射量为4 600～5 800 MJ/m2,年平均日照数为2 166 h,部分地区最多可达2 650 h.海南省南部地区阳光更加充足,具有丰富的太阳能资源[4],其中三亚市年太阳总辐射量为5 994 MJ/m2,即1 665(kW·h)/m2,日照时长可达2 555 h.由此可得日平均太阳能辐射量约为4.56(kW·h)/m2,三亚市月平均太阳能辐射量如图4所示.

图4 三亚市各月平均太阳能辐射量Fig.4 The monthly average solar radiation of Sanya City

3.2三亚市太阳能电池发电对比

发电效率可通过日平均辐射总量和光电转换率及面积进行估算,公式如下:

PF=φηs

(8)

式中:PF为太阳能板的日平均发电功率;φ为日平均太阳能辐射量.

WF=PFS

(9)

式中:WF为该太阳能电池日平均发电量;S为太阳能电池的面积.

通过式(8)和式(9),可计算出3种电池在三亚地区的日均发电量,详细对比如表3所示.

表3 3种太阳能电池日平均发电量对比Tab.3 The comparison of daily average generationof three kinds of solar batteries

单晶硅和多晶硅太阳能电池日均发电量相差不大,薄膜太阳能电池相对少些.如果在车辆侧面上,增加太阳能电池,可以提高发电量,但是车辆侧身安装面积小而且复杂.本实验电动车消耗至充电时的耗电总量约为4.536 kW·h,3种电池日均发电量可占充电量的百分比分别为38.1%,37.1%和27.5%.

在火力发电厂,每1 kW·h电需要燃烧0.4 kg标准煤,此时会产生0.272 kg粉尘、0.996 kg CO2、0.032 kg SO2和0.016 kg氮氧化物[11].如果在电动观光车上使用3种太阳能电池进行辅助充电,平均每天可分别节省标准煤0.69,0.672 4,0.498 4 kg,还可减少CO2，SO2等气体排放,同时会减少PM2.5等粉尘的排放.

3种电池回收成本计算对比如表4所示,其中海南省电费价格按工商业用电1.058 1 kW·h计算.

表4 3种太阳能电池经济效益对比Tab.4 The comparison of economic benefit ofthree kinds of solar batteries

4 续航里程对比

根据能量守恒定律,不同的太阳能电池质量会消耗不同的电能,同时影响电动车的持续行驶里程.选取电动车在平直道路上匀速行驶时,蓄电池经过车身上各系统能量消耗后输出的总能量等于电动车驱动力所做的功.蓄电池能量和行驶里程关系如下:

3 600Eoutη=∑FL

(10)

式中:Eout为蓄电池输出能量;η为蓄电池能量传递到车身行驶的效率;∑F为汽车行驶在设定的平顺道路上的驱动力;L是持续行驶里程.本实验车辆的η为80%,图5为电动观光车的能量效率及损失情况,其中

Eout=Eζ

(11)

式中:E为蓄电池组的总能量(W·h);ζ为放电深度.为了使蓄电池使用寿命延长及取得实验车辆最佳放电效率,选取放电深度为60%,其中

E=UC

(12)

式中:U，C分别为电池组总电压和总容量.

图5 电动观光车能量效率图Fig.5 The energy efficiency diagram of anelectric sightseeing car

因为本实验条件选取车辆在平直道路上等速行驶,驱动力与行驶阻力相等[12],

(13)

式中:Ff为电动汽车滚动阻力;Fw为该车辆的迎风阻力;m为该车辆的质量;g为重力加速度;f为该车在道路行驶时滚动阻力系数;Cd为车辆实验时的空气阻力系数;A为该车辆的迎风面积;ρ为空气密度(ρ=1.225 8 N·s2·m-4),V为行驶速度.

由此可得

(14)

本实验选取速度为10,15,20 km/h进行车身质量对续航里程的影响实验,图6为本实验车型在不同速度下的车身质量和续航里程关系图.表5为3种太阳能观光电动车质量影响续航里程对比.表6为3种太阳能观光电动车质量比原车减少质量对比.

图6 3种太阳能电池电动观光车的续航里程情况对比Fig.6 The Comparison of three kinds of solar energysightseeing electric vehicle on the rechargemileage

电动观光车辆续航里程受质量、迎风面积、道路情况、电池、电机、速度等多种因素影响,在电动观光车上安装太阳能电池板所增加的质量都将减少续航里程.其中:薄膜太阳能电池因为质量轻,对续航里程影响最小,只为约0.5 km左右;多晶硅太阳能电池质量影响最大,减少续航里程约4 km左右;单晶硅太阳能电池质量对续航里程减少约2 km.而在实际运行过程中,太阳能电池可以在有光照的情况下为蓄电池进行补充充电.

表5 3种太阳能电池观光电动车质量影响续航里程对比Tab.5 The comparison of the influence of weight of threekinds of solar energy sightseeing electric vehicle

表6 3种太阳能电动观光车质量比原车减少续航里程对比Tab.6 Three kinds of solar sightseeing electric vehicle weightthan the original car to reduce mileage comparison

设定日平均光照时间为10 h/d,L0为未安装太阳能板时的车辆续航里程,Lx为加装后的车辆续航里程,t为可行驶减少的续航里程的充电时间(h),Eout为蓄电池输出能量,WF为太阳能电池日均发电量,即

(15)

由此可得

(16)

可计算出3种太阳能电池电动观光车在可以补充充电时,为达到原车行驶里程所需要太阳能充电时间.表7为3种太阳能电池,在3种速度情况下为达到原车的续航里程需要太阳能充电的时间.

分析表7可以得出,太阳能电池自身质量影响的续航里程,通过自身一定时间的太阳能充电即可抵消自身消耗的能量.其中:薄膜太阳能电池用时最少,只需要16 min左右;单晶硅太阳能电池用时居中,需要44 min左右;多晶硅太阳能电池用时最多,需要80 min左右.这主要是由自身质量和转换效率两个因素决定的.

表7 3种太阳能观光电动车为达到原续航里程需要的充电时间对比Tab.7 The comparison of the charging time of the threekinds of sola sightseeing electric cars with lessweight than the original cars

3种太阳能电池通过补充辅助充电,在完全补充充电的情况下,可以达到增加30%左右续航里程的效果.3种太阳能电池质量相差约12 kg,其中多晶硅最重、薄膜最轻,质量对续航里程影响相差约1.5 km.观光电动车行驶道路比较平顺,没有过大颠簸,速度相对不高,在观光电动车上推广太阳能辅助充电具有比较好的经济前景,如安装单晶硅太阳能电池在15个月的时间就可以收回成本,还将产生良好的经济效益,推荐使用单晶硅太阳能电池.在安装太阳能电池时在下部安装减震材料,使得太阳能电池和车顶之间具有缓冲,保护太阳能电池;而薄膜太阳能电池建议使用在房车等类型的车辆上,这类汽车运行速度高,要求安全性、稳定性好;多晶硅太阳能电池受其自身质量约束,目前不建议在电动观光车上使用.

5 结论

本文在海南热带环境下基于丰富的太阳能资源,对3种不同类型的太阳能电池进行了性能参数、发电量、质量影响续航里程实验对比分析,所得到的结论如下:

(1) 针对在观光电动车上安装太阳能电池辅助充电设备,可以有效地利用太阳能,从而增加续航里程.

(2) 3种太阳能电池价格分别为660,900和2 600元,多晶硅太阳能电池厚度最大,为薄膜太阳能电池厚度2倍;薄膜太阳能电池比其他两种太阳能电池发电量日均差别0.3 kW·h,单晶硅和多晶硅太阳能电池日均发电量分别为1.729和1.681 kW·h.3种太阳能电池年平均产生效益分别为667.80,649.20和481.45元,尽管薄膜太阳能电池具有多种优点,但是局限于价格高、转化率相对低,造成其经济效益较低.

(3) 在电动观光车上安装单晶硅太阳能电池辅助充电设备,平均每天可以产生电能1.729 kW·h,一辆车每年可以节约251.85 kg标准煤,可减少171 kg粉尘、627.11 kg CO2、20.15 kg SO2和10.07 kg氮氧化物排放.在三亚市甚至海南省推广使用太阳能电动观光车,可以为建设低碳绿色国际旅游岛作出贡献,也会提高人们的环保意识.

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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

国家自然科学基金资助项目(51405115);海南省自然科学基金面上资助项目(20166213);海南省高等学校科学研究资助项目(Hnky2017-69)

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

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