劉明瑞，陳海進(jìn)

（南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226000）

0 引言

截至2019年上半年，全國的停車位缺口已達(dá)2.1億[1]，停車位的巨大缺口使大部分車輛露天停放。夏日暴曬下，車內(nèi)空氣的平均溫度可達(dá)到60℃[2]，[3]。持續(xù)的高溫不僅會影響人員進(jìn)入車內(nèi)后的舒適感，還會加速車內(nèi)電子設(shè)備與飾品的老化，導(dǎo)致有毒物質(zhì)的釋放。有限的面積限制了車載光伏電池的發(fā)電量，無法滿足汽車空調(diào)的供電需求。合理利用太陽能，驅(qū)動汽車外循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)對悶曬車輛進(jìn)行通風(fēng)，是一個有效降低車內(nèi)空氣溫度且切實(shí)可行的方法。當(dāng)不需要駐車通風(fēng)或車載光伏電池供電有盈余時，車載光伏電池可以對汽車藍(lán)牙、行車記錄儀等設(shè)備供電，對汽車蓄電池進(jìn)行充電維護(hù)，延長汽車電池的使用壽命[4]。然而現(xiàn)有的車載光伏產(chǎn)品大多為概念雛形，未進(jìn)行大規(guī)模市場化投放，使用光伏電池維持駐車通風(fēng)具有極大的市場潛力。

文獻(xiàn)[5]，[6]通過仿真研究了悶曬車輛的通風(fēng)降溫效果。文獻(xiàn)[7]提出在車頂放置光伏電池來維持駐車通風(fēng)系統(tǒng)供電，但文中缺乏對系統(tǒng)供電量與降溫效果的分析，且對車輛外部框架的改造會顯著提高成本。文獻(xiàn)[8]提出了一種卷簾式太陽能遮陽板的設(shè)計思路，但文獻(xiàn)僅局限于設(shè)計方法，同樣未說明系統(tǒng)的供電量與降溫效果，缺乏理論支持。文獻(xiàn)[9]對汽車太陽能供電的駐車通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了能耗的評估與降溫模擬，論證了基于車頂放置光伏電池維持駐車通風(fēng)的可行性，但分析局限于車輛外部水平放置的車載光伏電池。

市場現(xiàn)有的汽車遮陽板成本低、易于維護(hù)和收納，結(jié)合光伏薄膜電池良好的柔性制成光伏遮陽板，可避對車輛外部框架的改造。光伏遮陽板一方面通過遮陽降低車艙溫度，另一方面吸收太陽輻射并轉(zhuǎn)換為電能，維持車輛駐車通風(fēng)可進(jìn)一步降低車艙溫度，對車艙的通風(fēng)降溫起到“開源節(jié)流”的作用。本文通過構(gòu)建基于光伏遮陽板供電的悶曬車輛通風(fēng)降溫模型，使用數(shù)值模擬方法對車艙的遮陽通風(fēng)效果進(jìn)行分析，利用穩(wěn)態(tài)周期性得熱的性質(zhì)，將太陽輻射與遮陽通風(fēng)對車艙空氣溫度的影響以時間序列形式表達(dá)出來。使用當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時間法對系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析，驗(yàn)證方案的可行性。

1 光伏遮陽板供電的悶曬車輛通風(fēng)降溫模型

1.1 車艙建模

太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度、環(huán)境風(fēng)速以及汽車停放朝向與玻璃的透射率都對露天停放車輛的溫度有影響。因此傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱和輻射傳熱都會造成車輛部件和空氣的熱浸。車內(nèi)空氣溫度變化量△Tair為[2]

式中：Qr，Qcd，Qcv分別為外界對車內(nèi)空氣的輻射傳熱、傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱的傳熱量；C為車艙內(nèi)空氣的比熱容；m為質(zhì)量。

使用ANSYS的計算流體力學(xué)（CFD）模塊構(gòu)建汽車鼓風(fēng)降溫的網(wǎng)格模型。測量車型尺寸按1∶1等比例構(gòu)建CFD模型。為簡化模型，忽略車艙內(nèi)方向盤等對溫度影響較小的部件，構(gòu)成的網(wǎng)格模型及仿真環(huán)境參數(shù)如圖1所示。

圖1 車艙模型與仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)定Fig.1 Vehicle model and the environment parameter setting of simulation

為模擬前擋風(fēng)玻璃處遮陽板對空氣溫度的影響，在圖1（a）模型中，平行于前擋風(fēng)玻璃添加光伏遮陽板，即圖中陰影部分。選取本文所在地的經(jīng)緯度將地點(diǎn)設(shè)置為東經(jīng)121.05°，北緯32.08°。根據(jù)對車輛的實(shí)測數(shù)據(jù)，對邊界條件相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。在理想情況下，風(fēng)流為低速不可壓縮流體，密度符合近似假設(shè)。忽略由流體的黏性力做功所引起的耗散熱，假設(shè)車艙壁面粗糙度均勻，所有壁面施加無滑移邊界條件；假設(shè)壁面溫度均勻分布，車艙的各壁面材料屬性按照其各層材料數(shù)據(jù)取其加權(quán)平均值。使用DO輻射模型并調(diào)用FLUENT太陽軌跡追蹤模型。選用k-epsilon湍流模型，啟用RNG模型和浮力效應(yīng)。在6：00-18：00，每小時設(shè)立一個仿真時間點(diǎn)，將車艙溫度以時間序列形式表現(xiàn)出來。在中控臺空調(diào)出風(fēng)口位置添加總面積為0.01 m2的4個進(jìn)風(fēng)口，模擬汽車空氣循環(huán)的通風(fēng)口。在車艙后部設(shè)置2個總面積為8 cm2的壓力出口以模擬車內(nèi)的氣體自然溢出。仿真中設(shè)置各時刻太陽直射輻射值、水平方向與豎直方向散射輻射值和環(huán)境溫度等環(huán)境參數(shù)設(shè)定如圖1（b）所示。

1.2 光伏遮陽板對車艙冷熱負(fù)荷的影響

玻璃對陽光等短波輻射具有較高的透射率，對長波輻射具有較高的反射率。當(dāng)光線經(jīng)過車內(nèi)粗糙飾品表面反射后波長變長，難以對外進(jìn)行輻射傳熱，加劇了空氣溫度的上升。通過查閱機(jī)動車安全手冊可知，前擋風(fēng)玻璃及其貼膜的可見光透射率須大于70%，其余玻璃的可見光透射率須大于50%。正是因?yàn)槠嚥煌课徊ＡЪ捌滟N膜的透射率不同與車窗玻璃尺寸的差異，當(dāng)車輛不同朝向停放時，車艙空氣溫度會有顯著差異[10]，不同停放朝向車艙空氣溫度的變化曲線如圖2所示。

圖2 遮陽板對車艙空氣溫度的影響Fig.2 Air temperature affected by sunshade

光伏遮陽板遮擋了經(jīng)前擋風(fēng)玻璃投射入車艙的太陽輻射，減少了車艙的輻射得熱，但遮陽板在陽光照射下同樣會升溫，導(dǎo)致遮陽板與車艙空氣產(chǎn)生熱交換。根據(jù)Sandia國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的電性能模型，光伏組件背面溫度經(jīng)驗(yàn)公式可表示為[11]

式中：Tb和Tf分別為光伏遮陽板背部溫度與正面溫度；Gd為太陽直射輻射；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a=-3.562，b=-0.076 8；V為遮陽板表面的風(fēng)速。

對比圖2中兩組數(shù)據(jù)可以看出，添加遮陽板后4種朝向的車艙空氣溫度均有5 K左右的降低。不同朝向下的車艙溫度變化曲線由原本在各時刻的互有高低，變?yōu)榇笾律系内呌谙嗤?。這一現(xiàn)象表明，遮陽板的存在削弱了停放朝向?qū)嚺摽諝鉁囟鹊挠绊?。同時說明相對于汽車其他部位的玻璃，通過前擋風(fēng)玻璃透射入車艙的太陽輻射所占比重較高。因此對前擋風(fēng)玻璃進(jìn)行遮陽可有效降低悶曬車輛的車艙的空氣溫度。

1.3 光伏遮陽板的工程計算模型

光伏遮陽板作為汽車的輔助充電電源，須滿足對駐車通風(fēng)系統(tǒng)等汽車設(shè)備的供電需求。通過將車艙內(nèi)的高溫氣體與車外相對溫度較低的氣體進(jìn)行通風(fēng)換氣，可以明顯降低車內(nèi)溫度，換氣速度越高則降溫效果越明顯，但更高的風(fēng)速需要消耗更多的能量。因此光伏遮陽板的發(fā)電量是研究的重點(diǎn)之一。光伏組件的溫度與入射輻射值都會改變其輸出功率，而一般情況下，光伏電池生產(chǎn)方只向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)測試條件（光照強(qiáng)度1 000 W/m2、溫度25℃、光譜特性AM1.5標(biāo)準(zhǔn)光譜）下的4個參數(shù)Isc0，Uoc0，Im0，Um0。僅用有限的出廠參數(shù)來復(fù)現(xiàn)任意光強(qiáng)和溫度條件下光伏電池的輸出特性較困難。因此文獻(xiàn)[12]根據(jù)上述參數(shù)引入相應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)，得到誤差在6%以下的工程計算模型。

式中：Isc，Im，Uoc和Um分別為光伏電池的實(shí)時短路電流、工作電流、開路電壓和工作電壓；G為光伏電池的入射輻射值；T為光伏電池溫度；C1，C2為補(bǔ)償系數(shù)；I，U分別為光伏電池的輸出電流值與輸出電壓值；Iscn和Uocn分別為第n時刻光伏電池的短路電流和開路電壓。根據(jù)工程計算模型，可得到不同溫度與不同太陽輻射強(qiáng)度下光伏電池的P-V曲線，如圖3所示。

圖3 光伏電池的P-V曲線Fig.3 The P-V curves of PV

由圖3可以看出，溫度每提升10 K，光伏電池的輸出功率減少約2.3%。光伏電池的輸出功率與受到的太陽輻射成正比。車艙模型的仿真結(jié)果顯示，當(dāng)車艙空氣溫度達(dá)到最高值時，光伏電池的表面溫度也達(dá)到峰值331 K，相對于標(biāo)準(zhǔn)測試條件，其輸功率僅降低約6.2%，而太陽的輻射數(shù)值則會隨時間而產(chǎn)生較大變化。由此可以得出，光伏遮陽板的輸出功率受本身溫度的影響較小，受太陽輻射強(qiáng)度的影響較大。

2 供能與耗能分析

2.1 駐車通風(fēng)系統(tǒng)的功耗

由于汽車的密閉性好，自然換熱效率低，車輛在露天暴曬下，熱量易堆積于艙內(nèi)無法排出，車艙溫度高于環(huán)境溫度20 K以上。因此對車輛進(jìn)行通風(fēng)換熱可以有效降低車艙空氣溫度。本文以車輛正南停放為例，使用汽車的外循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)，分別對悶曬車輛進(jìn)行風(fēng)速為1，2，3，5 m/s的通風(fēng)降溫，對應(yīng)的最高降溫數(shù)值為2.3，4.7，7.4，9.6 K。單位風(fēng)速下的平均降溫數(shù)值分別為2.3，2.35，2.46，1.9 K。

車艙空氣的降溫變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，駐車通風(fēng)可以顯著地降低車艙空氣溫度，且降溫數(shù)值隨駐車通風(fēng)風(fēng)速的增加而增加。但是單位風(fēng)速的降溫數(shù)值卻在一定程度的增長后出現(xiàn)降低。對比圖中風(fēng)速3 m/s與5 m/s的降溫曲線，在風(fēng)速提高了2 m/s的情況下，降溫效果僅提升2.2 K，相對于0 m/s與2 m/s降溫曲線的變化，降溫效率有著明顯的降低。由此可見，當(dāng)駐車通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)速大于一定數(shù)值時，單位風(fēng)速下的降溫效果會存在明顯的邊際效應(yīng)。須根據(jù)汽車通風(fēng)系統(tǒng)的耗能與降溫需求，結(jié)合光伏組件的供電實(shí)際，得出性價比最高的駐車通風(fēng)方案。本文使用風(fēng)速儀測量車輛進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，并測量外循環(huán)模式鼓風(fēng)機(jī)各個檔位的電壓電流。測量結(jié)果見表1。

圖4 不同風(fēng)速下各時刻車艙空氣的溫度Fig.4 Air temperature under different ventionation at different time

表1 不同駐車通風(fēng)參數(shù)下的車載電池耗電量Table 1 Power consumption of the battery under different parking ventilation parameters

測試中的汽車電池空載電壓為12.61 V，電瓶容量為60 Ah，為保證汽車點(diǎn)火啟動，電池電壓一般不得低于10.5 V。從表1可以看出，汽車在外循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)的靜態(tài)功耗為0.033 7 kW·h，只夠維持車輛22.4 h的工作時間，汽車蓄電池的電量不足以維持長時間的駐車通風(fēng)。對車輛加裝光伏模塊可以彌補(bǔ)汽車蓄電池的續(xù)航缺陷。文獻(xiàn)[7]論證了放置于車頂?shù)墓夥斉锏目尚行?，但若進(jìn)行該種改裝，需要對汽車的外部框架進(jìn)行更換，價格一般為6 500元，更換與后期維護(hù)成本較高。由于車輛的停放環(huán)境具有隨機(jī)性，車載光伏電池表面會出現(xiàn)局部被遮擋的情況，不可避免地引起光斑效應(yīng)，損壞光伏電池[13]。而當(dāng)光伏頂棚出現(xiàn)損壞時，需對整個汽車頂棚進(jìn)行更換，維護(hù)成本高。對汽車內(nèi)置的遮陽板而言，可通過對其收納避免不必要的損壞。無論是直接使柔性薄膜光伏電池作為遮陽板進(jìn)行卷簾式收納，還是在遮陽板上嵌入薄膜光伏電池片進(jìn)行折疊式收納，或是人員手動進(jìn)行收納，都避免了對汽車外部框架的改裝，降低了損壞風(fēng)險，減少了后續(xù)維護(hù)成本。

2.2 光伏遮陽板供電量

相同的光照環(huán)境下，車載光伏組件的供電量決定了駐車通風(fēng)系統(tǒng)的最高風(fēng)速。根據(jù)前文對光伏電池計算模型的分析，光伏遮陽板的發(fā)電功率受入射太陽輻射的數(shù)值影響。入射太陽輻射的數(shù)值大小不僅與各時刻太陽位置有關(guān)，而且與光伏電池板放置的傾角和放置朝向有關(guān)。為估算光伏遮陽板的日總供電量，本文通過使用太陽能測試儀，測量2019年7-9月太陽輻射的數(shù)值，每日測量數(shù)值的均值與FLUENT太陽模型的太陽輻射功率數(shù)值基本一致，由MATLAB進(jìn)行函數(shù)擬合后得出的簡易太陽輻射功率Psun，其表達(dá)式為

式中：t為當(dāng)?shù)貢r間。

各時刻太陽輻射的擬合數(shù)值與測量數(shù)值對比如圖5所示。

圖5 各時刻太陽輻射的擬合數(shù)值與測量數(shù)值Fig.5 Fitting value and measured value of solar radiation at each time

式中：η為光伏電池的轉(zhuǎn)換率；τ為汽車前擋風(fēng)玻璃的透射率；S為光伏電池的面積。為體現(xiàn)方案數(shù)據(jù)的先進(jìn)性和擴(kuò)展性，本文根據(jù)現(xiàn)有商用光伏電池的最高數(shù)值，將η設(shè)置為20%[16]。

由于車輛停放的隨機(jī)性與人員安置光伏遮陽板的隨意性，光伏遮陽板很難保證固定朝向與固定角度的安置。圖6為不同傾角、朝向下光伏遮陽板發(fā)電功率的計算曲線。

圖6 不同傾角與朝向下各時刻光伏遮陽板的發(fā)電功率Fig.6 Power generation of photovoltaic sunshade at different times under different inclination and orientation

由圖6可以看出，光伏遮陽板的擺放角度和車輛的停放朝向都會對光伏遮陽板的發(fā)電功率造成顯著影響。因此本文以光伏遮陽板法線與西和南兩方向的夾角大小作為變量，根據(jù)公式計算不同傾角與朝向下各時刻光伏遮陽板的發(fā)電功率。

本文模型中前擋風(fēng)玻璃的面積為1.12 m2，與水平面夾角為40°，在理想情況下假設(shè)光伏遮陽板與前擋風(fēng)玻璃完全重合，使用當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時間法對駐車通風(fēng)系統(tǒng)功耗和光伏遮陽板發(fā)電量進(jìn)行分析。4種朝向下各時刻發(fā)電功率如所圖7所示。

圖7 不同朝向各時刻發(fā)電功率Fig.7 Power generationat in different directions

從圖7可以看出，不同放置朝向的光伏遮陽板都能滿足車輛的駐車通風(fēng)功能的供電需求并有電量盈余。

日發(fā)電總量如圖8所示。

圖8 日發(fā)電總量與通風(fēng)系統(tǒng)耗電量Fig.8 Total daily power generation and ventilation system power consumption

本文以計算發(fā)電量的75%作為對駐車通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際供電量，結(jié)合表1中駐車通風(fēng)系統(tǒng)各檔位的耗能，可得基于光伏遮陽板供電的駐車通風(fēng)系統(tǒng)的最佳風(fēng)速為2 m/s。在此風(fēng)速條件下，駐車通風(fēng)系統(tǒng)的日消耗約為0.888 kW·h。

3 降溫效果對比分析

根據(jù)前文得出的最佳駐車通風(fēng)風(fēng)速，對不同停放朝向的車輛進(jìn)行2 m/s的遮陽通風(fēng)仿真，車艙空氣的降溫曲線如圖9所示。

圖9 2 m/s遮陽通風(fēng)下車艙空氣溫度變化曲線Fig.9 Air temperature in vehicle under ventilation of 2 m/s

對比圖2，東、南、西、北4種朝向車艙空氣的最高降溫數(shù)值分別10.1，11.0，10.2，9.0 K。車艙空氣溫度的高溫時長與最高溫度都有明顯降低，車艙空氣的日總熱負(fù)荷減少14.27%。以人體舒適溫度297 K作為降溫后的期望溫度，基于光伏遮陽板供電的駐車通風(fēng)系統(tǒng)降低了車艙的空氣溫度，可減少27%空調(diào)的制冷時間，降低人員進(jìn)入車輛后的不適程度，減少高溫導(dǎo)致的有毒物質(zhì)的釋放。

作為對照組，車頂放置同等面積的光伏頂棚可維持3 m/s的駐車通風(fēng)風(fēng)速。以車輛正南停放向?yàn)槔?種方案的降溫效果對比如圖10所示。

圖10 不同條件下的降溫效果對比Fig.10 Comparison of cooling effects under different conditions

由圖10可以看出，雖然光伏遮陽板的發(fā)電量相對較小，但是光伏遮陽板下2 m/s通風(fēng)的降溫數(shù)值卻比無遮陽板下3 m/s的通風(fēng)提升39.4%。若在無遮陽板下達(dá)到同等的降溫效果，須提高供能使通風(fēng)風(fēng)速達(dá)到5 m/s。車頂放置光伏電池需要增大面積約67%才能滿足同等降溫預(yù)期的供電需求。光伏電池面積的增大增加了產(chǎn)品的成本，且不適配車頂面積較小的車型。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了基于光伏遮陽板供電的悶曬車輛降溫研究。對遮陽熱物理模型進(jìn)行了簡化，建立了光伏發(fā)電的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合駐車通風(fēng)系統(tǒng)的耗電量、光伏組件的供電量于實(shí)際的降溫效果，得出以下結(jié)論。

①光伏遮陽板可以滿足駐車通風(fēng)系統(tǒng)的供電需求。使用光伏遮陽板供電可維持車輛2 m/s的駐車通風(fēng)，并有盈余電量對汽車電池進(jìn)行充電維護(hù)。最高可降低車艙空氣溫度11 K，減少14.27%車艙空氣的日總熱負(fù)荷，有效減緩了艙內(nèi)物品的老化。減少人員進(jìn)入車艙后27%空調(diào)制冷等待時間，降低了燃料的消耗。

②光伏遮陽板具有更高的降溫效率。光伏遮陽板使不同停放朝向車輛的車艙空氣溫度變化曲線趨于相同，對前擋風(fēng)玻璃進(jìn)行遮擋可以有效減少輻射得熱。而且由于駐車通風(fēng)的降溫效果存在邊際效應(yīng)，遮陽板下2 m/s的通風(fēng)降溫效果與無遮陽板下5 m/s的通風(fēng)效果相同。在相同光伏電池尺寸的條件下，基于光伏遮陽板供電的駐車通風(fēng)系統(tǒng)的降溫效果比基于光伏頂棚供電的系統(tǒng)提高39.4%，且耗電量更低。

③光伏遮陽板的改裝與維護(hù)成本低。無論汽車光伏頂棚還是光伏天窗都需要對車輛的車身框架進(jìn)行改裝，當(dāng)出現(xiàn)故障時需對整個部位進(jìn)行拆卸。汽車光伏遮陽板避免了對車身的改造，易于更換維修，更具市場潛力。