汽车用太阳能发电遮阳装置研究*

李童馨，李周正，陈亮，高黎明，郭灵柔，刘勇

汽车用太阳能发电遮阳装置研究*

李童馨1，李周正1，陈亮1，高黎明1，郭灵柔1，刘勇2

（1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029；2.北京化工大学材料科学与工程学院，北京 100029）

车辆在高温中停放会使内部温度升高达60℃，对车内各部件都会产生不同程度的损伤，并减少车辆使用寿命。文章结合“车罩”的概念，通过隔层减少太阳直射汽车的面积，以此达到有效降温；通过添加柔性太阳能电池板以获取能量，利用半导体制冷片进一步加大降温效果。实验使用了等效模型法，将形状相似的纸盒替换成汽车，降低了实验所需的时间和金钱成本。最终获取了新装置可以实现的效率及最适安装距离。

汽车内部降温；太阳能电池板；半导体制冷片；安装距离

引言

随着人们生活水平的提高，小汽车走进了千家万户。由于汽车数量的大量增加，车库车位短缺的问题大大加剧，大部分汽车只能露天停放在路边[1]。由于没有遮蔽物，汽车难免会受到太阳的直射。美国一项研究表明，当环境气温为35℃时，阳光照射15 min便能使封闭车厢内的温度达到65℃。如此高的车内温度不仅会对人体产生危害，还会加速车内设施的老化[2]。这些本可造福人类的太阳能因未被利用，而对我们的生活造成巨大的危害[3]。因此，设计出能够携带的，便利的汽车遮阳装置非常有实际意义。

现有的汽车遮阳装置只能遮挡部分阳光，降温效果不尽人意，同时也未将太阳能有效利用[4]。柔性非晶硅薄膜太阳能电池板近年来发展迅速，其质量轻、成本低、延展性好、容易加工的特性也越来越引起人们的关注[5]。本文利用柔性非晶硅太阳能电池板一方面阻挡太阳光，一方面利用其产生的电能，对半导体制冷片进行供电，使其对车内降温[6]。我们通过实验，得出了电池板距离车最合适的距离，以便在利用太阳能时还能给予人们最舒适的出行体验。

1 实验原理

太阳能电池板所形成的车衣可以吸收光能转变为电能，同时具有遮光作用，可以有效降低车内温度。同时所产生的电能可供给半导体制冷片，对车内起降温作用。根据研究表明，在其他条件相同时，光强越强，输出电压不变，但输出电流增大。但温度升高，输出电流又减小。所以需要尽量保持太阳能电池板温度不要太高[7]。且光照强度越高，外阻值较小的话，最大输出功率就会较大[8]。

因此利用柔性非晶硅太阳能电池板做成的车衣，在距车身距离合适时，既能起到遮阳作用，产生的电能又能给半导体制冷片供电，从而起到降温作用。

我们所设计的车载遮阳发电装置，所使用的主材料为柔性非晶硅太阳能电池板[9]，生产单位为美国的联合太阳能公司，其相较于传统太阳能电池板具有重量轻、可折叠和不易破碎的特点。

2 结果与讨论

2.1 太阳能电池板距车身距离的选择

太阳能电池板对紫外线有一定的遮蔽作用，可以在一定程度上减少车内温度的上升。且随着阳光强度的升高，差异愈加明显[10]。本实验采用纸盒代替车壳，测量电池板到纸盒的距离对纸盒内温度的影响。

图1 实验装置图

采用如图1所示实验仪器，用两个等大的尺寸为154x84x65（mm），体积约为840立方厘米的纸盒作为研究对象。做如下实验：（1）纸盒1做空白对照，和纸盒2放在相同光照条件下，纸盒2被太阳能电池板完全遮蔽，并且电池板离纸盒2的距离为0 mm。（2）太阳能电池板距离纸盒2的高度分别设置为0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm和18 mm，稳定后记录纸盒内温度。

第一个实验中纸盒1与纸盒2的稳定温度分别是39.4℃和38.6℃。第二个实验的温度变化如图2所示。

图2 太阳能电池板距纸盒的距离对纸盒内温度的影响

由图2可知，太阳能电池板距离纸盒过低时，由于电池板的传热作用，纸盒内温度较高；距离纸盒过高时，遮蔽作用不明显，盒内温度也较高。当太阳能电池板距离盒子8-12 mm时，盒内温度最低。实验模拟图如图3所示。

图3 柔性太阳能电池板遮蔽汽车模拟图

2.2 半导体制冷片制冷

只采取柔性太阳能电池板遮阳降温，车内温度达不到预期目标。因此我们选择半导体制冷片来加强降温。半导体制冷片工作时无噪声，并且无需氟利昂制冷，非常环保，简单易操作[11]。

根据半导体材料的Peltier效应，两种不同半导体材料串联成的电偶，当直流电通过时，电偶的两端可分别放出热量和吸收热量，从而制冷[12]。并且两个极板也会通过空气与半导体材料进行逆向热传递[13,14]。

我们设计了两套方案。一是分散放置（见图4），将制冷片均匀分布在车顶、车身四周；二是集中放置（见图5），将制冷片集中放置在车顶。由于制冷片一面制冷、一面制热，第一种方案的散热不好制作，没有深入研究。

图4 分散装置

图5 集中放置

在进行集中放置实验时，我们发现一个有趣的现象，模型内的温度一开始降的很快，一段时间后却又迅速回升。最终我们发现了问题所在：实验所选用的半导体制冷片，属于大功率制冷片，该制冷片工作时一面致冷一面发热，在其工作时必须确保制冷片的热面有良好散热。两面的温差将影响制冷片的效率[15]。我们效仿电脑CPU散热提出了铜管散热和水冷两种解决方案。由于铜管散热装置制作复杂，使用不方便，最后被放弃。水冷装置如图6所示，实验中，在制冷片热面紧贴吸水滤纸，一侧滴加冷水，一侧用脱脂棉吸走热水，来降低热面温度。

采取此方案后，模型温度得到了有效降低。

图6 水辅助散热装置

3 结语

利用柔性非晶硅薄膜太阳能电池板所制成的“车衣”，既可以起到一定的遮光降温作用，也可以吸收光能转化成电能，供电给半导体制冷片，给汽车降温。实验发现，当太阳能电池板距离车身8-12 mm时，车内温度最低。半导体制冷片在一定条件下，具有良好的辅助散热效果。本研究为开发新型太阳能车衣提供了有益参考。

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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

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1671-7988(2019)18-25-03

李童馨，就读于北京化工大学机电工程学院。

北京化工大学2018年度大学生创新创业训练计划（X2018100109 187）的资金支持。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.008