一种新型的太阳能车内空气预冷系统

【摘要】提出了以太阳能进行车内空气预冷的系统为研究对象，进行了车内空气冷负荷的计算。以压缩机并联的方式构建了一种新的制冷剂循环系统，并对制冷系统的关键部件进行了匹配设计。

【关键词】太阳能；预冷系统；匹配设计

汽车空调能创造舒适的车内环境，对于汽车来说是很重要的。但是由于我国汽车数量的快速增长，汽车停车位一直处于一种紧缺的状态。在炎热的夏天，很多汽车露天停靠处于太阳的暴晒下，当车主打开车门，一股热流扑面而来，车内温度往往超过50℃，启动汽车空调后车内温度需要一段时间才能降下来。随着汽油价格的节节攀升，离开汽车后不停汽车发动机是非常不经济的，也是不现实的。本文提出一种太阳能车内空气预冷系统，该系统可在乘员进入汽车前5-10分钟时通过遥控器开启，使车内空气达到人体舒适的温度。

1.车内空气冷负荷计算

本汽车空气预冷系统设计参考的车型为丰田普锐斯，车型数据如下：

长×宽×高(mm)4855×1780×1480，玻璃面积F=3.29105m2；前挡风玻璃面积F=1.1835m2；车两侧玻璃面积F=1.304m2；后挡风玻璃面积F=0.80385m2；车顶面积F=1.95m2；车底面积F=7m2；车两侧面积（不包括玻璃）F=2.8m2。

设计工况：车外温度35℃，车内温度29℃。利用冷负荷系数法[1,2,3]，计算得出参考车型车内冷负荷如表1所示。

从表1可知，车头向北的传热量是最小的。而广州12点的传热量为1713.1w，在其他时间、地点的传热量均小于此，为方便计算，总热负荷取整数，总热负荷取1700w是比较合适的。

2.车内空气预冷系统组成与工作原理

车内空气预冷系统组成如图1所示，由太阳能电池板收集能量，储存在蓄电池中，作为本文空气预冷系统的全部动力来源。采用压缩机并联的方法，利用双位三通电磁阀将本文电动压缩机与汽车原有制冷系统中的压缩机并联。冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀、风机均采用原有制冷系统部件。

工作原理：当乘员进入汽车之前，通过空调开启控制器启动预冷系统，汽车原有制冷系统中的压缩机不工作，这时，电动压缩机与汽车原有制冷系统其他部件一起，构成完整的制冷循环系统，可短时间使车内达到使人体舒适的温度。

图1标示：

1-汽车空调系统原有压缩机 2-电动压缩机 3-逆变控制器 4-蓄电池 5-太阳能板6-平行流冷凝器 7-轴流风机 8-热力膨胀阀 9-离心风机 10-平行流蒸发器 11-三通阀

本文采用压缩机并联方法，利用汽车原有制冷系统中除压缩机以外的所有部件，可以降低加装成本和减少车内空间的占用，有利于本系统的商业应用。

根据Sekurit公司太阳能板的产品介绍，20组100mm×100mm单晶硅电太阳电池在完全曝晒时可产生25W的电能。在本车型的车顶全部安装太阳能板，可以安装9×20组，在太阳曝晒下大约能产生225w的电能。将产生的电能储存在蓄电池中，若短时间内全部使用，可以带动空气预冷系统。例如，将1小时储蓄的太阳能产生的电能在10分钟内使用掉，理论上可以带动耗功1350w的电器。考虑到逆变器损失和蓄电量稳定性，认为带动耗功1100w的电器是可行的。

本文采用压缩机并联方法，利用汽车原有制冷系统中除压缩机以外的所有部件，可以降低加装成本和减少车内空间的占用，有利于本系统的商业应用。

3.热力计算及关键部件的选配

工质：R134a工况：tk=64℃；过冷度5℃；t0=1℃；过热度10℃。压缩机转速n=1800r/min，制冷循环的p-h图如图2及表2所示：

以下是表2内容注解：

单位质量制冷量：q0=h0-h4=112.03KJ/kg

单位容积制冷量：qv=q0/v1=1569.0KJ/kg

单位指示功：wi=h2-h1=53.645KJ/kg

单位冷凝热：qk=h2-h4=178.59KJ/kg

制冷剂质量流量：qm=Q0/q0=0.01517kg/s

压缩机理论排量：qh=qmv1/λ=0.001274

m3/s；λ取0.85

制冷系数：εi=q0/wi=2.088

卡洛循环制冷系数：εc=T0/(T4-T0)

热力完善度：η=εi/εc=0.442

压缩机功率N=Q0/εi=814.2w，取850w。

4.太阳能动力系统

太阳能动力系统由太阳能蓄电池组、太阳能板、逆变控制器组成。其中太阳能蓄电池组由4个12V12A的太阳能蓄电池串联而成，可储存0.576kwh的电能。实验的预冷系统的功率为1089w，1小时储蓄的电能可用10分钟，蓄电池蓄满电能后，预冷系统可工作30余分钟。

随着石油等化石燃料的急剧消耗，环境污染等问题越来越受人们关注，对于清洁能源的呼声也越来越大。太阳能就是一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，在家电领域已有相当应用，然而受制于面积和高昂的陈本，在汽车领域的应用还有限。

提出收集电能再集中使用，为太阳能在汽车上的应用提供了新的方法。在车顶全部铺上太阳能板，储蓄的能量是很可观的。众所周知，汽车处于太阳曝晒下时汽车空调的冷负荷最大，当车顶铺满太阳能板后，可以有效地减少从车顶传入的太阳辐射热，并且太阳越酷烈，产生的电能越多。

应用人工智能控制系统，使车内环境更符合人体舒适度的要求，进一步提高舒适性，是此系统的研究方向，随着太阳能电池效率的提高及其成本的不断降低，该系统的成本也会降低而效率提高，使商业应用成为可能。另该系统应用于电动汽车上可有效增加其行驶里程和提供舒适车内环境。

5.结束语

1）本文采用车顶铺设太阳能板，有效降低了通过车顶传入车内的太阳能辐射热，降低车内冷负荷峰值。

2）预冷系统采用压缩机并联的方法，可节省车内空间并降低加装成本。

3）车顶的太阳能板可提供225w的电量，储存于蓄电池中，在曝晒数小时后，可驱动空气预冷系统工作，短时间可使车内达到人体舒适温度要求。

4）本太阳能车内空气预冷系统具有良好的应用前景。

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