光伏发电在汽车领域的应用研究综述与展望

摘 要：随着全球原材料价格的上涨和“双碳”战略目标的推进，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，在汽车领域的应用受到越来越多的关注。首先，简述了太阳电池的市场现状；随后，从光伏发电辅助充电增加续航里程、车辆冷却与节能、汽车上光伏发电的最大功率点跟踪控制，太阳能电动汽车充电站的设计与实现4个方向对光伏发电在汽车领域的应用研究进行了深入探讨；最后，对光伏发电在汽车领域应用的未来方向进行了展望，提出了新型太阳电池材料的研究与应用、增加光伏组件在车身上的可发电面积、储能与节能等研究方向，为光伏发电在汽车领域的应用设计提供有力的参考和指导，推动汽车行业向更加绿色、可持续的方向发展。

关键词：光伏发电；太阳能汽车；续航里程；冷却；节能；最大功率点跟踪；充电站

中图分类号：TM615 文献标志码：A

0" 引言

汽车作为现代社会的主要交通工具，是人们日常生活中不可或缺的一部分。然而，随着汽车保有量增加，能源消耗量也随之上升。光伏发电技术在汽车领域的应用，不仅能够辅助节能和储能，还能有效促进减排，助力“双碳”的目标实现。

太阳能汽车的研究历史已超过40年。最初主要集中在纯太阳能发电赛车的理论研究上，随后，众多汽车制造商探索并改进了太阳能电动赛车技术。这些研究成果为在现有汽车产品上应用光伏发电技术，实现节能减排，提供了宝贵的技术参考。与传统的内燃机汽车相比，单纯依靠光伏发电提供动力的太阳能电动汽车在减少二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等污染物排放方面的潜力可分别达到99.8%、99.7%和100.0%[1]。

尽管，太阳能电动汽车在理论上具有诸多优势，但其实际应用仍受到光伏组件发电效率和太阳辐射量变化等因素的影响，这些因素使其无法充分满足日常使用需求。因此，高校、科研机构和企业把研究重点转向光伏发电辅助充电技术在汽车领域中的应用。此外，提高光伏组件的发电效率和扩大可发电面积以增加发电量，也是当前此应用领域的研究热点。

本文简要介绍太阳电池市场现状，并重点梳理光伏发电在汽车领域应用的研究进展，提出未来的研究方向和展望，以期为光伏发电在汽车领域应用的进一步研究和设计提供参考。

1" 太阳电池市场现状

太阳电池根据技术可分为3类[2]。第1类太阳电池是当前市场主流，以硅基太阳电池为主，尤其是晶硅（C-Si）太阳电池，由于硅材料的广泛可用性和环境友好性，晶硅太阳电池一直是光伏行业的主导技术。第2类太阳电池是包括非晶硅、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）在内的薄膜太阳电池。第3类太阳电池为一些新兴的太阳电池，比如：有机太阳电池（OPV）、钙钛矿太阳电池（PSC）、染料敏化太阳电池（DSSC）[4]。

晶硅太阳电池以高性能、高环境兼容性及长寿命著称，可以承受恶劣的太空条件，但成本相对较高[5-6]；薄膜太阳电池虽然光电转换效率略低，但其应用灵活性比单晶硅太阳电池更大[7]。

1.1" 晶硅太阳电池

晶硅太阳电池以其占全球光伏发电总装机容量95%的份额统治市场[8]。硅材料的卓越性能促成了晶硅太阳电池的技术优势，包括：原料来源丰富、光伏组件稳定性强、光电转换效率好。

常规的晶硅太阳电池包括多晶硅和单晶硅太阳电池，二者的物理、化学性质，以及成本和光电转换效率均不同[9]。单晶硅太阳电池所用的单晶硅棒采用直拉法制造，得到具有均匀黑色外观的高纯度单晶硅片；而多晶硅太阳电池所用的多晶硅锭采用铸锭法制造，最终得到具有蓝色外观的多晶硅片[10]。单晶硅太阳电池具有较高光电转换效率，但由于制造工艺复杂，成本较高；而在多晶硅太阳电池的生产过程中会产生硅晶粒，导致其光电转换效率比单晶硅太阳电池的低。

另外，钝化发射极及背面接触（PERC）太阳电池[11]、异质结（HJT）太阳电池[12]、双面太阳电池[13]等。这些技术各有优缺点，大部分仍在研究过程中。

1.2" 薄膜太阳电池

薄膜太阳电池具有质量小、厚度极薄（微米级）、柔性强等优点，但也存在价格高和光电转换率低的缺点。薄膜太阳电池由玻璃、金属或塑料衬底支撑，比晶硅太阳电池轻薄许多[14-15]；主要包括：硅基（例如：非晶硅）薄膜太阳电池、化合物（例如：CdTe、CIGS）薄膜太阳电池等。

1.3" 新兴太阳电池

新兴太阳电池由新兴的光伏材料制成，例如：染料敏化[16]、钙钛矿[17]和有机材料[18]。目前，新兴太阳电池正处于技术快速发展阶段，仍存在稳定性差、制备技术不成熟等问题[19]。

1.4" 小结

不同技术的太阳电池的实验室光电转换效率如图1[8]所示。目前，中国市场上常用的太阳电池主要为单晶硅太阳电池、半柔性太阳电池和柔性薄膜太阳电池（多组分化合物）。

2" 光伏发电在汽车领域的应用研究现状

文献[20-21]的研究显示，消费者对于在汽车上加装光伏发电设施表现出浓厚兴趣。部分汽车制造商将光伏组件安装在汽车上，以提供电力辅助车内通风、降温，或作为辅助充电电源；此外，也有制造商探索在车身覆盖件上加装光伏组件；还有汽车制造商开发了可折叠光伏组件，其可在停车时展开，扩大可发电面积，从而提高发电量。

学术界对光伏发电在汽车领域的应用研究主要集中在4个方面：1）增加汽车的续航里程；2）进行车内降温以辅助节能；3）汽车上光伏发电的最大功率点跟踪（MPPT）控制；4）太阳能电动汽车充电站。

2.1" 光伏发电辅助充电增加续航里程

对于光伏发电在汽车领域应用的研究，最初主要集中在增加汽车的续航里程上。2011年，Su等[22]对实验车辆的车身进行了改造，采用光伏发电和蓄电池的双模式混合驱动，光伏发电和蓄电池可实现独立驱动，实验车辆如图2所示。在阳光充足的情况下，与未安装光伏组件的电动汽车相比，加装光伏组件的电动汽车的续航里程提高约35%。

2023年，Park等[23]通过实验评估并验证了加装光伏组件的电动汽车在不同行驶条件下的功率输出潜力。实验在电动汽车的4个面（车顶、后窗、左车门和右车门）都安装了光伏组件，如图3所示，然后在17个不同的路况条件（不同道路坡度和太阳方位角）下行驶，并考虑了周围地形和建筑物的阴影遮挡影响，通过分析每块光伏组件在不同路况条件下的发电量差异及对比安装在车身不同位置的4块光伏组件的发电

量差异来评估发电潜力，如图4所示。实验结果显示：该电动汽车单次行驶（约10 min）的发电量为0.0158 kWh，平均发电时间以6 h/天计算，则年发电量为221 kWh；车顶光伏组件的发电潜力最大，其次是后窗和两个车门的光伏组件，后窗和两个车门（两侧车门发电量相同）的光伏组件的发电量分别约为车顶光伏组件发电量的42%和27%。

同年，Mohammed等[24]在印度制造的燃油三轮车上加装光伏组件改造成电动三轮车，通过实验发现，加装光伏组件后该三轮车每天可增加的续航里程为17 km。

由于汽车的车身面积有限，加装光伏组件的 日发电量对提升其续航里程的贡献有限，因此许多学者和汽车制造商把研究方向转向在不增加安装面积的前提下增加光伏组件可发电面积，比如：设计可折叠收缩的光伏组件；也有将光伏发电技术应用于汽车的其他系统（例如：制冷系统）的研究，以减少汽车动力电池能量的使用，从而间接提升其续航里程。

2.2" 光伏发电辅助通风和冷却

由于太阳能电动汽车的续航里程受限于光伏组件的光电转换效率和光伏组件的可发电面积等因素，单靠光伏发电的电量难以满足汽车持续运行的需求。因此，研究者们开始探索利用光伏发电来辅助汽车节能，尤其是在车厢通风和冷却方面的应用。

2010年，Leong等[25]的研究表明：汽车车厢内朝北客舱的整体空气温度场的估计值略大于朝西客舱的估计值，这与太阳辐射可穿透玻璃的面积成正比。另外，因为空调系统是汽车中消耗电能最多的设备，实验在车上加装了光伏发电排气风扇系统，有效降低了车厢内的温度，从而降低了汽车空调系统的电力消耗。2011年，Levinson等[26]发现车辆热负荷和其空调系统负荷受太阳辐射的影响显著，在车辆外壳的不透明表面采用太阳能反射涂层可以降低停放在阳光下时汽车车厢内的空气温度，从而能减少车辆的空调系统负荷，提高燃油经济性。2017年，Khatoon等[27]开发了一种利用光伏发电技术的新型车厢布局通风方法，并进行了模拟验证。数值模拟结果表明：通风变量会影响车厢内热舒适性和能量效率，有可能提高乘客的舒适性。可以看出，在车辆上安装光伏组件用以辅助车厢通风降温具有一定效果。

一些研究人员在电动汽车天窗玻璃上安装了光伏组件用于辅助车厢内的通风和冷却，从而降低车辆的能量消耗。2018年，Kolhe等[28]在车辆上安装了利用光伏发电直接供电的通风系统，该系统使用直流电风扇，多次比较实验的结果表明：在夏季晴天时，该系统可为停放中的电动汽车的通风系统提供动力，并有助于将车厢温度降至环境温度。2021年，Al-Rawashdeh等[29]设计了一种由光伏发电驱动的新型便携式车厢通风机，其设计方案如图5所示，并对其进行了实验验证。实验结果表明：装有该通风机的车厢温度比未装设该通风机的车厢温度低11.4 ℃，表明此车厢通风机显著改善了车辆在烈日下停放时车厢内的热舒适性。

2022年，Alani等[30]设计了一种利用光伏发电供能的空调系统（如图6所示），空调系统与柔性光伏组件相连，以补偿车辆发动机的电力，提高车辆的燃油经济性；并通过实验测量了利用光伏发电供能的空调系统对燃料消耗量的影响，以及车厢内的制冷和制热温度。研究结果表明：与传统的空调系统相比，利用光伏发电供能的空调系统减少了25%的发动机燃料消耗；在炎热天气时，当室外温度为40 ℃时，车厢的内部温度在30 s内可降至20 ℃。Rossetti等[31]在轻型卡车冷藏箱顶部设计了与光伏发电系统集成的电动制冷单元，并在固定条件下对该系统原型进行了测试。测试结果证明了光伏发电系统对制冷机组净能量平衡有显著影响；在雅典的气候条件下，光伏发电系统每年可提供冷却装置消耗能量的65%～112%，降低了汽车的能量消耗。

2.3" 汽车上光伏发电的MPPT控制

MPPT控制的目的是在各种情形下都可以使光伏发电系统保持最大的输出功率。有些学者研究了在汽车上装设改进型的MPPT光伏发电系统，提高光伏发电系统的发电效率以得到更多的能量。

Ota等[32]提出了一种通过安装在汽车车顶的3D弯曲光伏组件拦截太阳辐射进入车内的方法，设计了1种转换因子，可将常规的光伏组件2D计算模型转换为3D计算模型，并使用移动式多光谱仪阵列（MMPA）系统（如图7所示）评估了汽车上的年太阳辐射量。

Vu等[33]提出了一种用于电动汽车的静态集中器光伏发电（concentrator photovoltaics，CPV）系统，该静态CPV系统的结构（如图8所示）比使用太阳跟踪机构的CPV系统的结构更稳定，操作更方便，适合在车顶安装。静态CPV系统包括固体复合抛物面聚光器（CPCs）、三结太阳电池。仿真结果表明：该模块可实现25%的发电效换效率。

光伏发电MPPT在汽车行驶过程中很难控制，但在户外静止状态下的（例如：房车）车辆上，其应用较为广泛，这不仅方便了可折叠光伏组件的铺设和收缩，还提高了太阳能的利用效率。

2.4" 太阳能电动汽车充电站的设计与实现

随着电动汽车行业的蓬勃发展，光伏发电辅助充电系统在停车场中的应用日益增多。此类停车场不仅能利用太阳能实现清洁能源的利用，还能为电动汽车提供充电服务。

徐政等[34]设计了一种包括并网发电、景观照明、电动车充电和其他用途的多功能太阳能车棚，其基础设施示意图如图9所示，为太阳能车棚的设计、成本与效益评估等提供了实验依据。Singh等[35]设计了一款太阳能电动汽车充电站，根据印度6个城市的日照情况，使用PVsyst软件生成的能量平衡数据对该充电站的情况进行模拟。结果表明：充电站每年平均可产生12428.8 kWh的电能，可以为414辆电池容量为30 kWh的电动汽车充电，并且每年可减少约7950 kg的二氧化碳排放量。

Enescu等[36]设计了一款成本更低的利用光伏发电的电动汽车充电站（EVCS），采用功率跟踪策略降低充电站的电池容量，从而降低成本，为建设和推广利用光伏发电的电动汽车充电站提供了参考和借鉴。

3" 展望

光伏发电在汽车领域应用的未来研究方向主要包括以下3个方向。

1）新型太阳电池材料的研究与应用。探索薄膜太阳电池替代汽车表面材料的可能性，例如：汽车服装薄膜、玻璃隔热薄膜、覆盖油漆层等。研究太阳电池作为汽车玻璃的替代品；开发更便携、更薄、光电转换效率更高的太阳电池材料。随着太阳电池制备工艺的不断成熟，预计将有更多适合汽车应用的太阳电池问世。

2）增加光伏组件在汽车车身上的可发电面积以提升其发电量。开发光伏组件遮阳控制系统，以减少太阳辐射对汽车的影响，降低车厢内热量，进而减少用电量。此外，研发适用于小型汽车、冷藏车、中大型客车的专用光伏发电设备，拓宽太阳能电动汽车的范围。

3）储能与节能。加大对电动汽车用电器的替代研究，在电动汽车停车时需要冷却车厢内或加热动力电池、停车监控等需要消耗电能的情况下，使用光伏发电为空调鼓风机、陶瓷加热器供电，从而减少汽车电器消耗的动力电池电量，实现储能与节能的目的。

4" 结论

本文综述了光伏发电在汽车领域的应用研究现状，并探讨了其未来发展方向。太阳能的清洁特性与汽车的能源需求相结合，展现出巨大的应用应用潜力和价值。通过扩大光伏组件可发电面积、提升发电效率及节约汽车电器能耗，光伏发电技术在汽车领域的应用前景广阔。

随着科技进步，光伏组件在汽车领域的应用将变得更加多样化和高效。本文提出的未来的研究方向不仅涵盖了太阳电池材料创新、系统集成，还包含了能源管理策略，为太阳能汽车的未来研究和发展提供了清晰的蓝图。期待太阳能技术的进步能够为汽车行业带来革命性的改变，实现更加绿色、可持续的交通方式。

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REVIEW AND PROSPECT OF PV power generation

APPLICATION research IN AUTOMOtive filed

Bai Youjun1，2，Zheng Yan1

（1. School of electromechanical and automotive engineering，Hainan college of economics and business，Haikou 571127，China；

2. Hainan engineering research center of intelligent grid equipment，Haikou 571127，China）

Abstract：Amidst the rise in global raw material prices and the advancement of the \"emission peak and carbon neutrality\" strategic goals，solar energy，as a clean and renewable source of energy，has garnered increasing attention for its application in the automotive field. This paper first briefly describes the current market situation of solar cells. Subsequently，in-depth discussions are conducted on the application research of PV power generation in the automotive field from four directions：increasing driving range with PV assisted charging，vehicle cooling and energy conservation，MPPT control of PV power generation in automobiles，and design and implementation of solar electric vehicle charging stations. Finally，the future direction of PV power generation application in the automotive field is looked forward to，proposing research and application of new materials of solar cells，increasing the laying area of PV modules on the vehicle body，energy storage and energy conservation，etc.，providing strong reference and guidance for the application design of PV power generation in the automotive field，and promoting the development of the automotive industry towards a greener and more sustainable direction.

Keywords：PV power generation；solar power vehicle；driving range；cooling；energy conservation；MPPT；charging station

基金项目：海南省自然科学基金项目（520MS068）；海南经贸职业技术学院“双高计划”新能源汽车科研创新团队项目（HNJMT2022-202）

通信作者：白有俊（1983—），男，硕士、副教授，主要从事电动汽车太阳能辅助充电与节能方面的研究。11066110@qq.com