基于光伏遮阳板供电的闷晒车辆通风降温研究

刘明瑞，陈海进

（南通大学 信息科学技术学院，江苏 南通 226000）

0 引言

截至2019年上半年，全国的停车位缺口已达2.1亿[1]，停车位的巨大缺口使大部分车辆露天停放。夏日暴晒下，车内空气的平均温度可达到60℃[2]，[3]。持续的高温不仅会影响人员进入车内后的舒适感，还会加速车内电子设备与饰品的老化，导致有毒物质的释放。有限的面积限制了车载光伏电池的发电量，无法满足汽车空调的供电需求。合理利用太阳能，驱动汽车外循环通风系统对闷晒车辆进行通风，是一个有效降低车内空气温度且切实可行的方法。当不需要驻车通风或车载光伏电池供电有盈余时，车载光伏电池可以对汽车蓝牙、行车记录仪等设备供电，对汽车蓄电池进行充电维护，延长汽车电池的使用寿命[4]。然而现有的车载光伏产品大多为概念雏形，未进行大规模市场化投放，使用光伏电池维持驻车通风具有极大的市场潜力。

文献[5]，[6]通过仿真研究了闷晒车辆的通风降温效果。文献[7]提出在车顶放置光伏电池来维持驻车通风系统供电，但文中缺乏对系统供电量与降温效果的分析，且对车辆外部框架的改造会显著提高成本。文献[8]提出了一种卷帘式太阳能遮阳板的设计思路，但文献仅局限于设计方法，同样未说明系统的供电量与降温效果，缺乏理论支持。文献[9]对汽车太阳能供电的驻车通风系统进行了能耗的评估与降温模拟，论证了基于车顶放置光伏电池维持驻车通风的可行性，但分析局限于车辆外部水平放置的车载光伏电池。

市场现有的汽车遮阳板成本低、易于维护和收纳，结合光伏薄膜电池良好的柔性制成光伏遮阳板，可避对车辆外部框架的改造。光伏遮阳板一方面通过遮阳降低车舱温度，另一方面吸收太阳辐射并转换为电能，维持车辆驻车通风可进一步降低车舱温度，对车舱的通风降温起到“开源节流”的作用。本文通过构建基于光伏遮阳板供电的闷晒车辆通风降温模型，使用数值模拟方法对车舱的遮阳通风效果进行分析，利用稳态周期性得热的性质，将太阳辐射与遮阳通风对车舱空气温度的影响以时间序列形式表达出来。使用当量满负荷运行时间法对系统的能耗进行分析，验证方案的可行性。

1 光伏遮阳板供电的闷晒车辆通风降温模型

1.1 车舱建模

太阳辐射强度、环境温度、环境风速以及汽车停放朝向与玻璃的透射率都对露天停放车辆的温度有影响。因此传导传热、对流传热和辐射传热都会造成车辆部件和空气的热浸。车内空气温度变化量△Tair为[2]

式中：Qr，Qcd，Qcv分别为外界对车内空气的辐射传热、传导传热、对流传热的传热量；C为车舱内空气的比热容；m为质量。

使用ANSYS的计算流体力学（CFD）模块构建汽车鼓风降温的网格模型。测量车型尺寸按1∶1等比例构建CFD模型。为简化模型，忽略车舱内方向盘等对温度影响较小的部件，构成的网格模型及仿真环境参数如图1所示。

图1 车舱模型与仿真环境参数设定Fig.1 Vehicle model and the environment parameter setting of simulation

为模拟前挡风玻璃处遮阳板对空气温度的影响，在图1（a）模型中，平行于前挡风玻璃添加光伏遮阳板，即图中阴影部分。选取本文所在地的经纬度将地点设置为东经121.05°，北纬32.08°。根据对车辆的实测数据，对边界条件相关参数进行了设定。在理想情况下，风流为低速不可压缩流体，密度符合近似假设。忽略由流体的黏性力做功所引起的耗散热，假设车舱壁面粗糙度均匀，所有壁面施加无滑移边界条件；假设壁面温度均匀分布，车舱的各壁面材料属性按照其各层材料数据取其加权平均值。使用DO辐射模型并调用FLUENT太阳轨迹追踪模型。选用k-epsilon湍流模型，启用RNG模型和浮力效应。在6：00-18：00，每小时设立一个仿真时间点，将车舱温度以时间序列形式表现出来。在中控台空调出风口位置添加总面积为0.01 m2的4个进风口，模拟汽车空气循环的通风口。在车舱后部设置2个总面积为8 cm2的压力出口以模拟车内的气体自然溢出。仿真中设置各时刻太阳直射辐射值、水平方向与竖直方向散射辐射值和环境温度等环境参数设定如图1（b）所示。

1.2 光伏遮阳板对车舱冷热负荷的影响

玻璃对阳光等短波辐射具有较高的透射率，对长波辐射具有较高的反射率。当光线经过车内粗糙饰品表面反射后波长变长，难以对外进行辐射传热，加剧了空气温度的上升。通过查阅机动车安全手册可知，前挡风玻璃及其贴膜的可见光透射率须大于70%，其余玻璃的可见光透射率须大于50%。正是因为汽车不同部位玻璃及其贴膜的透射率不同与车窗玻璃尺寸的差异，当车辆不同朝向停放时，车舱空气温度会有显著差异[10]，不同停放朝向车舱空气温度的变化曲线如图2所示。

图2 遮阳板对车舱空气温度的影响Fig.2 Air temperature affected by sunshade

光伏遮阳板遮挡了经前挡风玻璃投射入车舱的太阳辐射，减少了车舱的辐射得热，但遮阳板在阳光照射下同样会升温，导致遮阳板与车舱空气产生热交换。根据Sandia国家实验室开发的电性能模型，光伏组件背面温度经验公式可表示为[11]

式中：Tb和Tf分别为光伏遮阳板背部温度与正面温度；Gd为太阳直射辐射；经验系数a=-3.562，b=-0.076 8；V为遮阳板表面的风速。

对比图2中两组数据可以看出，添加遮阳板后4种朝向的车舱空气温度均有5 K左右的降低。不同朝向下的车舱温度变化曲线由原本在各时刻的互有高低，变为大致上的趋于相同。这一现象表明，遮阳板的存在削弱了停放朝向对车舱空气温度的影响。同时说明相对于汽车其他部位的玻璃，通过前挡风玻璃透射入车舱的太阳辐射所占比重较高。因此对前挡风玻璃进行遮阳可有效降低闷晒车辆的车舱的空气温度。

1.3 光伏遮阳板的工程计算模型

光伏遮阳板作为汽车的辅助充电电源，须满足对驻车通风系统等汽车设备的供电需求。通过将车舱内的高温气体与车外相对温度较低的气体进行通风换气，可以明显降低车内温度，换气速度越高则降温效果越明显，但更高的风速需要消耗更多的能量。因此光伏遮阳板的发电量是研究的重点之一。光伏组件的温度与入射辐射值都会改变其输出功率，而一般情况下，光伏电池生产方只向用户提供标准测试条件（光照强度1 000 W/m2、温度25℃、光谱特性AM1.5标准光谱）下的4个参数Isc0，Uoc0，Im0，Um0。仅用有限的出厂参数来复现任意光强和温度条件下光伏电池的输出特性较困难。因此文献[12]根据上述参数引入相应的补偿系数，得到误差在6%以下的工程计算模型。

式中：Isc，Im，Uoc和Um分别为光伏电池的实时短路电流、工作电流、开路电压和工作电压；G为光伏电池的入射辐射值；T为光伏电池温度；C1，C2为补偿系数；I，U分别为光伏电池的输出电流值与输出电压值；Iscn和Uocn分别为第n时刻光伏电池的短路电流和开路电压。根据工程计算模型，可得到不同温度与不同太阳辐射强度下光伏电池的P-V曲线，如图3所示。

图3 光伏电池的P-V曲线Fig.3 The P-V curves of PV

由图3可以看出，温度每提升10 K，光伏电池的输出功率减少约2.3%。光伏电池的输出功率与受到的太阳辐射成正比。车舱模型的仿真结果显示，当车舱空气温度达到最高值时，光伏电池的表面温度也达到峰值331 K，相对于标准测试条件，其输功率仅降低约6.2%，而太阳的辐射数值则会随时间而产生较大变化。由此可以得出，光伏遮阳板的输出功率受本身温度的影响较小，受太阳辐射强度的影响较大。

2 供能与耗能分析

2.1 驻车通风系统的功耗

由于汽车的密闭性好，自然换热效率低，车辆在露天暴晒下，热量易堆积于舱内无法排出，车舱温度高于环境温度20 K以上。因此对车辆进行通风换热可以有效降低车舱空气温度。本文以车辆正南停放为例，使用汽车的外循环通风系统，分别对闷晒车辆进行风速为1，2，3，5 m/s的通风降温，对应的最高降温数值为2.3，4.7，7.4，9.6 K。单位风速下的平均降温数值分别为2.3，2.35，2.46，1.9 K。

车舱空气的降温变化曲线如图4所示。从图4可以看出，驻车通风可以显著地降低车舱空气温度，且降温数值随驻车通风风速的增加而增加。但是单位风速的降温数值却在一定程度的增长后出现降低。对比图中风速3 m/s与5 m/s的降温曲线，在风速提高了2 m/s的情况下，降温效果仅提升2.2 K，相对于0 m/s与2 m/s降温曲线的变化，降温效率有着明显的降低。由此可见，当驻车通风系统的风速大于一定数值时，单位风速下的降温效果会存在明显的边际效应。须根据汽车通风系统的耗能与降温需求，结合光伏组件的供电实际，得出性价比最高的驻车通风方案。本文使用风速仪测量车辆进风口风速，并测量外循环模式鼓风机各个档位的电压电流。测量结果见表1。

图4 不同风速下各时刻车舱空气的温度Fig.4 Air temperature under different ventionation at different time

表1 不同驻车通风参数下的车载电池耗电量Table 1 Power consumption of the battery under different parking ventilation parameters

测试中的汽车电池空载电压为12.61 V，电瓶容量为60 Ah，为保证汽车点火启动，电池电压一般不得低于10.5 V。从表1可以看出，汽车在外循环通风系统的静态功耗为0.033 7 kW·h，只够维持车辆22.4 h的工作时间，汽车蓄电池的电量不足以维持长时间的驻车通风。对车辆加装光伏模块可以弥补汽车蓄电池的续航缺陷。文献[7]论证了放置于车顶的光伏顶棚的可行性，但若进行该种改装，需要对汽车的外部框架进行更换，价格一般为6 500元，更换与后期维护成本较高。由于车辆的停放环境具有随机性，车载光伏电池表面会出现局部被遮挡的情况，不可避免地引起光斑效应，损坏光伏电池[13]。而当光伏顶棚出现损坏时，需对整个汽车顶棚进行更换，维护成本高。对汽车内置的遮阳板而言，可通过对其收纳避免不必要的损坏。无论是直接使柔性薄膜光伏电池作为遮阳板进行卷帘式收纳，还是在遮阳板上嵌入薄膜光伏电池片进行折叠式收纳，或是人员手动进行收纳，都避免了对汽车外部框架的改装，降低了损坏风险，减少了后续维护成本。

2.2 光伏遮阳板供电量

相同的光照环境下，车载光伏组件的供电量决定了驻车通风系统的最高风速。根据前文对光伏电池计算模型的分析，光伏遮阳板的发电功率受入射太阳辐射的数值影响。入射太阳辐射的数值大小不仅与各时刻太阳位置有关，而且与光伏电池板放置的倾角和放置朝向有关。为估算光伏遮阳板的日总供电量，本文通过使用太阳能测试仪，测量2019年7-9月太阳辐射的数值，每日测量数值的均值与FLUENT太阳模型的太阳辐射功率数值基本一致，由MATLAB进行函数拟合后得出的简易太阳辐射功率Psun，其表达式为

式中：t为当地时间。

各时刻太阳辐射的拟合数值与测量数值对比如图5所示。

图5 各时刻太阳辐射的拟合数值与测量数值Fig.5 Fitting value and measured value of solar radiation at each time

式中：η为光伏电池的转换率；τ为汽车前挡风玻璃的透射率；S为光伏电池的面积。为体现方案数据的先进性和扩展性，本文根据现有商用光伏电池的最高数值，将η设置为20%[16]。

由于车辆停放的随机性与人员安置光伏遮阳板的随意性，光伏遮阳板很难保证固定朝向与固定角度的安置。图6为不同倾角、朝向下光伏遮阳板发电功率的计算曲线。

图6 不同倾角与朝向下各时刻光伏遮阳板的发电功率Fig.6 Power generation of photovoltaic sunshade at different times under different inclination and orientation

由图6可以看出，光伏遮阳板的摆放角度和车辆的停放朝向都会对光伏遮阳板的发电功率造成显著影响。因此本文以光伏遮阳板法线与西和南两方向的夹角大小作为变量，根据公式计算不同倾角与朝向下各时刻光伏遮阳板的发电功率。

本文模型中前挡风玻璃的面积为1.12 m2，与水平面夹角为40°，在理想情况下假设光伏遮阳板与前挡风玻璃完全重合，使用当量满负荷运行时间法对驻车通风系统功耗和光伏遮阳板发电量进行分析。4种朝向下各时刻发电功率如所图7所示。

图7 不同朝向各时刻发电功率Fig.7 Power generationat in different directions

从图7可以看出，不同放置朝向的光伏遮阳板都能满足车辆的驻车通风功能的供电需求并有电量盈余。

日发电总量如图8所示。

图8 日发电总量与通风系统耗电量Fig.8 Total daily power generation and ventilation system power consumption

本文以计算发电量的75%作为对驻车通风系统的实际供电量，结合表1中驻车通风系统各档位的耗能，可得基于光伏遮阳板供电的驻车通风系统的最佳风速为2 m/s。在此风速条件下，驻车通风系统的日消耗约为0.888 kW·h。

3 降温效果对比分析

根据前文得出的最佳驻车通风风速，对不同停放朝向的车辆进行2 m/s的遮阳通风仿真，车舱空气的降温曲线如图9所示。

图9 2 m/s遮阳通风下车舱空气温度变化曲线Fig.9 Air temperature in vehicle under ventilation of 2 m/s

对比图2，东、南、西、北4种朝向车舱空气的最高降温数值分别10.1，11.0，10.2，9.0 K。车舱空气温度的高温时长与最高温度都有明显降低，车舱空气的日总热负荷减少14.27%。以人体舒适温度297 K作为降温后的期望温度，基于光伏遮阳板供电的驻车通风系统降低了车舱的空气温度，可减少27%空调的制冷时间，降低人员进入车辆后的不适程度，减少高温导致的有毒物质的释放。

作为对照组，车顶放置同等面积的光伏顶棚可维持3 m/s的驻车通风风速。以车辆正南停放向为例，3种方案的降温效果对比如图10所示。

图10 不同条件下的降温效果对比Fig.10 Comparison of cooling effects under different conditions

由图10可以看出，虽然光伏遮阳板的发电量相对较小，但是光伏遮阳板下2 m/s通风的降温数值却比无遮阳板下3 m/s的通风提升39.4%。若在无遮阳板下达到同等的降温效果，须提高供能使通风风速达到5 m/s。车顶放置光伏电池需要增大面积约67%才能满足同等降温预期的供电需求。光伏电池面积的增大增加了产品的成本，且不适配车顶面积较小的车型。

4 结论

本文进行了基于光伏遮阳板供电的闷晒车辆降温研究。对遮阳热物理模型进行了简化，建立了光伏发电的数学模型，结合驻车通风系统的耗电量、光伏组件的供电量于实际的降温效果，得出以下结论。

①光伏遮阳板可以满足驻车通风系统的供电需求。使用光伏遮阳板供电可维持车辆2 m/s的驻车通风，并有盈余电量对汽车电池进行充电维护。最高可降低车舱空气温度11 K，减少14.27%车舱空气的日总热负荷，有效减缓了舱内物品的老化。减少人员进入车舱后27%空调制冷等待时间，降低了燃料的消耗。

②光伏遮阳板具有更高的降温效率。光伏遮阳板使不同停放朝向车辆的车舱空气温度变化曲线趋于相同，对前挡风玻璃进行遮挡可以有效减少辐射得热。而且由于驻车通风的降温效果存在边际效应，遮阳板下2 m/s的通风降温效果与无遮阳板下5 m/s的通风效果相同。在相同光伏电池尺寸的条件下，基于光伏遮阳板供电的驻车通风系统的降温效果比基于光伏顶棚供电的系统提高39.4%，且耗电量更低。

③光伏遮阳板的改装与维护成本低。无论汽车光伏顶棚还是光伏天窗都需要对车辆的车身框架进行改装，当出现故障时需对整个部位进行拆卸。汽车光伏遮阳板避免了对车身的改造，易于更换维修，更具市场潜力。