解決農(nóng)產(chǎn)品配送“斷鏈”的光伏冷鏈小車設(shè)計

周亞東，葛紅劍，朱麗萍

（海南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570216）

1 引言

過去我國農(nóng)村農(nóng)產(chǎn)品主要通過本地銷售、局部流通的形式進行交換。隨著電商、互聯(lián)網(wǎng)等新媒體的興起，以及消費者對農(nóng)產(chǎn)品向著優(yōu)質(zhì)化、多元化和更為安全的要求日益提升，冷鏈已經(jīng)成為鮮活農(nóng)產(chǎn)品流通的必備環(huán)節(jié)。2018年我國冷鏈物流需求總量達(dá)到1.8 億噸，市場規(guī)模達(dá)到3035億元［1-2］，果蔬、肉類和水產(chǎn)品冷鏈流通率分別達(dá)到22%、34%和41%，冷藏運輸率分別達(dá)到35%、57%和69%［3-5］，但是，因為我國冷鏈物流業(yè)起步較晚，就目前情況，我國食品冷藏運輸率與發(fā)達(dá)國家對比，僅為15% 左右［6-7］，果蔬等生鮮農(nóng)產(chǎn)品的物流損耗率超過30%，遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國家5%的水平。原因在于：我國是由城鄉(xiāng)小規(guī)模農(nóng)戶和眾多小散商販形成的農(nóng)產(chǎn)品主要流通體系［8］，冷鏈物流成本比普通物流成本高出（40～60）%，而且冷鏈物流地區(qū)發(fā)展也極不平衡，從目前農(nóng)業(yè)冷鏈物流來看，還存在田間到冷鏈中心、冷鏈中心到用戶前后端最后一公里“斷鏈”的突出問題［9］，特別是交通不便、人口稀少的鄉(xiāng)村山區(qū)，因為采摘得不到及時的冷藏造成大量鮮活農(nóng)產(chǎn)品變質(zhì)或干枯，農(nóng)民只能選擇低價出售，一定程度上直接制約了農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展。

2 太陽能冷鏈車構(gòu)造

太陽能冷鏈車的結(jié)構(gòu)由電動車三輪車身、保溫車廂、蓄電池、制冷系統(tǒng)、太陽能電池板、溫控及充放電控制系統(tǒng)六部分組成［10-11］。利用市場上電動三輪貨車進行車身改造，其動力電機為48V8Ah，平均速度為25km/h，續(xù)航約1h，拆掉其后廂，制作一個長×寬×高=（1300×1000×1000）mm的保溫廂體，其內(nèi)層為5mm厚ABS板、外層為2mm厚不銹鋼板，內(nèi)部填滿25mm厚保溫材料，車廂后面開門并做好保溫密封，如圖1所示。2019年3月11日?？谑彝鈿鉁?5℃，經(jīng)過現(xiàn)場測試，廂體空載制冷至-10℃后停止制冷，0.42h測試溫度升高約為5℃。

圖1 貨用三輪車改造前后對比圖Fig.1 Comparison of Feight Tricycle Before and After Transformation

蓄電池及光伏組件，采用4個12V100AH 鉛酸電池，放置于駕駛員座凳之下，廂體上方及兩側(cè)各帖4塊50Wp高性能太陽能電池，電池規(guī)格為：峰值工作電壓18V，峰值工作電流2.75A，長×寬×高=（640×500×3）mm結(jié)構(gòu)膠固定并保證其牢固，系統(tǒng)詳細(xì)結(jié)構(gòu)與電路配置，如圖2所示。

圖2 冷鏈物流三輪車整體電路原理圖Fig.2 Overall Circuit Schematic Diagram of Cold-Chain

圖2中，廂體兩側(cè)及上方三面配備12塊50Wp高性能太陽能電池共600Wp，車體每個單面4塊太陽能電池串聯(lián)后為72V2.75A，使用銅排匯流后（72V8.2A）經(jīng)過充放電控制器（48V15A），結(jié)合文獻(xiàn)［12］新能源汽車用鋰離子動力電池單體選型方法，接入對應(yīng)4個12V100Ah鉛酸電池；4個蓄電池串聯(lián)額定電壓48V，直接接入車輛電機控制器對三輪車電機供電并控制。

制冷系統(tǒng)，利用DC/DC將48V轉(zhuǎn)換為24V，經(jīng)過變頻控制器，接入康普斯所生產(chǎn)的微型直流變頻制冷壓縮機（110W），其型號為QX19T-24，制冷量為（130～455）W，COP（coefficient of perfor‐mance）為（1.2～3.0），制冷溫度為-28℃，安裝于駕駛員座凳之下，并做好通風(fēng)散熱。

冷凝器與蒸發(fā)器，冷凝器采用（350×70×208）mm 配24V5W直流變頻風(fēng)扇，安裝于車架下面；蒸發(fā)器采用（450×70×208）mm，配24V5W直流變頻風(fēng)扇，安裝于廂體內(nèi)壁。根據(jù)廂體內(nèi)溫度變頻調(diào)整直流壓縮機工作時間，以及冷凝器風(fēng)扇、蒸發(fā)器風(fēng)扇的工作電壓。其組成結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 冷鏈物流三輪車制冷系統(tǒng)圖Fig.3 Refrigeration System Diagram of Cold-Chain Logistics Tricycle

3 能源設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 制冷量設(shè)計與實現(xiàn)

廂體密封，整個廂休1.3m3計算，如果廂體空氣溫度要求從35℃降至-10℃，根據(jù)文獻(xiàn)［13］的純電動客車?yán)鋮s系統(tǒng)的能耗優(yōu)化計算辦法，結(jié)合文獻(xiàn)［14］比熱容熱能公式，則：

則需要21Wh制冷量即可，考慮樣品熱損失較大，考慮擴大5倍熱損耗為105Wh計算，如果壓縮機全功率工作，實際采用455W制冷量，即1/4h能將車廂內(nèi)溫度制冷到-10℃。符合農(nóng)民保鮮農(nóng)產(chǎn)品需求。

式中：Q—吸收或放出的熱量，kJ；

c—空氣的比熱容，取1.005kJ（/kg?℃）；

ρ—空氣的密度，1.26kg/m3；

m—空氣的質(zhì)量，kg；

T2—設(shè)計制冷溫度，℃；

T1—初始溫度，℃；

V—車廂體積，m3。

3.2 能源實現(xiàn)與分析

3.2.1 太陽能組件發(fā)電量分析

廂體三側(cè)共600Wp太陽能組件，廂體上面4塊以日平均太陽時數(shù)4h計算［15］，因兩側(cè)受太陽輻射角度較大，兩側(cè)為日平均太陽時數(shù)2h，整體600Wp太陽能電池日發(fā)電功率為1600W。

4個蓄電池總功率為：12×100×4=4800W

則，全部充滿需要約3 天時間，設(shè)計蓄電池DOD（Depth of Discharge）為70%，充滿只需要2.5天。

3.2.2 消耗能源計算分析

如果以全天陰天來考慮，以農(nóng)民每天使用車輛10h計算，其中制冷為10h，以較偏僻農(nóng)村距冷鏈物流50km來算，車輛來回行駛需要3h。則整車綜合使用能耗為：

壓縮機及風(fēng)機使用總功率為：

P壓縮機=110 × 10=1100W

P風(fēng)扇=2 × 5 × 10=100W

P車輛=650 × 3=1950W

則P總=P壓縮機+P風(fēng)扇+P車輛=3150W

從產(chǎn)能與耗能綜合計算，可以不考慮變頻保溫，蓄電池充滿后，完全可以滿足農(nóng)民一天采摘農(nóng)產(chǎn)品的保鮮及運送到冷鏈物流配送點的能耗需求。

如果要滿足從物流中心到用戶配送需求，則需要對廂體保溫溫度進行控制，如設(shè)置起動制冷溫度為-5℃，每次制冷至-10℃停止，以每天配送8h，實際車輛行駛時間以5h計算。則：

式中：Q起動—每次從-5℃制冷到-10℃時所吸收的熱量，同樣考慮擴大5倍熱損耗計算，只需要10Wh的功率即每小時啟動壓縮機工作3次，考慮存在其他因素，全功率455W制冷量，每次啟動1/40h計算，即可達(dá)到保溫效果，則：

保溫后啟動制冷總時間為：T啟動=

配送情況下總消耗功率為：

則P總=P壓縮機+P風(fēng)扇+P車輛=3473W

這里來看，這種配置基本能滿足8h配送需求，當(dāng)然，上述所考慮的是一天不發(fā)電的情況，實際上，太陽能電池組件陰天時也能發(fā)一定的電量，可以滿足配送需求。

4 實際測試

4.1 制冷測試

2019年3月11日海口室外氣溫35℃。廂體空載制冷至-10℃實際需要0.28h，接近理論值0.25h，保溫至-5℃用時0.42h。

裝滿一車廂白菜進行測試，白天室外氣溫35℃，白菜重133kg，采用預(yù)先制冷0.28h的方式。裝滿后車廂內(nèi)溫度為27.5℃，裝滿制冷測試情況，如表1所示。

表1 車廂裝滿后制冷測試情況Tab.1 Refrigeration Test After the Car Is Full

表1可以看出，車廂裝滿白菜需要2.2h才能達(dá)到-10℃制冷要求，溫度下降一半至7℃，只需要0.7h，但從7℃至-10℃用了1.45h?？赡芤驗榘撞诵景帽容^結(jié)實，所含的熱量放熱較慢的原因。廂體保溫時間比空載時少了1/12h。

裝2/3滿車廂白菜進行測試，根據(jù)文獻(xiàn)16中流體力學(xué)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱器分析。汽車保溫廂四面用鋼網(wǎng)留0.05m的空間，白天室外氣溫35℃，白菜重85kg，采用預(yù)先制冷0.28h的方式。裝滿后車廂溫度為27.5℃，裝滿制冷實際測試情況，如表2所示。對比表1、表2可以看出，四周空氣流通且車廂不滿的情況下確實制冷的速度要快很多，0.5h時間就能使車廂達(dá)到9℃，從9℃到-10℃用了1.2h。但是，廂體保溫時間比空載時快了0.25h。

表2 車廂未裝滿且四周空氣流通制冷測試情況Tab.2 Test Condition of the Unfilled Compartment with Air Circulation and Refrigeration

4.2 能量消耗測試

4.2.1 太陽能充電測試

海南5月份，將車放置在空曠空間連續(xù)3個晴天，前測試將每個電池放電至10.5V，使用蓄電池容量測試儀測試，第一天蓄電池電壓12.8V，容量為62%，第二天下午5 點左右蓄電池電壓為13.8V，容量為100%。說明5月份海南陽光充足，2天時間蓄電池可以充滿電。

4.2.2 車輛耗電能測試

同樣在海南5月進行測試，室外氣溫35℃，車廂改造前的重量約為160kg，改造后的重量為230kg，裝滿一車廂白菜加上駕駛員整車約364kg，在海口平路測試，車廂溫度控制在-10℃時，車輛放電不停行駛，睛天太陽能電池邊行駛邊充電的情況下，4個電池維持時間約4.8h；車廂溫度保溫控制在-5℃時，電池維護時間約5.6h；同樣情況下，將車運至農(nóng)村田間、小道測試，因為需要電機全功率做功，4個電池維護時間約3.8h。

4.3 實際與理論比較

車輛不行駛制冷空載時實際測試制冷到-10℃為0.28h，這比理論值多約2min達(dá)到制冷要求；保溫至-5℃為0.42hmin。

廂體留有空間與車廂裝滿的情況下，制冷的速度要明顯加快，但前者保溫效果反而更差了。這里可能是因為白菜在快速制冷后，菜心內(nèi)部的空氣熱交換較慢，盡管外面已經(jīng)到達(dá)-10℃，但內(nèi)部溫度還保持較高，當(dāng)壓縮機不工作，菜心內(nèi)部的溫度還在不停散熱。車廂內(nèi)部空間小時，空氣對流較小，溫度下降較慢，相反，溫度則下降較快。

車輛上路測試情況，與上述“能量設(shè)計與實現(xiàn)中”配送8h總能量3473W 做對比。第一種情況在平路測試運行4.8h，根據(jù)式（1）、式（2），計算結(jié)果要比理論值少了0.2h，同時使用了當(dāng)天的太陽能發(fā)電量，這里估計為800W 左右（半天計算），共計減少約930W。這里因為受測試條件限制，測試過程中駕駛員頻繁的停車與啟動，每次啟動車輛電機都需要（5～7）倍啟動電流，這個過程消耗了大量的電能。第二種情況，同理得減少了約1600W。這是因為田間地頭凹凸不平，阻力大，車輛行駛每一米電機都需要大電流帶動，電能消耗更大。這種現(xiàn)象符合放電率與電池容量關(guān)系規(guī)律。

5 結(jié)論

將普通的貨用電動三輪車改造成太陽能冷鏈小車，能解決廣大農(nóng)村鮮活農(nóng)產(chǎn)品采摘→物流中心→配送到用戶“斷鏈”問題，能有效提高我國冷鏈物流冷藏運輸率，同時很大程度扭轉(zhuǎn)鮮活農(nóng)產(chǎn)品因得不到及時的冷藏而變質(zhì)、干枯，提高了農(nóng)民收入，提高了人的生活品質(zhì)。

通過理論研究與現(xiàn)場測試，小車基本符合市場需要，但要實現(xiàn)完全市場化還必須要做以下幾點：

（1）車廂生產(chǎn)工藝與測試必須根據(jù)國家道路運輸易腐食品與生物制品冷藏車要求及試驗方法、冷藏車類別B類標(biāo)準(zhǔn)來進行。

（2）從試驗結(jié)果來看，裝載果蔬時要注意留有一定的空間，保證廂體內(nèi)部空氣流通，這樣能快速達(dá)到制冷效果。

（3）太陽能車廂，平時工作時必須要保證三面車體能充分接受太陽輻射，才能保證續(xù)航能力。

（4）該車主要耗能是三輪車的電機，在道路行駛過程中，應(yīng)盡量保持勻速行駛，最大限度的降低蓄電池大電流、長時間放電，這樣小車就能延長工作續(xù)航能力。