基于太陽能發(fā)電的停車狀態(tài)下車內(nèi)空氣質(zhì)量自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃晨峻，馬繽輝，徐敬雨，鄭中華，鐘映輝，李學(xué)攀

(湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南湘潭 411201)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車數(shù)量增長越來越快，但汽車停車位緊缺，多數(shù)汽車只能停在太陽底下暴曬。研究發(fā)現(xiàn)車輛熄火后每隔15 min車內(nèi)空氣溫度大約上升10 ℃，持續(xù)2 h暴曬可達(dá)60～68 ℃，儀表盤控制臺表面溫度可達(dá)75 ℃甚至更高，座椅表面溫度大約65 ℃。為將車內(nèi)溫度降至30 ℃，需要啟動車輛空調(diào)15～20 min，約耗油0.4 L。汽車暴曬的時間越長，汽車空調(diào)降溫時間越長，增加耗油量，加劇有害氣體的排放。研究顯示，汽車怠速時開空調(diào)的油耗比普通怠速要高15%，并且怠速時汽油燃燒不完全，釋放出的 CO、NO 等有害氣體增多，是正常狀態(tài)下的5倍，會對大氣環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，同時還浪費(fèi)能源。而且強(qiáng)烈的太陽輻射照射會使車內(nèi)的真皮座椅和儀表臺等設(shè)施產(chǎn)生甲醛、苯等有害物質(zhì)，由于在車內(nèi)的封閉環(huán)境下，因此會對人類健康產(chǎn)生影響；更為嚴(yán)重的是溫度過高會引起汽車內(nèi)物品自燃，容易給用戶造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時當(dāng)汽車熄火時，由于發(fā)動機(jī)沒有正常運(yùn)行，因此不會帶動車內(nèi)發(fā)電機(jī)進(jìn)行正常發(fā)電，使汽車在停車熄火時無法獲得充足的電力能源。

基于以上汽車車內(nèi)溫度升高而產(chǎn)生的一系列問題，本文作者設(shè)計(jì)了一種基于自動跟蹤太陽能發(fā)電的車內(nèi)環(huán)境自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以太陽能為汽車提供電能，同時通過自動跟蹤太陽能以實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的最大化，同時可以在汽車熄火后控制制冷系統(tǒng)以及換氣系統(tǒng)，來進(jìn)行汽車內(nèi)不同溫度工況下的車內(nèi)環(huán)境自調(diào)節(jié)[1-4]。

1 系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方案

圖1為系統(tǒng)工作流程圖。系統(tǒng)通過光敏電阻傳感器檢測太陽光照強(qiáng)度，并由單片機(jī)發(fā)出跟蹤控制信號，通過驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，使太陽能電池板保持垂直于太陽光，實(shí)現(xiàn)最大效率地利用太陽能。太陽能電池板給蓄電池充電，并由繼電器控制換氣扇、鼓風(fēng)機(jī)、冷氣機(jī)的工作。換氣扇保持車內(nèi)空氣與外界空氣的流通，鼓風(fēng)機(jī)促進(jìn)車內(nèi)空氣的循環(huán)并達(dá)到初步降溫的效果，冷風(fēng)機(jī)進(jìn)一步降低車內(nèi)的溫度以及維持車內(nèi)的濕度，再通過溫度傳感器和濕度傳感器反饋給單片機(jī)來控制繼電器的通斷，從而調(diào)整換氣扇、鼓風(fēng)機(jī)、冷氣機(jī)的工作狀態(tài)，來維持汽車內(nèi)的環(huán)境在一個穩(wěn)定而舒適的狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)工作流程

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要包括自動跟蹤太陽能發(fā)電的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分如步進(jìn)電機(jī)、轉(zhuǎn)動圓盤、減速器、太陽能電池板等，其次該系統(tǒng)主要有換氣扇、鼓風(fēng)機(jī)、冷氣機(jī)來模擬汽車內(nèi)的空調(diào)機(jī)，通過結(jié)合溫、濕度傳感器、PM2.5、CO、NO等有害氣體傳感器采集相應(yīng)的信號后反饋給汽車ECU，從而通過ECU 控制車內(nèi)相應(yīng)的繼電器以控制空調(diào)機(jī)等調(diào)節(jié)環(huán)境裝置來進(jìn)行工作，從而使汽車在熄火駐車時能更加智能化地調(diào)節(jié)車內(nèi)的環(huán)境，以給駕駛員和乘客在進(jìn)入汽車時有更舒適的環(huán)境。

1.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用單片機(jī)模擬汽車的ECU來進(jìn)行硬件控制，并利用C語言進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫，通過溫濕度傳感器、有害氣體傳感器等多種傳感器的信號對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過單片機(jī)綜合計(jì)算后對車內(nèi)設(shè)施進(jìn)行控制，具體控制原理是通過設(shè)定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，并使采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從而使系統(tǒng)在不同的環(huán)境能控制相應(yīng)的車內(nèi)設(shè)施進(jìn)行工作，以實(shí)現(xiàn)調(diào)控車內(nèi)環(huán)境的目的[5]。

同時自動跟蹤器的軟件部分是由自主設(shè)計(jì)的太陽能光敏自動跟蹤傳感盒結(jié)合紅外線自動跟蹤模塊進(jìn)行雙保險設(shè)計(jì)，以保障跟蹤精度能更好地實(shí)現(xiàn)，并通過單片機(jī)結(jié)合傳感的反饋數(shù)據(jù)對機(jī)械結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，使太陽直射在太陽能光伏發(fā)電板上，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的最大化。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 整體工作原理

圖2為系統(tǒng)整體工作原理。車內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)主要由信號采集及控制系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)組成。其中電池系統(tǒng)包括12 V蓄電池、太陽能電池板、繼電器4和太陽能控制器。太陽能電池板給蓄電池充電，蓄電池設(shè)置有過放保護(hù)及虧電條件下太陽能電池給蓄電池充電；且蓄電池設(shè)置有過充保護(hù)，電量飽和時停止充電，信號采集及控制系統(tǒng)包括溫濕度采集單元、單片機(jī)、電壓及電流采集單元[3]。信號采集單元將采集的信號傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)給換氣系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的控制指令。換氣扇和冷風(fēng)機(jī)有工作和關(guān)閉兩種狀態(tài)。單片機(jī)控制鼓風(fēng)機(jī)在不同的溫度下有相應(yīng)的工作狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)整體工作原理示意

2.2 溫度控制系統(tǒng)工作原理

圖3所示為車內(nèi)溫度控制系統(tǒng)原理圖。

圖3 車內(nèi)溫度控制系統(tǒng)原理

圖中T為實(shí)時監(jiān)測的車內(nèi)溫度，T1為車內(nèi)高溫，T2為車內(nèi)中溫，T3為車內(nèi)中溫緩沖區(qū)域下限。U為蓄電池電壓，控制系統(tǒng)主要功能為:

(1)太陽能電池板對蓄電池常態(tài)充電，并設(shè)置有過充和過放保護(hù)；

(2)可人為進(jìn)行總開關(guān)通斷，當(dāng)總開關(guān)關(guān)閉時，系統(tǒng)不通電，當(dāng)總開關(guān)開啟時，系統(tǒng)進(jìn)入待命狀態(tài)，傳感器開始實(shí)時檢測車內(nèi)溫度；

(3)當(dāng)車內(nèi)溫度T>T1時，系統(tǒng)控制鼓風(fēng)機(jī)2擋和換氣扇電路同時工作，鼓風(fēng)機(jī)輸送外界低溫空氣(相對車內(nèi)而言)至車內(nèi)，換氣扇排出車內(nèi)高溫氣體，使車內(nèi)溫度降低；

(4)當(dāng)車內(nèi)溫度T1>T>T2時，鼓風(fēng)機(jī)1擋和冷風(fēng)機(jī)同時接通，車內(nèi)開始制冷降溫；

(5)當(dāng)車內(nèi)溫度T2>T>T3時，鼓風(fēng)機(jī)停止工作，冷風(fēng)機(jī)持續(xù)工作，直至車內(nèi)溫度低于T3；

(6)當(dāng)車內(nèi)溫度T

3 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)及原理

3.1 自動跟蹤器的設(shè)計(jì)

如圖4所示，太陽電池板的偏轉(zhuǎn)角度隨太陽的運(yùn)行軌跡變化而變化，使太陽入射光線垂直照射到太陽電池板上，充分接收太陽輻射能量。其工作方式分為3種情況：(1)白天晴天跟蹤模式。白天晴天時，氣候條件好，為正常工作狀態(tài)。(2)白天陰雨天時跟蹤模式。在陰雨天時，太陽的光線較暗，光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(設(shè)定值可通過實(shí)驗(yàn)得出)，暫停跟蹤，跟蹤裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持在當(dāng)前位置，以減少機(jī)械損失。(3)夜晚裝置停止工作，裝置處于待命狀態(tài)，等待天亮達(dá)到一定光照強(qiáng)度后，再啟動裝置，并與車內(nèi)的溫度傳感器協(xié)同工作，當(dāng)車內(nèi)溫度低于一定值時，由太陽能板發(fā)電。

圖4 太陽能電池板方位的變化

3.1.1 自動跟蹤器機(jī)械部分的設(shè)計(jì)及原理

系統(tǒng)將太陽能電池板的跟蹤控制分為方位角(左、右)和俯仰角(上、下)兩個單元。其中機(jī)械轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由底座、下層固定平臺、上層旋轉(zhuǎn)平臺、步進(jìn)電機(jī)、減速器、擺臂和太陽能電池板等組成。另外控制部分考慮到電池板及支架質(zhì)量和刮風(fēng)天氣等因素的影響，故在方位角控制都采用步進(jìn)電機(jī)和減速器配合驅(qū)動。

系統(tǒng)俯仰角及方位角的控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 太陽能跟蹤器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)太陽光照到傳感器產(chǎn)生不對稱時，傳感器可以根據(jù)輸出電壓不相等來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動；當(dāng)電機(jī)所轉(zhuǎn)角度使得輸出電壓相等時，傳感器兩端光照對稱，兩根信號線輸出相同的電壓，并且電機(jī)停止轉(zhuǎn)動[6]。

3.1.2 自動跟蹤器電子器件部分設(shè)計(jì)及原理

圖6為太陽能跟蹤裝置的傳感器檢測原理。該裝置設(shè)計(jì)為一個墨黑色方形盒子，頂部正中心開一小孔，小盒子通過內(nèi)設(shè)置兩個環(huán)形排列的16個光敏電阻和中心一只光敏電阻感應(yīng)，由系統(tǒng)電控單元通過多路復(fù)用AD轉(zhuǎn)換的形式獲取并對比每個光敏電阻上的光強(qiáng)度，從而控制器可以進(jìn)行相應(yīng)的控制。系統(tǒng)工作時，盒子上表面與太陽能電池板放置并保持平行，促使位置由日出方向決定[7]。在跟蹤太陽能位置時，電池板如何跟蹤太陽的初始狀態(tài)如圖6左邊所示，太陽光線穿過盒子上表面中心的小孔后照射在外環(huán)側(cè)排列的光敏電阻上后，系統(tǒng)電控單元將測得該電阻上及附近電阻受光強(qiáng)較大，通過比較和判斷，系統(tǒng)將逐步驅(qū)動裝置的俯仰角和方位角，最終達(dá)到如圖6右邊所示的位置，從而達(dá)到電池板始終保持與太陽輻射垂直的目的。

圖6 太陽能跟蹤裝置的傳感器檢測原理示意

如圖7所示，系統(tǒng)利用光敏檢測模塊檢測當(dāng)前環(huán)境中光線的強(qiáng)弱，從而驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動，步進(jìn)電機(jī)采用二維自動跟蹤裝置來控制太陽電池板做水平旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)對太陽跟蹤的反饋控制。

圖7 跟蹤式太陽能電池板發(fā)電系統(tǒng)的流程

3.2 光伏發(fā)電原理

整個裝置都由太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能來供能。它根據(jù)光強(qiáng)和溫度等條件，以一定的輸出特性對外輸出功率。DC-DC控制器是控制系統(tǒng)中的核心部件，其最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)，可以使系統(tǒng)最大程度地利用太陽能，而且還能根據(jù)事先設(shè)定的控制策略實(shí)現(xiàn)對能源的管理。MPPT彌補(bǔ)太陽能電池本身性能和使用條件的不足。蓄電池的充放電控制器則能按照一定模式對蓄電池進(jìn)行充放電管理，以提高其工作性能，延長工作壽命[4]。主要組成部分如圖8所示。

圖8 光伏系統(tǒng)組成

3.3 車內(nèi)有毒氣體及空氣新鮮度的控制原理

控制系統(tǒng)通過使用NOX、CO2、CO、HC等一系列的傳感器探測車內(nèi)各種氣體的濃度，然后通過傳感器將其轉(zhuǎn)換成電信號,通過電腦對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并和室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)比較,如果超出質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值，系統(tǒng)就會發(fā)出相應(yīng)語音提示，如“CO2氣體現(xiàn)在已經(jīng)超過了安全標(biāo)準(zhǔn),請及時打開窗戶”的語音提示。當(dāng)語音提示后窗戶未打開時，系統(tǒng)及時發(fā)出警報聲并向車主發(fā)送短信，方便車主不在車內(nèi)也能及時了解車內(nèi)狀況[8]。

3.4 無線通信模塊

該模塊采用ZigBee技術(shù)，并具有成本低、低能耗時延短、可靠等優(yōu)點(diǎn)，可通過手機(jī)實(shí)時監(jiān)測車內(nèi)溫濕度，及時了解車內(nèi)狀態(tài)，針對個人情況設(shè)定車內(nèi)溫度，及時調(diào)整以達(dá)到人體適宜溫度。工作原理圖如圖9所示。無線控制模塊如圖10所示。

圖9 無線控制原理

圖10 無線控制模塊

4 結(jié)束語

系統(tǒng)工作的環(huán)境主要是針對于夏天陽光暴曬的情況，在保證晶體硅太陽電池板給蓄電池所充的電源能量足夠前提下，換氣扇和鼓風(fēng)機(jī)模擬對汽車空調(diào)機(jī)的綜合作用，使車內(nèi)空氣與外界空氣保持循環(huán)流通，從而保證車內(nèi)空氣清新，大大減少了車內(nèi)真皮座椅和儀表臺等設(shè)施由于高溫而產(chǎn)生的有害氣體。其次，空調(diào)機(jī)能進(jìn)一步降低車內(nèi)的溫度，并保證車內(nèi)的濕度。整個系統(tǒng)由繼電器、傳感器和單片機(jī)綜合控制，并設(shè)有基于ZigBee技術(shù)的智能無線控制，能對車內(nèi)的環(huán)境監(jiān)控并做出迅速的反應(yīng)以及控制，使車內(nèi)環(huán)境保持在一個舒適而健康的狀態(tài)。