車(chē)載太陽(yáng)能供電凈節(jié)省油耗的模擬研究

徐雙雷　郭　賀　張開(kāi)銀（阜陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，安徽阜陽(yáng)　236037）

車(chē)載太陽(yáng)能供電凈節(jié)省油耗的模擬研究

徐雙雷郭賀張開(kāi)銀
（阜陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，安徽阜陽(yáng)236037）

本文探討在中小型家用汽車(chē)上使用太陽(yáng)能發(fā)電供汽車(chē)日常用電可行性。首先分析了家用汽車(chē)日常用電所需的油耗，當(dāng)在汽車(chē)上安裝太陽(yáng)能設(shè)備并用來(lái)為用電器供電后，這部分油量就是太陽(yáng)能發(fā)電所節(jié)省的油耗。然后計(jì)算了汽車(chē)太陽(yáng)能設(shè)備加載引起的附加油耗。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能設(shè)備節(jié)省油耗與負(fù)載引起的附加油耗進(jìn)行比較，可定量得出太陽(yáng)能供電節(jié)省的凈節(jié)省油耗。我們以山西省大同市為例進(jìn)行了模擬計(jì)算，給出了在一天中用電設(shè)備使用太陽(yáng)能發(fā)電行駛100km情況下可以節(jié)約15.6%的油耗。

太陽(yáng)能電池板用電設(shè)備油耗

1　前言

隨著現(xiàn)代機(jī)車(chē)技術(shù)的不斷提升，小型家用汽車(chē)配備的用電設(shè)備不斷增加，比如空調(diào)、音響等。用電設(shè)備的增加雖然會(huì)給乘客提供了更加舒適的乘車(chē)環(huán)境，但是也無(wú)疑增加了汽車(chē)的油耗。研發(fā)一種綠色能源為汽車(chē)供電的設(shè)備，能有效降低油耗，將具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。我國(guó)已擁有超過(guò)1800萬(wàn)輛汽車(chē)的規(guī)模［1］，對(duì)能源的利用更是緩解能源危機(jī)的一種有效途徑。雖然目前已經(jīng)提出了很多太陽(yáng)能汽車(chē)的新概念，但是還不能廣泛推出完全依靠太陽(yáng)能的可供家庭普遍使用的汽車(chē)［2］。隨著新型太陽(yáng)能技術(shù)的日益成熟，在小型家用汽車(chē)中使用太陽(yáng)能發(fā)電取代機(jī)械發(fā)電為汽車(chē)提供電量將是節(jié)能減排的一種新選擇。同時(shí)在機(jī)車(chē)上安裝太陽(yáng)能電池板可使機(jī)車(chē)在不工作的情況下也能夠開(kāi)啟用電設(shè)備。尤其夏季溫度越來(lái)越高，在汽車(chē)上安裝太陽(yáng)能設(shè)備不僅可以避免車(chē)輛被曝曬，而且還可以利用太陽(yáng)能節(jié)省油量，給人們的日常出行帶來(lái)方便，也可以在一定程度上保護(hù)環(huán)境。

目前車(chē)載太陽(yáng)能的使用已在一輛飲料運(yùn)貨車(chē)上的到了實(shí)驗(yàn)，該貨車(chē)的用電設(shè)備可以利用太陽(yáng)能發(fā)出的電量正常運(yùn)行，并且每輛汽車(chē)每年可以減少排放四噸二氧化碳。該類(lèi)汽車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展是生產(chǎn)20萬(wàn)輛新能源環(huán)衛(wèi)車(chē)［3］，這在一定程度上可以緩解當(dāng)今的能源危機(jī)。但是目前研究的重點(diǎn)考慮太陽(yáng)能發(fā)電效率對(duì)節(jié)省油耗的影響，一般忽悠了太陽(yáng)能設(shè)備加載引起的油耗。本文對(duì)家用汽車(chē)油耗隨載重的變化進(jìn)行了方程擬合，同時(shí)又給出了一天中太陽(yáng)能發(fā)電節(jié)省的油量計(jì)算公式，建立了太陽(yáng)能供汽車(chē)日常用電的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)舉例分析驗(yàn)證了模型。

2　數(shù)學(xué)模型

2.1相關(guān)變量定義

現(xiàn)在汽車(chē)的電能都來(lái)源于機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，其供電系統(tǒng)我們已經(jīng)熟悉。但在安裝太陽(yáng)能設(shè)備后，汽車(chē)的供電系統(tǒng)就會(huì)與原先的供電系統(tǒng)有所不同［4］。太陽(yáng)能工作時(shí)可以直接供用電設(shè)備工作，也可以將電量?jī)?chǔ)存在蓄電池中。在沒(méi)有太陽(yáng)或者太陽(yáng)能電量不足的情況下，則可以繼續(xù)使用傳統(tǒng)的機(jī)械式發(fā)電。因此為方便理解，我們給出如下的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（圖1）。

圖1　車(chē)載太陽(yáng)能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在汽車(chē)機(jī)械能供電和太陽(yáng)能供電模型當(dāng)中，需要考慮機(jī)車(chē)載重、用電量、汽油燃燒效率、轉(zhuǎn)化效率等相關(guān)因素，因此為了計(jì)算和查看方便，我們給相應(yīng)的參量進(jìn)行了系統(tǒng)命名（如表1）：

2.2家用汽車(chē)每天平均用電所需的油耗

設(shè)家用轎車(chē)在一天的行駛中用電設(shè)備的工作時(shí)間為t（小時(shí)），則可用電設(shè)備一天中消耗的電能為：

其中，1w是用電設(shè)備在一天中消耗的電能，1p是汽車(chē)用電設(shè)備的總功率。家用汽車(chē)型號(hào)較多，不同型號(hào)汽車(chē)的用電功率存在一定的差異。同時(shí)天氣的原因也會(huì)影響機(jī)車(chē)的用電情況。比如，在夏季空調(diào)使用率會(huì)顯著高于其他季節(jié)。本文選擇了幾款經(jīng)典家庭轎車(chē)用電功率的平均值作為1p的參考值。

普通汽車(chē)所需的電能一般都是通過(guò)汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒產(chǎn)生機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換而來(lái)的。所以汽車(chē)用電需要一定的油耗。假設(shè)汽車(chē)用電所需的油量為x kg，汽油的燃燒值為q J/kg，則發(fā)動(dòng)機(jī)在一天中能夠提供給發(fā)電機(jī)的能量（即汽油燃燒后傳遞給發(fā)電機(jī)的能量）為：

其中η1為汽油燃燒效率

由發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)化效率為η2，所以推出發(fā)電機(jī)在一天中所發(fā)電量（即發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞給發(fā)電機(jī)的能量） w3為：

發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能一部分直接傳給用電設(shè)備，另一部分先傳遞給蓄電池再傳給用電設(shè)備，這兩種傳遞方式的加權(quán)系數(shù)分別為μ3、μ4，由此得出汽油燃燒在一天中所提供的電能關(guān)系式，如下

相應(yīng)地，可以得出用電設(shè)備多耗的油量（即使用太陽(yáng)能設(shè)備后節(jié)省的油量）計(jì)算公式為：

例如：在平常日間家用轎車(chē)的用電設(shè)備工作的功率約為p1=432.6（w）［5］，設(shè)其工作時(shí)間為5小時(shí)（行駛200公里），那么用電設(shè)備在一天中消耗的電能，如下式給出

日間汽車(chē)用電設(shè)備耗電2.16kw·h，這些電量所消耗的油量可以通過(guò)公式（5）計(jì)算。

2.3車(chē)載太陽(yáng)能電池板發(fā)電功率的計(jì)算

為了能夠滿(mǎn)足汽車(chē)上用電設(shè)備的正常運(yùn)行，要求選擇一定規(guī)格的太陽(yáng)能電池板。目前市場(chǎng)上使用較多的幾種太陽(yáng)電池板類(lèi)型可以為：?jiǎn)尉Ч桦姵?、多晶硅電池、薄膜電?。對(duì)于不同型號(hào)的太陽(yáng)能電池板其規(guī)格、重量、轉(zhuǎn)化效率、價(jià)格等各不相同，選擇合適的太陽(yáng)能電池板既可以節(jié)約資金，又可以減少由于太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的引入消耗的附加油耗。單晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率一般在15%-18%之間，多晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率一般在14.8%-16.5%之間，而薄膜電池的轉(zhuǎn)化效率一般在3.6%-7%之間［6］。綜合成本和效率，在本文中我們以單晶硅電池板為例。

隨著科技的發(fā)展，微小型太陽(yáng)能技術(shù)不斷提高，可以在汽車(chē)的引擎蓋表面，車(chē)頂表面和后備箱車(chē)蓋表面上覆蓋一層太陽(yáng)能電池發(fā)電。一般家用普通汽車(chē)，可以負(fù)載太陽(yáng)能電池板的面積（S）為5平方米左右（比如以2015款福特銳界為例，其引擎蓋面積約為1.9m2，車(chē)頂和后備箱車(chē)蓋面積為4.5m2。）

根據(jù)太陽(yáng)能隨時(shí)間變化的單位面積的水平面輻照強(qiáng)度（I（t），單位為w/m2，可隨地區(qū)差異而變化［7］），可以計(jì)算得出單位面積太陽(yáng)能電池上的輻射總功率（P），

其中21tt和分別表示積分的開(kāi)始時(shí)刻和終止時(shí)刻，也就是有效光照時(shí)間的起止時(shí)間。

由此，可以獲得車(chē)載太陽(yáng)能設(shè)備每天可接受的太陽(yáng)能輻射能為：

現(xiàn)在我們以山西省大同市一天的光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化［8］（如圖2）來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能設(shè)備在一天中能夠發(fā)出的電量。其光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化的關(guān)系式通過(guò)擬合上圖得到：

其中，I表示光照強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，t表示一天中時(shí)間的變化。對(duì)上式積分得到太陽(yáng)輻射能：

由車(chē)頂可負(fù)載S=5m2的太陽(yáng)能電池板，可求出一天中可接受的輻射能約為：

2.4載重增加多消耗的油量

使用太陽(yáng)能發(fā)電需要在汽車(chē)上引入太陽(yáng)能電池板和蓄電池等設(shè)備。太陽(yáng)能發(fā)電一方面可以減少油耗（sx），另一方面發(fā)電設(shè)備的引入會(huì)使汽車(chē)重量增加（w），從而相應(yīng)地增加耗油量（wx）。為了明確太陽(yáng)能設(shè)備供汽車(chē)日常用電的可行性，我們需要綜合比較兩者之間的關(guān)系［9］。

首先，需要獲得汽車(chē)重量與油耗之間的關(guān)系。圖3給出了三種普通車(chē)型在平穩(wěn)行駛情況下，汽車(chē)重量與百公里油耗的關(guān)系。

從圖3我們可以知道，隨著汽車(chē)載重（m）的增加，油耗（x）也隨著相應(yīng)地增加。我們可以獲得相應(yīng)車(chē)型的車(chē)重與百公里油耗之間的一般統(tǒng)計(jì)關(guān)系，

比如，以C型車(chē)為例，根據(jù)該車(chē)型的車(chē)載與油耗之間的關(guān)系式可以得到汽車(chē)每天平均行駛s公里時(shí)太陽(yáng)能設(shè)備引起的油耗增加量為：

圖2　山西大同市一天的水平面總輻射強(qiáng)度（W/m2）

圖3　不同車(chē)型載重與油耗的關(guān)系

以轉(zhuǎn)化效率為1 6%的單晶硅太陽(yáng)能板作為例。設(shè)其重量為x1kg，相應(yīng)地控制器重量為x2kg，蓄電池重量為x3kg。可以得到車(chē)載太陽(yáng)能設(shè)備增加的質(zhì)量為 m=x1+x2+x3+x4，x4表示其它相關(guān)零部件增加的質(zhì)量（為修正項(xiàng)）。對(duì)于目前較為普遍使用的汽車(chē)質(zhì)量分布在1000kg-2000kg的范圍，太陽(yáng)能設(shè)備的引入對(duì)汽車(chē)多增加的耗油量與行駛s千米的關(guān)系已由公式（8）給出，即：

現(xiàn)在我們代入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算， 根據(jù)統(tǒng)計(jì)家用轎車(chē)一天的平均路程一般為：100km左右，統(tǒng)計(jì)5㎡太陽(yáng)能電池板、蓄電池、逆變器等重量之和約為120kg則可以計(jì)算出車(chē)載太陽(yáng)能板行駛一天多耗得油量為：

但對(duì)于市內(nèi)行駛的車(chē)輛由于交通的影響，每多載100kg重量，會(huì)多消耗0.4L/100km的油量，因此在市區(qū)中油量消耗會(huì)更多。

2.5凈節(jié)油量的計(jì)算

太陽(yáng)能發(fā)電節(jié)省的油量等于太陽(yáng)能發(fā)電對(duì)應(yīng)的油量減去太陽(yáng)能設(shè)備引起的耗油量，也就是。根據(jù)兩者的差值，可以判斷在汽車(chē)上使用太陽(yáng)能發(fā)電供用電設(shè)備工作的可行性。

對(duì)一天中太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能而節(jié)省的油量進(jìn)行計(jì)算。我們選擇的車(chē)頂太陽(yáng)能電池板面積為5㎡，地區(qū)有效太陽(yáng)光照時(shí)間為7h，單晶硅電池板的轉(zhuǎn)化效率為18%，在控制器的轉(zhuǎn)化效率上一般為95%左右［10］，因此可以算的一天中太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化得到的電能為：

P為一天中單位面積太陽(yáng)輻射能， S為太陽(yáng)能板面積，η為單晶硅的轉(zhuǎn)化效率。此部分電能對(duì)應(yīng)的油耗可以通過(guò)公式（5）計(jì)算出來(lái)，由于發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化給用電設(shè)備和蓄電池的效率都很高，所以計(jì)算將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能視作全部供應(yīng)給用電設(shè)備，即視作w1=w3=xqη1η2。其中，q為汽油的燃燒值大約為4.4～4.8×10^7J/ kg，1kw·h約為3.6×10^6J能量，那么可以計(jì)算出11.23kw·h的焦耳熱約為11.233.6×10^6J，汽油的燃燒效率η1約為20%-30%，發(fā)動(dòng)機(jī)到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率η2約為80%。因此若太陽(yáng)能設(shè)備一天中產(chǎn)生的電能2.5kw·h完全被利用，則此部分電能相當(dāng)于 x=0.98 kg的汽油，換算成體積則約為1.35L汽油。一天中汽車(chē)行駛100km會(huì)因太陽(yáng)能設(shè)備自身重量耗油0.37L，因此一天中在平直公路上以穩(wěn)定速度行駛100km可以節(jié)省的油量為1L汽油。汽車(chē)行駛100km情況下燃油約6.4L［12］，節(jié)省油量1L，因此節(jié)油約15.6%。

根據(jù)本次研究的結(jié)果，在每輛汽車(chē)一天中行駛100km可以節(jié)約1L（15.6%）的油量情況下，全國(guó)1800多萬(wàn)輛家用轎車(chē)如果都可以加載太陽(yáng)能設(shè)備，則有望每天節(jié)省1800萬(wàn)升的汽油。同時(shí)，隨著科技的日益發(fā)展，高功率輕重量的新型太陽(yáng)能電池和新型蓄電池的會(huì)不斷出現(xiàn)，車(chē)載太陽(yáng)能發(fā)電為電網(wǎng)供電也會(huì)成為可能，如此車(chē)載太陽(yáng)能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益還是很可觀的。

3　結(jié)語(yǔ)

普通汽車(chē)在日常使用中會(huì)因用電器的工作而增加油耗量，所以可以根據(jù)汽車(chē)用電設(shè)備的使用情況，選擇一定面積的太陽(yáng)能電池板取代機(jī)械能發(fā)電，同時(shí)太陽(yáng)能設(shè)備的重量增加會(huì)使汽車(chē)耗油增加。因此使用太陽(yáng)能設(shè)備節(jié)省的油量和多消耗的油量差是使用太陽(yáng)能取代機(jī)械能發(fā)電可行性的標(biāo)志。使用我們建立的模型，以汽車(chē)每天行駛100公里為例，我們計(jì)算得出使用太陽(yáng)能能節(jié)省約15.6%的燃油量。因此，可以得出在機(jī)車(chē)上安裝太陽(yáng)能電池板取代機(jī)械能發(fā)電是可行性的。

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阜陽(yáng)師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（FS201310371087），安徽省省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（2013jyxm136，2014zy047）

徐雙雷（1990—），男，漢，安徽人，阜陽(yáng)師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院學(xué)生，主持大學(xué)生科研立項(xiàng)；張開(kāi)銀，男，博士，副教授。主要研究方向：光電子技術(shù)，材料物理學(xué)。