太陽(yáng)能輔助汽車電動(dòng)空調(diào)制冷系統(tǒng)研究

王太成，張洪巖

（1.山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 泰安 271000；2.勝利油田新星燃?xì)饧夹g(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司，山東 東營(yíng) 257000）

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究，除繼續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有車載空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局和提高舒適性能外，還有將太陽(yáng)能輔助溫控系統(tǒng)應(yīng)用在汽車空調(diào)系統(tǒng)中，以解決夏日汽車室外熄火暫時(shí)停泊后車內(nèi)的制冷和空氣調(diào)節(jié)問(wèn)題的方案。已經(jīng)成型的產(chǎn)品有太陽(yáng)能溫控風(fēng)扇和太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷裝置。前者是利用車載太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電，汽車停車發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，當(dāng)汽車車廂內(nèi)溫度超過(guò)預(yù)定值時(shí)，打開電動(dòng)風(fēng)扇和換氣閥，將室內(nèi)的熱氣體排出，同時(shí)吸入外界的新鮮空氣，從而達(dá)到空氣調(diào)節(jié)的目的；后者是利用熱電偶冷、熱端的熱電制冷效應(yīng)，由太陽(yáng)能電池供給所需的直流電，把熱電偶的冷端放置于汽車室內(nèi)工作環(huán)境中吸熱，熱端置于大氣環(huán)境中放熱，從而達(dá)到汽車室內(nèi)制冷的功效。

上述兩種輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)無(wú)論是工作持續(xù)時(shí)間還是制冷效果都存在一定的局限性，與皮帶帶動(dòng)的機(jī)械壓縮機(jī)空調(diào)制冷效果相比差距甚大。本文介紹的太陽(yáng)能輔助汽車電動(dòng)空調(diào)制冷系統(tǒng)，是在汽車皮帶帶動(dòng)的機(jī)械空調(diào)的基礎(chǔ)上加裝一套直流電機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，通過(guò)汽車外部的太陽(yáng)能電池板或汽車發(fā)電機(jī)向蓄電池充電后，再向直流電動(dòng)壓縮機(jī)提供電能，可根據(jù)需要通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換機(jī)械制冷或電動(dòng)制冷模式，解決夏季汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后室外停泊和汽車在怠速、低速、中速斷續(xù)行車持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的運(yùn)行工況條件下車廂內(nèi)的空氣制冷調(diào)節(jié)和節(jié)能減排問(wèn)題。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 空調(diào)系統(tǒng)的組成

以普通桑塔納轎車安裝本系統(tǒng)為例，空調(diào)系統(tǒng)的電路如圖1所示。除原車部件蒸發(fā)器、冷凝器、儲(chǔ)液干燥器、膨脹閥、各種開關(guān)元器件，及與其配套的電源電路、電磁離合器控制電路、鼓風(fēng)機(jī)控制電路和冷凝器冷卻風(fēng)扇控制電路外，太陽(yáng)能輔助電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)增加了28V太陽(yáng)能電池板3、24V蓄電池4、28V直流變壓器5、直流電機(jī)空調(diào)開關(guān)6、直流電機(jī)空調(diào)繼電器7、熔斷絲8、直流電機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)V1等。

24V直流電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)V1由24V蓄電池提供電能，通過(guò)直流電機(jī)空調(diào)開關(guān)和直流電機(jī)空調(diào)繼電器控制。電源由2塊12V蓄電池串聯(lián)組成，蓄電池的容量與原車裝用蓄電池容量大致相等。系統(tǒng)由汽車發(fā)電機(jī)和28V太陽(yáng)能電池板同時(shí)向蓄電池充電，以確保蓄電池經(jīng)常處于充足電的狀態(tài)。因汽車發(fā)電機(jī)的直流輸出電壓約為14V，因此，需經(jīng)28V直流變壓器將發(fā)電機(jī)輸出電壓升高后方能向24V蓄電池充電。車輛正常行駛時(shí)，汽車發(fā)電機(jī)和28V太陽(yáng)能電池板同時(shí)向蓄電池充電，可將發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

1.2.1 使用機(jī)械空調(diào)壓縮機(jī)時(shí)的工作情況

點(diǎn)火開關(guān)接通使減荷繼電器工作后，C路電源接通。接通空調(diào)A/C開關(guān)，電流從12V蓄電池的正極經(jīng)減荷繼電器的觸點(diǎn)、熔斷絲S14、空調(diào)A/C開關(guān)后分為2路，第1路經(jīng)空調(diào)指示燈K46構(gòu)成回路，空調(diào)指示燈K46亮，表示空調(diào)A/C開關(guān)接通。

第2路經(jīng)室溫開關(guān)F38后又分成3路：①一路經(jīng)新鮮空氣電磁閥N63構(gòu)成回路，該閥動(dòng)作接通新鮮空氣翻板真空促動(dòng)器，新鮮空氣進(jìn)入空氣通道。②一路到蒸發(fā)器溫控開關(guān)F33，給電磁離合器N25和怠速電磁閥N16供電，空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)制冷，同時(shí)怠速電磁閥N16動(dòng)作，使發(fā)動(dòng)機(jī)以較高的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)工作，當(dāng)蒸發(fā)器溫度低于調(diào)定溫度，溫控開關(guān)F33斷開，壓縮機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)怠速電磁閥N16斷電，怠速自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置不起作用。③第3路是經(jīng)空調(diào)繼電器J23構(gòu)成回路，使其兩對(duì)觸點(diǎn)吸合，其中一對(duì)觸點(diǎn)用于控制冷凝器冷卻風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)及其繼電器J26，高壓開關(guān)F23和繼電器J26串聯(lián)，當(dāng)制冷系統(tǒng)高壓側(cè)壓力低于1.5 MPa時(shí)，高壓開關(guān)F23觸點(diǎn)斷開，冷卻風(fēng)扇低速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)制冷系統(tǒng)高壓側(cè)壓力高于1.5 MPa時(shí)，高壓開關(guān)F23觸點(diǎn)接通，繼電器J26通電，觸點(diǎn)閉合，冷卻風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)以加強(qiáng)冷凝效果；另一對(duì)觸點(diǎn)用于控制鼓風(fēng)電動(dòng)機(jī)V2，該觸點(diǎn)在接通空調(diào)A/C開關(guān)時(shí)，立即閉合，這時(shí)即使沒有接通鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)E6，鼓風(fēng)機(jī)V2也將從該觸點(diǎn)獲得電流而低速旋轉(zhuǎn)，以免接通空調(diào)A/C開關(guān)后忘記接通鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)E6，使蒸發(fā)器表面不能獲得強(qiáng)制通風(fēng)而造成結(jié)冰現(xiàn)象。

1.2.2 使用電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)時(shí)的工作情況

點(diǎn)火開關(guān)接通，C路電源接通。接通直流電機(jī)空調(diào)開關(guān)，電流從12V蓄電池的正極經(jīng)直流電機(jī)空調(diào)開關(guān)后分為2路：第1路經(jīng)室溫開關(guān)F38后又分成3路，3路電流的流向與使用機(jī)械空調(diào)壓縮機(jī)時(shí)的工作情況相同，故不再贅述。但需要說(shuō)明的是通過(guò)蒸發(fā)器溫控開關(guān)F33給電磁離合器N25和怠速電磁閥N16供電時(shí)，因汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，故無(wú)論蒸發(fā)器溫度高于還是低于調(diào)定溫度，蒸發(fā)器溫控開關(guān)F33接通與否，空調(diào)壓縮機(jī)和怠速調(diào)節(jié)裝置均不起作用。第2路是24V直流電經(jīng)直流電機(jī)空調(diào)繼電器的開關(guān)觸點(diǎn)至直流電機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)V1，直流電機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，吸入低溫低壓的制冷劑蒸汽，將其壓縮成為高溫高壓的氣體，經(jīng)高壓管路送入冷凝器冷凝為液態(tài)，然后進(jìn)入儲(chǔ)液干燥器去除水分和雜質(zhì)后至膨脹閥。高溫高壓的液態(tài)制冷劑流經(jīng)膨脹閥后，借助膨脹閥的節(jié)流作用變?yōu)榈蜏氐蛪旱撵F狀氣體噴入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸收周圍空氣的熱量而使周圍空氣溫度降低。鼓風(fēng)機(jī)V2將空氣吹過(guò)蒸發(fā)器表面，將涼氣送進(jìn)車廂，使車廂內(nèi)空氣變得涼爽。

2 系統(tǒng)的主要功能和創(chuàng)新點(diǎn)

太陽(yáng)能輔助汽車電動(dòng)空調(diào)制冷系統(tǒng)的主要功能和創(chuàng)新點(diǎn)可概括為以下幾個(gè)方面。

1）本系統(tǒng)以太陽(yáng)能為動(dòng)力源，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可持續(xù)，對(duì)降低汽車燃油消耗和環(huán)境保護(hù)具有重要作用。系統(tǒng)拆裝靈活便捷，可作為汽車空調(diào)的輔助備用系統(tǒng)使用，是清潔能源技術(shù)在汽車上的重要應(yīng)用推廣。

2）本系統(tǒng)既可利用太陽(yáng)能電池板向儲(chǔ)能蓄電池充電，又可利用汽車發(fā)電機(jī)向儲(chǔ)能蓄電池充電。在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的情況下開啟太陽(yáng)能輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)，由太陽(yáng)能電池板和已充足電的儲(chǔ)能蓄電池向空調(diào)壓縮機(jī)直流電機(jī)提供電能；在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下開啟太陽(yáng)能輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)，太陽(yáng)能電池板和汽車發(fā)電機(jī)同時(shí)向蓄電池充電并向直流電機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)提供電能，確保了系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。

3）利用直流電機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)原車載空調(diào)循環(huán)制冷蒸發(fā)系統(tǒng)是一種新的嘗試，與太陽(yáng)能溫控風(fēng)扇和太陽(yáng)能半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)相比，空氣制冷調(diào)節(jié)效果好，也能使汽車發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能得到更充分的利用。

4）在炎熱夏季汽車停在室外且發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的情況下，可通過(guò)在駕駛室內(nèi)安裝溫控感應(yīng)開關(guān)，自動(dòng)啟動(dòng)太陽(yáng)能輔助空調(diào)系統(tǒng)，將汽車室內(nèi)的溫度控制在設(shè)定范圍之內(nèi)，既較好地解決了因太陽(yáng)直射車內(nèi)溫度過(guò)高而使汽車內(nèi)飾裝潢發(fā)出異味危害駕乘人員的身體健康問(wèn)題，又解決了炎熱夏季汽車發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后室外停車時(shí)車廂內(nèi)的制冷和空氣調(diào)節(jié)問(wèn)題。

5）據(jù)權(quán)威部門公布的數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)人均石油、天然氣擁有量?jī)H為世界平均水平的1/15左右，原油對(duì)外依存度高達(dá)60%以上，因此，汽車的節(jié)能降耗勢(shì)在必行。另一方面，隨著中國(guó)汽車保有量的快速增加，汽車尾氣污染已成為中國(guó)空氣污染的重要來(lái)源，是造成細(xì)顆粒物、光化學(xué)煙霧污染的重要原因，汽車的污染防治也迫在眉睫。本系統(tǒng)旨在解決汽車夏日泊車或行車時(shí)車廂內(nèi)的制冷和空氣調(diào)節(jié)問(wèn)題，以及由此引起的節(jié)能減排問(wèn)題，符合低碳環(huán)保的既定國(guó)策，推廣應(yīng)用前景廣闊。

3 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)研究解決的問(wèn)題

為使太陽(yáng)能輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)能夠在汽車上得到廣泛的推廣應(yīng)用，在規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中既要統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的性能、成本、使用壽命、安裝布局，又要考慮系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性、可靠性、節(jié)能減排效果及投資回報(bào)周期等問(wèn)題。

1）太陽(yáng)能電池是關(guān)鍵部件之一，但目前使用的單晶硅或多晶硅太陽(yáng)能電池的光電效率不高，約為17%，由于光電轉(zhuǎn)化效率越低，在相同的功率輸出情況下，所需的太陽(yáng)能電池的面積越大，這不利于在車頂上的布置。據(jù)報(bào)道，國(guó)外多層太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)41.1%，在相同的功率輸出情況下，可大大減少太陽(yáng)能電池板的面積。因此，太陽(yáng)能電池的材料、電池板的結(jié)構(gòu)、電池板在汽車中的安裝、電池板的充放電等核心技術(shù)是需要重點(diǎn)研究的課題。

2）直流電機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)是太陽(yáng)能輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部件，也是系統(tǒng)中唯一的運(yùn)動(dòng)部件，因此，直流電機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)在車上安裝后工作的可靠性和穩(wěn)定性是系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在，是測(cè)試的重點(diǎn)。此外，系統(tǒng)在太陽(yáng)能電池板單獨(dú)供電情況下獨(dú)立工作的制冷效果是否能接近原車空調(diào)的制冷效果、系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短、系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行時(shí)制冷效果是否穩(wěn)定可靠，以及太陽(yáng)能電池板的發(fā)電量與所選儲(chǔ)能蓄電池是否匹配等內(nèi)容也需要進(jìn)行持續(xù)測(cè)定和不斷優(yōu)化。

3）要對(duì)出廠新車或在用汽車設(shè)計(jì)加裝直流電機(jī)空調(diào)壓縮機(jī)式太陽(yáng)能輔助汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)后的直接成本進(jìn)行測(cè)算，并與夏季使用該系統(tǒng)產(chǎn)生的油耗減少、排放降低、汽車磨損減少而使維修費(fèi)用減少等綜合收益進(jìn)行對(duì)比分析，在能滿足夏季制冷基本功能的前提下，盡量降低系統(tǒng)成本，縮短投資回報(bào)周期，為大面積推廣應(yīng)用創(chuàng)造條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)日臻成熟，太陽(yáng)能應(yīng)用水平也處于國(guó)際領(lǐng)先地位，太陽(yáng)能發(fā)電已廣泛應(yīng)用于航天、通信、工業(yè)、家用電器等專業(yè)領(lǐng)域，但在汽車上的應(yīng)用屈指可數(shù)。目前，我國(guó)汽車保有量已超過(guò)2億輛，隨著人均GDP的不斷增加，汽車的產(chǎn)銷量平均每年還將有10%以上的增幅，節(jié)能、降耗和減排任重而道遠(yuǎn)。本系統(tǒng)可在在用汽車上改裝，但在汽車出廠前設(shè)計(jì)安裝更佳。

經(jīng)用改裝樣車進(jìn)行測(cè)試，使用本系統(tǒng)進(jìn)行制冷，油耗可降低10%～15%，車速在60km/h以下開空調(diào)時(shí)，油耗則可降低15%以上，同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)HC（碳?xì)洌?、NOx（氮氧化合物）、CO（一氧化碳）和PM（微粒）零排放。按平均每年使用空調(diào)4個(gè)月、家庭轎車平均每車每月燃油費(fèi)500元、10%的現(xiàn)用小型載客汽車安裝使用本系統(tǒng)計(jì)算，則每年可節(jié)約燃油費(fèi)用45億元，HC、NOx、CO和PM排放減少數(shù)量也是一個(gè)龐大的數(shù)字。綜合考慮本系統(tǒng)的先進(jìn)性和可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)，加之節(jié)能、降耗和減排等諸多因素，筆者認(rèn)為，系統(tǒng)具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展空間。