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浅谈汽车用太阳能发电遮阳装置

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摘要: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。

关键词: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15min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。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0mm。(2)太阳能电池板距离纸盒2的高度分别设置为0mm、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm和18mm,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。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8-12mm时,盒内温度最低。实验模拟图如图3所示。

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。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。

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8-12mm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。

参考文献

[1]徐万晖.关于城市交通拥堵和车位短缺问题的思考及对策分析[J].城市,2012(9):52-54.

[3]马进,回振桥,王松.阳光照射下汽车内部件温度的数学模型[J].现代电子技术,2017,40(14):5-9.

[4]易挺,黄凌玉,薛莹.普通汽车遮阳板的改良与设计[J].企业导报,2016(13):42-43.

[5]王薇.PET基柔性太阳能电池薄膜电极的制备及其光电转化性能的研究[D].济南:山东大学,2014.

[6]王坤鹏.柔性非晶硅薄膜太阳能电池的制备与模拟研究[D].南京:南京工业大学,2014.

[7]薛继元,冯文林,赵芬,等.太阳能电池板的输出特性与实际应用研究[J].红外与激光工程,2015,44(1):179-180.

[8]李廷.太阳能电池功率影响因素研究[J].科技与创新,2018(13):95-95.

[9]吴颖华,徐丹.高温天气太阳能汽车内室自动降温系统的设计与制作[J].科技展望.2017,27(1):135.

[10]任姣,孙亚平,贺帅,等.太阳能挡风玻璃遮阳帘的发电与降温效果试验[J].科技创新与应用,2015(12):7.

[11]许兆棠,张恒,周锋.压路机太阳能半导体送风遮阳装置的设计[J].工程机械,2009,40(4):42-42.

[12]吴正业.制冷设备及原理[M].西安:西安交通大学出版社,2010.

[13]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海:上海交通大学出版社,1992.

[14]吴淳,胡如幻,赵姗姗,等.全自动太阳能半导体制冷仪制冷研究[J].中国科技纵横,2013(7):134-135.

[15]童汉维.半导体制冷器温度控制系统的设计与实现[D].湖北:华中科技大学,2010.

作者:李童馨 李周正 陈亮 高黎明 郭灵柔 刘勇 单位:北京化工大学机电工程学院

浅谈汽车用太阳能发电遮阳装置责任编辑:张雨    阅读:人次
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