车载太阳能供电净节省油耗的模拟研究

常用电可行性。首先分析了家用汽车日常用电所需的油耗，当在汽车上安装太阳能设备并用来为用电器供电后，这部分油量就是太阳能发电所节省的油耗。然后计算了汽车太阳能设备加载引起的附加油耗。通过对太阳能设备节省油耗与负载引起的附加油耗进行比较，可定量得出太阳能供电节省的净节省油耗。我们以山西省大同市为例进行了模拟计算，给出了在一天中用电设备使用太阳能发电行驶100km情况下可以节约15.6%的油耗。

【关键词】太阳能电池板 用电设备 油耗

1.前言

随着现代机车技术的不断提升，小型家用汽车配备的用电设备不断增加，比如空调、音响等。用电设备的增加虽然会给乘客提供了更加舒适的乘车环境，但是也无疑增加了汽车的油耗。研发一种绿色能源为汽车供电的设备，能有效降低油耗，将具有较大的经济价值。我国已拥有超过1800万辆汽车的规模 ，对能源的利用更是缓解能源危机的一种有效途径。虽然目前已经提出了很多太阳能汽车的新概念，但是还不能广泛推出完全依靠太阳能的可供家庭普遍使用的汽车 。随着新型太阳能技术的日益成熟，在小型家用汽车中使用太阳能发电取代机械发电为汽车提供电量将是节能减排的一种新选择。同时在机车上安装太阳能电池板可使机车在不工作的情况下也能够开启用电设备。尤其夏季温度越来越高，在汽车上安装太阳能设备不仅可以避免车辆被曝晒，而且还可以利用太阳能节省油量，给人们的日常出行带来方便，也可以在一定程度上保护环境。

目前车载太阳能的使用已在一辆饮料运货车上的到了实验，该货车的用电设备可以利用太阳能发出的电量正常运行，并且每辆汽车每年可以减少排放四吨二氧化碳。该类汽车的进一步发展是生产20万辆新能源环卫车 ，这在一定程度上可以缓解当今的能源危机。但是目前研究的重点考虑太阳能发电效率对节省油耗的影响，一般忽悠了太陽能设备加载引起的油耗。本文对家用汽车油耗随载重的变化进行了方程拟合，同时又给出了一天中太阳能发电节省的油量计算公式，建立了太阳能供汽车日常用电的数学模型，并通过举例分析验证了模型。

2.数学模型

2.1相关变量定义

现在汽车的电能都来源于机械能的转化，其供电系统我们已经熟悉。但在安装太阳能设备后，汽车的供电系统就会与原先的供电系统有所不同 。太阳能工作时可以直接供用电设备工作，也可以将电量储存在蓄电池中。在没有太阳或者太阳能电量不足的情况下，则可以继续使用传统的机械式发电。因此为方便理解，我们给出如下的供电系统结构简图（图1）。

图1 车载太阳能供电系统结构图

在汽车机械能供电和太阳能供电模型当中，需要考虑机车载重、用电量、汽油燃烧效率、转化效率等相关因素，因此为了计算和查看方便，我们给相应的参量进行了系统命名（如表1）：

表1 参量命名

符号说明单位

太阳光照强度W/

太阳能电池的转化效率--

机车载重Kg

一天用电设备总功率W

用电设备在一天中消耗的电能

发电机在一天中所发电量

汽油燃烧效率

发动机转化效率

发电机到蓄电池转化效率

发电机到用电设备的转化效率

蓄电池到用电设备的转化效率

发电机所发电量到蓄电池的加权系数

发电机所发电量到用电设备的加权系数

2.2家用汽车每天平均用电所需的油耗

设家用轿车在一天的行驶中用电设备的工作时间为t（小时），则可用电设备一天中消耗的电能为：

（1）

其中， 是用电设备在一天中消耗的电能， 是汽车用电设备的总功率。家用汽车型号较多，不同型号汽车的用电功率存在一定的差异。同时天气的原因也会影响机车的用电情况。比如，在夏季空调使用率会显著高于其他季节。本文选择了几款经典家庭轿车用电功率的平均值作为 的参考值。

普通汽车所需的电能一般都是通过汽油在发动机内燃烧产生机械能，再由发电机将机械能转换而来的。所以汽车用电需要一定的油耗。假设汽车用电所需的油量为x kg，汽油的燃烧值为q J/kg，则发动机在一天中能够提供给发电机的能量（即汽油燃烧后传递给发电机的能量）为：

（2）

其中 为汽油燃烧效率

由发动机与发电机之间的转化效率为 ，所以推出发电机在一天中所发电量（即发动机传递给发电机的能量） 为：

（3）

发电机发出的电能一部分直接传给用电设备，另一部分先传递给蓄电池再传给用电设备，这两种传递方式的加权系数分别为 、 ，由此得出汽油燃烧在一天中所提供的电能关系式，如下

（4）

相应地，可以得出用电设备多耗的油量（即使用太阳能设备后节省的油量）计算公式为：

（5）

例如：在平常日间家用轿车的用电设备工作的功率约为 =432.6（w） ，设其工作时间为5小时（行驶200公里），那么用电设备在一天中消耗的电能，如下式给出

日间汽车用电设备耗电2.16 ，这些电量所消耗的油量可以通过公式（5）计算。

2.3 车载太阳能电池板发电功率的计算

为了能够满足汽车上用电设备的正常运行，要求选择一定规格的太阳能电池板。目前市场上使用较多的几种太阳电池板类型可以为：单晶硅电池、多晶硅电池、薄膜电池 。对于不同型号的太阳能电池板其规格、重量、转化效率、价格等各不相同，选择合适的太阳能电池板既可以节约资金，又可以减少由于太阳能电池系统的引入消耗的附加油耗。单晶硅电池的转化效率一般在15%-18%之间，多晶硅电池的转化效率一般在14.8%-16.5%之间，而薄膜电池的转化效率一般在3.6%-7%之间 。综合成本和效率，在本文中我们以单晶硅电池板为例。

随着科技的发展，微小型太阳能技术不断提高，可以在汽车的引擎盖表面，车顶表面和后备箱车盖表面上覆盖一层太阳能电池发电。一般家用普通汽车，可以负载太阳能电池板的面积（S）为5平方米左右（比如以2015款福特锐界为例，其引擎盖面积约为1.9 ，车顶和后备箱车盖面积为4.5 。）

根据太阳能随时间变化的单位面积的水平面辐照强度（ ，单位为 ，可随地区差异而变化 ），可以计算得出单位面积太阳能电池上的辐射总功率（P），

（6）

其中 分别表示积分的开始时刻和终止时刻，也就是有效光照时间的起止时间。

由此，可以获得车载太阳能设备每天可接受的太阳能辐射能为：

（7）

现在我们以山西省大同市一天的光照强度随时间的变化 （如图2）来计算太阳能设备在一天中能够发出的电量。其光照强度随时间的变化的关系式通过拟合上图得到：

其中，I表示光照强度随时间的变化，t表示一天中时间的变化。对上式积分得到太阳辐射能：

由车顶可负载S=5 的太阳能电池板，可求出一天中可接受的辐射能约为：

图2 山西大同市一天的水平面总辐射强度（W/ ）

2.4载重增加多消耗的油量

使用太阳能发电需要在汽车上引入太阳能电池板和蓄电池等设备。太阳能发电一方面可以减少油耗（ ），另一方面发电设备的引入会使汽车重量增加（w），从而相应地增加耗油量（ ）。为了明确太阳能设备供汽车日常用电的可行性，我们需要综合比较两者之间的关系。

首先，需要获得汽车重量与油耗之间的关系。图3给出了三种普通车型在平稳行驶情况下，汽车重量与百公里油耗的关系 。

图3 不同车型载重与油耗的关系

从上图我们可以知道，随着汽车载重（m）的增加，油耗（x）也随着相应地增加。我们可以获得相应车型的车重与百公里油耗之间的一般统计关系，

比如，以C型车为例，根据该车型的车载与油耗之间的关系式可以得到汽车每天平均行驶s公里时太阳能设备引起的油耗增加量为：

（8）

以转化效率为16%的单晶硅太阳能板作为例。设其重量为 kg，相应地控制器重量为 kg，蓄电池重量为 kg。可以得到车载太陽能设备增加的质量为 ， 表示其它相关零部件增加的质量（为修正项）。对于目前较为普遍使用的汽车质量分布在1000kg-2000kg的范围，太阳能设备的引入对汽车多增加的耗油量与行驶s千米的关系已由公式（8）给出，即：

现在我们代入数据进行计算， 根据统计家用轿车一天的平均路程一般为：100km左右，统计5㎡太阳能电池板、蓄电池、逆变器等重量之和约为120kg则可以计算出车载太阳能板行驶一天多耗得油量为：

但对于市内行驶的车辆由于交通的影响，每多载100kg重量，会多消耗0.4L/100km的油量，因此在市区中油量消耗会更多。

2.5净节油量的计算

太阳能发电节省的油量等于太阳能发电对应的油量减去太阳能设备引起的耗油量，也就是 。根据两者的差值，可以判断在汽车上使用太阳能发电供用电设备工作的可行性。

对一天中太阳能转化为电能而节省的油量进行计算。我们选择的车顶太阳能电池板面积为5㎡，地区有效太阳光照时间为7 h，单晶硅电池板的转化效率为18%，在控制器的转化效率上一般为95%左右 ，因此可以算的一天中太阳能转化得到的电能为：

P为一天中单位面积太阳辐射能， S为太阳能板面积，η为单晶硅的转化效率。此部分电能对应的油耗可以通过公式（5）计算出来，由于发电机产生的电能转化给用电设备和蓄电池的效率都很高，所以计算将发电机产生的电能视作全部供应给用电设备，即视作 。其中，q为汽油的燃烧值大约为4.4～4.8×10^7J/kg，1 约为3.6×10^6J能量，那么可以计算出11.23 的焦耳热约为11.23 3.6×10^6J，汽油的燃烧效率 约为20%-30%，发动机到发电机的转化效率 约为80% 。因此若太阳能设备一天中产生的电能2.5 完全被利用，则此部分电能相当于 =0.98 kg的汽油，换算成体积则约为1.35L汽油。一天中汽车行驶100km会因太阳能设备自身重量耗油0.37L，因此一天中在平直公路上以稳定速度行驶100km可以节省的油量为1L汽油。汽车行驶100km情况下燃油约6.4L ，节省油量1L，因此节油约15.6%。

根据本次研究的结果，在每辆汽车一天中行驶100km可以节约1L（15.6%）的油量情况下，全国1800多万辆家用轿车如果都可以加载太阳能设备，则有望每天节省1800万升的汽油。同时，随着科技的日益发展，高功率轻重量的新型太阳能电池和新型蓄电池的会不断出现，车载太阳能发电为电网供电也会成为可能，如此车载太阳能发电的经济效益还是很可观的。

3.结语

普通汽车在日常使用中会因用电器的工作而增加油耗量，所以可以根据汽车用电设备的使用情况，选择一定面积的太阳能电池板取代机械能发电，同时太阳能设备的重量增加会使汽车耗油增加。因此使用太阳能设备节省的油量和多消耗的油量差是使用太阳能取代机械能发电可行性的标志。使用我们建立的模型，以汽车每天行驶100公里为例，我们计算得出使用太阳能能节省约15.6%的燃油量。因此，可以得出在机车上安装太阳能电池板取代机械能发电是可行性的。

参考文献：

[1]卢峰.中国汽车市场点爆式增长规律研究[D].南京：南京航空航天大学，2011年.

[2] 周军超，樊伟，周小培.太阳能汽车的研究与应用[J].中国科技信息，2010（1）：1-2.

[3] 章勇.太阳能汽车空调：实用适用的应用科技创新[J].中国科技财富2011（11）：1-2.

[4] 唐征岐，虞辉.太阳能光伏电源系统应用技术[J].上海电力2008（2）：1-2.

[5]张明森.汽车的电量平衡计算[J].汽车电器，2010（10）：3-6.

[6] 冯逸，陈礼，杜爱民.太阳能汽车发展现状及其实用对策研究[J].上海汽车，2006（12）：1-2.

[7] 王远.太阳能电池及其应用技术研究[D].武汉：华中科技大学.2006.

[8] 中国工业与应用数学协会.2012高教社杯全国大学生数学建模B题附件3、5[R] .

[9] 凌建群.载重车油耗计算方法及分析[J].采油机设计与制造.2006（1）14卷：2-4.

[10]刘涛.基于INC算法的太阳能控制器分析与测试[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学2009：31-32.

[11] 李伟.42V汽车用永磁发电机设计与研究[M].合肥：合肥工业大学，2013.

[12] 项乔君.城市交通系统汽车燃油消耗研究[D].南京：东南大学，2000.

作者简介：徐双雷（1990—），男，汉，安徽人，阜阳师范学院物理与电子工程学院学生，主持大学生科研立项；张开银，男，博士，副教授。主要研究方向：光电子技术，材料物理学。

基金项目：阜阳师范学院大学生创新训练项目（FS201310371087），安徽省省级质量工程项目（2013jyxm136，2014zy047）

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