CN104742693A - 一种冬夏两用型车载太阳能利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冬夏两用型车载太阳能利用装置，包括太阳能收集单元，以及与太阳能收集单元连接用于储存电能的蓄电池组件，还包括：对汽车进行供冷的制冷单元；对汽车发动机冷却液进行温度控制的加热单元；所述蓄电池组件对所述制冷单元和加热单元同时供电。与现有技术相比，本发明利用太阳能发电板将太阳能转化为电能并收集在蓄电池中。夏天时，利用蓄电池所储存的电量驱动一个压缩式制冷***实现汽车内部舒适的环境。冬天时，利用蓄电池所储存的电量维持发动机的冷却液在一定的温度范围内。该装置很好的利用了太阳能和汽车运行过程中的废热，解决了夏天空调耗能冬天汽车电池容量小，启动困难的问题，具有非常好的应用前景。

Description

一种冬夏两用型车载太阳能利用装置

技术领域

本发明涉及一种车载装置，具体是涉及一种冬夏两用型车载太阳能利用装置。

背景技术

随着我国经济的快速发展，人们的生活水平日益提高，汽车已经成为人们出行不可或缺的工具，目前我国的汽车保有量和年均生产量均居世界前列。汽车运行的动力是由汽车的发动机提供的，而汽车发动机的工作需要燃油的燃烧。汽车发动机按照燃油的不同，可以分为柴油发动机，汽油发动机，电动汽车发动机以及混合动力发动机等。作为汽车的心脏部位，汽车发动机对汽车整体的动力性、经济型和环保型具有非常大的影响，因此提高发动机的性能对于促进汽车产业的发展具有非常重要的意义。就目前的技术水平而言，汽车发动机的输出动力只占燃油总热值的30％～42％(柴油机)或25％～40％(汽油机)，也就是说大部分的燃油所产生的能量被浪费，只有小部分的被利用起来。其余能量均作为汽车尾气排放、发动机工作过程中的发热等方式散失在周围环境中。汽车的尾气的温度一般都远高于环境的温度，比如汽油机的排气温度高达400℃～550℃，柴油机的排气温度高达300℃～400℃。一方面，由于燃油的利用率较低，而燃油的来源多为石油化工产业，该产业所利用的能源为不可再生能源，据世界能源会议统计，世界已探明的石油储量只够开采30～40年，因此汽车的广泛应用会加剧当前的能源危机，从而威胁到经济社会的可持续发展。另一方面，由于汽车燃油的燃烧过程会产生废气，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等。汽车尾气除了是大型城市PM2.5的主要来源之一外，还是很多城市大气污染的罪魁祸首之一，光化学烟雾就是其主要影响之一。因此，加强对汽车尾气废热的利用的同时利用可持续能源对汽车行业乃至于经济社会的可持续发展具有非常重要的意义。

国内外对于汽车废热的利用具有较高的积极性，汽车废热的利用除与其他废热相同的特点之外，还具有自己的独特之处。这些特点主要有：1)汽车废热的利用装置要抗震动，抗冲击，能够适应汽车的不同工作环境。汽车的工作情况随着路面状况，交通状况等的变化而变化，汽车上的装置会随着汽车的晃动转动而运动，因此汽车的废热利用装置在摇晃工况下应该也能很好的工作。2)汽车废热的利用装置要结构简单，体积小，效率高，在汽车车体上易安装。目前汽车技术已经发展相对成熟，汽车的功能也越来越完善，汽车的部件也越来越多，为了保持汽车部件的紧凑型，汽车废热的利用部件应简单，可靠，体较小，并在汽车车体上便于安装与维修。3)能够间歇性的利用发动机的尾气废热等特点。汽车尾气的排放量与汽车的运行状态有关，汽车速度较慢或耗能装置少时尾气排放量少，而速度较快耗能装置多时排放尾气量多，而当汽车停止时，没有尾气的排放。因此汽车废热的利用具有典型的间歇性和波动性的特点。利用装置必须适应这种工况。4)不能够影响发动机的工作性能，不增加汽车发动机的功耗。汽车废热的利用装置主要是收集汽车的废热，因此不能因此引入该装置造成更大的发动机能耗。

目前对于汽车废热的利用方法主要有：1)涡轮增压技术。废气的涡轮增压技术是借助废气中的部分能量来提高汽车发动机的进气压力，进而增加充气量，以改善汽车发动机的动力性能和经济性。废气涡轮增压技术是当前废气利用较为广泛的一种途径，在商业领域也有一定的市场。但是此类方法只能利用尾气中的部分能量，且一般适用于大型的柴油动力的发动机中。2)利用废热驱动空调***等。该部分的应用可以分为驱动吸收式制冷，驱动吸附式制冷，驱动喷射制冷三种形式。吸收式制冷由于需要蒸发器，发生器等罐体，其适用场合受到很大的限制。吸附式***结构简单，造价低，但吸附式***的COP不高，单位质量的制冷量小。而汽车空调需要体积小，性能可靠，操作方便，因此其适用场合也受到一定的限制。喷射式制冷***除了循环泵以外没有其他的运动部件，而且***中的工作蒸汽和制冷剂是一种工质，其结构简单，耗能少，但是这种装置的噪音较大，影响汽车的舒适性。3)利用废热发电。半导体发电主要是指利用热电效应进行发电。随着半导体材料和加工工艺的进步，热转化为电的效率越来越高，使得利用半导体温差发电在汽车发动机上有了可能。温差发电装置的利用使得汽车排气温度降低，有助于降低汽车发动机的噪音。同时半导体发电没有运动部件，属于静态的能量转化装置。但是其效率还有待于进一步的提高。4)利用汽车废热供暖。余热式暖气装置利用汽车发动机工作过程中所产生的废气的热量直接给车厢内的空气加热，以实现供暖的装置。该类装置的优点在于不需要在汽车上增加热源，又不增加发动机本身的热量消耗。供暖的成本较低，***的经济型好，使用也较为方便。但是由于供暖的热量主要来自于汽车的尾气，因此其性能受到汽车发动机工作状况的制约，且只有在冬天的时候才能够利用汽车的废热，其余的时候则并没有实现很好的利用。另外，利用供暖装置时，换热装置增大了发动机的排气背压，在一定程度上会影响发动机的工作性能。

从以上的内容中可以看出，汽车尾气中的废热并没有得到很好的利用，而汽车在冬天时由于温度太低而出现“冷启动”的问题对汽车的使用体验和使用寿命都会产生很大的影响。汽车的冷启动问题是指当外界环境的温度很低时，比如在北方的冬天，由于发动机的冷却液的温度较低，汽车启动较为困难。由于此时的油还不能很好的润滑发动机部件，特别是曲轴和曲轴瓦，因此此时启动会缩短发动机的使用寿命。虽然目前很多车辆已经携带汽车发动机的低温保护***，通过限制变速器的传动比和发动机的功率输出来避免机体受到较多的损伤，随着机体的温度的上升保护限制将自动解除。但是这是牺牲汽车其他模块为基础的程序。与此同时，蓄电池作为汽车中必不可少的一个部件，为汽车的启动和其他用电设备提供电力支持。其性能受到温度的影响很大，一般汽车蓄电池所标的容量是指在25℃时的容量，当环境温度降低时，其电池的容量就会相应的减小。当环境温度较低时，蓄电池内的溶液不扩散，两级活性物质的化学反应的速率也会变慢。电解的阻抗增加，电瓶电压下降。因此在环境温度较低时，其电池的容量会出现明显的下降。解决好冬天时的电池容量和发动机的冷启动问题对于提高汽车的寿命和改善驾车体具有非常重要的意义。

降低汽车对化石燃料的依赖性和提高对汽车废热的利用效率是提高汽车节能特性最有效的措施。作为一种可持续的能源，太阳能在汽车行业中具有非常好的应用前景，近年来也受到国内外的广泛关注。由于太阳能来源于太阳内部的核辐射，因此其具有无污染、可再生，无需运输，取之不尽，用之不竭等优点，受区域资源限制少，安装方便，随用随取。资料表明照射在地球上的太阳能能源非常的巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，若能全部有效的利用，足以供全球人类一年的能量消耗量。目前对于太阳能的利用主要是通过光电转换和光热转化。光热转换主要是指通过物质之间的相互作用将太阳能转换为热能加以利用，比如太阳能热水器，太阳能干燥器，太阳能蒸馏器等。光电转换主要有两种方式，一种是“光电”转换，主要是利用光电二极管的电路将太阳能转换为电能，另一种是“光-热-电”转化，将太阳能转化为热驱动发电装置进行发电。典型的应用如太阳能电池，太阳能杀虫灯等。我国蕴藏着丰富的太阳能资源，据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×10¹⁸kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ/cm²·a，中值为586kJ/cm²·a。目前，中国太阳能产业规模居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏生产国，太阳能利用前景极为广阔。

经调查发现，已有专利文献尝试将汽车废热中的能量回收并且将太阳能利用于车载***中。对于汽车废热的回收专利文献有：公开号为CN103982280A的专利文献提出了一种汽车尾气预热的回收装置，利用热光伏技术，将汽车尾气中的能量用于发电和对车厢内部供暖，但是由于目前半导体发电的效率较低，该装置对汽车尾气废热的回收效率还较低。公开号为CN103884128A的专利文献提出了一种利用汽车废热驱动的吸附及压缩混合制冷空调***，该装置包括压缩机，蒸发器，冷凝器，节流阀，吸附床，循环水泵，集水器，热电模块等。该装置虽然能够很好的利用汽车尾气中的废热，但是装置过于复杂，同时由于***中存在着集水器等液体容器，当汽车的运行状况不稳定时***的可靠性较低。对于太阳能的利用的专利文献有：公开号为CN104085363A的专利文献提出将太阳能收集起来对汽车上的电路元件如车灯等进行供电，该专利文献通过引入太阳能降低了汽车对燃油发电的需求，在一定程度上增加了汽车的节能特性，但是太阳能的利用率低，且没有针对性的解决汽车的冷启动问题。公告号为CN203730199U的专利文献提出了一种汽车的预热装置，将太阳能储存在蓄电池中，利用蓄电池对液体容器中的液体进行加热，利用高温的液体对汽车的冷却液进行预热，以改善汽车的冷启动问题。该专利文献能够很好的实现汽车冷却液的预热，但是装置的传热需要加热棒对液体，液体对冷却液的两次传热过程，增加了传热过程中的损耗。同时，该装置完全依靠太阳能的能量来维持汽车冷却液的温度，并没有利用到汽车尾气中的能量。另外，太阳能的利用率较低，只有在冬天时才会利用起来。而在夏天太阳能更富足的时候没有加以利用。

发明内容

现有技术中汽车的自带蓄电池在冬天时容量明显变小造成汽车的启动困难，同时汽车燃料的能源存在很大的浪费现象。为了解决汽车冷启动的问题，并提高汽车的能源利用效率，本发明提出了一种基于太阳能的冬夏两用型车载太阳能利用装置，该装置在夏天时能够通过太阳能为车厢内提供冷环境，在冬天时通过蓄电池的加热能够有效的避免汽车冷启动的问题。

一种冬夏两用型车载太阳能利用装置，包括太阳能收集单元，以及与太阳能收集单元连接用于储存电能的蓄电池组件，还包括：

对汽车进行供冷的制冷单元；

对汽车发动机冷却液进行温度控制的加热单元；

所述蓄电池组件对所述制冷单元和加热单元同时供电。

作为优选，所述冬夏两用型车载太阳能利用装置还包括：

包围在所述蓄电池组件外部的壳体，该壳体与蓄电池组件之间形成密封的腔体；

充注在所述腔体内的储热材料；

设置在储热材料中的换热管，该换热管具有伸出所述壳体的出口和入口。

通过储热材料和换热管，可将蓄电池组件温度维持在适当的温度，保证蓄电池组件的整体性能。

作为进一步优选，所述换热管为绕蓄电池组件周向布置的蛇形换热管。采用蛇形换热管可进一步提高对腔体内储热材料的换热效率，保证蓄电池组件的整体温度均衡性。蛇形换热管的管径大小和管间距可根据应用实例调整。

为了减少电池与周围环境之间的换热量，作为优选，所述壳体为夹层结构的真空壳体。采用该技术方案，在蓄电池的周围布置真空隔层，该该层能够将主要的换热方式由热对流变为热辐射，从而大大降低电池与环境之间的传热量。

作为优选，所述太阳能收集单元包括用于将太阳能转换为电能的太阳能发电板；所述太阳能发电板通过带有二极管和控制开关的单向电路与所述蓄电池组件的充电接口相连。

作为优选，所述太阳能发电板布置在汽车的车顶玻璃、侧面玻璃上，当该装置应用于卡车上时，可以布置在卡车车厢的顶部、侧面上。太阳能发电板的内部布置有光电转换阵列。

作为优选，所述太阳能收集单元还包括连接于太阳能发电板与蓄电池组件之间，并与所述二极管和控制开关并联的太阳能工作指示灯。作为优选方案，所述的控制开关、太阳能工作指示灯均可布置于驾驶室内，当太阳能发电电路接通时，太阳能工作指示灯亮。同时为了增加太阳能发电装置应用时的方便性，该控制开关可通过遥控器进行控制，控制距离不小于50m。

作为优选，本装置中所用的蓄电池为铅酸充电电池，镍氢充电电池、锂离子电池或者镍镉充电电池。电池的使用寿命不少于2年。其电容量在0℃时不低于标准容量的90％。

作为优选，所述制冷单元包括为压缩式制冷***，压缩式制冷***内压缩机受所述蓄电池组件供电。压缩式制冷***一般包括依次连接且形成闭合回路的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成。此处的制冷***也可以利用汽车已有的由发动机直接驱动的制冷***，在汽车发动机不工作而需要实现制冷效果时，通过控制电路接通蓄电池驱动电路。

作为优选，所述蓄电池组件放电接头与制冷单元之间的电路上设有电容器，实现滤波。所述电容器可为瓷介电容、涤纶电容、电解电容、钽电容中的一种。同时为了增强蓄电池输出的电能的应用灵活性，可在蓄电池组件放电接头与制冷单元之间的电路上设置匹配电路；匹配电路的输出可以进行调节，其电压输出与压缩机的工作电压相同。

为了使得该蓄电池驱动的压缩式空调***能够很好的与汽车发动机启动的空调***很好的耦合，作为优选，在驱动电路上布置了控制开关，该开关能够在蓄电池温度过高、蓄电池放电完全等场合下断开蓄电池驱动电路，该控制开关能够通过遥控器进行控制。

作为优选，本发明中蓄电池组件可设置有一个或多个充电接头、放电接头。充电接头用于接收太阳能发电板所转化的电能。其中至少一个放电接头用于夏天工况，经过匹配电路调整以后，驱动一套压缩式制冷***。该压缩式制冷***由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成。其中蒸发器和冷凝器采用风冷换热，其形式可为管壳式换热器，平行流式换热器等。压缩式***的所用工质可为R34a，R161等环保制冷剂以及混和制冷剂。

由于在夏天工况时，蓄电池组件在驱动压缩式空调***时，会产生一定的热量，该热量会影响到蓄电池组件的正常工作，因此作为优选方案，还包括将汽车车厢内的空气(一般为冷空气)输送至所述换热管的第一支路；夏天时，通过第一支路向蛇形换热管道中通入车厢内部的冷空气对其进行降温，其在工作过程中的热量散失也会通过储热材料的相变潜热来收集，以避免其温度的升高。

为保证冬季时汽车发动机能够征程启动，作为优选，所述加热单元包括：

受所述蓄电池组件供电的加热棒；

设置在加热棒供电电路中的电磁阀；

对所述发动机冷却液进行温度检测的数据采集仪器；

对数据采集仪器采集数据进行处理的数据处理器；

接收数据处理器信号并对所述电磁阀进行控制的PLC控制器。

本发明中蓄电池组件的另外一个放电接头用于冬天工况，太阳能在冬天的利用方式主要是对汽车发动机的冷却液进行加热。通过放电接口对加热棒进行加热，加热棒布置与汽车发动机的冷却液中。温度采集仪器每隔一定的时间采集一次发动机冷却液的温度，例如，当发动机冷却液的温度低于0℃时，通过PLC控制器开启加热棒供电电路中的电磁阀，接通加热棒电路对其进行加热，以提高其温度。当温度采集仪器采集到的温度点高于20℃时，控制并断开电磁阀，停止对其进行加热。如此往复，以保证发动机冷却液的温度不低于0℃。

由于在冬天工况时，蓄电池组件由于环境温度较低，其电容量明显下降，为了保证电池的容量，在电池周围布置有储热材料，并在储热材料中预埋有蛇形的换热管道。作为优选，本发明还包括将发动机的高温尾气输送到换热管内的第二支路。当汽车正常运行时，发动机的高温尾气通过第二支路被引入到蛇形换热管道中，其热量被储存在储热材料中。当储热材料的温度超过工作温度时，将第二支路的阀门关闭。通过储热材料所储存的热量保证蓄电池在一定的时间内均温度不低于0℃。

为实现自动控制，作为优选，本发明包括：

将汽车车厢内空气输送至换热管内的第一支路；

将发动机的高温尾气输送至换热管内的第二支路；

传感器，用于检测发动机冷却液温度的温度，并将该温度信号传输个PLC控制器；

所述PLC控制器根据接收的温度信号，控制所述第一支路和第二支路的导通和关闭。

通过上述技术方案，可在不同季节实现对换热管内流体的控制，实现能量的充分回收。

作为优选，所述的储热材料可为脂肪酸类相变材料，盐类相变材料，石蜡基复合相变材料或糖类相变材料，其工作温度范围为0℃～30℃。其相变潜热不低于80kJ/kg.

本发明所提出的一种冬夏两用的车载太阳能利用装置的工作原理为：在夏天时，通过装在汽车顶部玻璃或车厢上的太阳能发电板，将太阳能转变为电能，并储存在蓄电池中。蓄电池通过放电接口和电力调节电路与一压缩式制冷***相连。制冷工质(如R134a)在压缩机的作用下经过冷凝器的冷凝，节流阀的节流降压，蒸发器中的蒸发吸热过程，将车厢内的空气的温度降，增加了车厢内的舒适性。同时，考虑到电池工作时的发热作用，本发明还通过一个管道将车厢内部的冷空气引入到蛇形换热管道中对电池进行降温。冬天时，利用储存在蓄电池内部的电能对加热棒进行加热，以提高发动机冷却液的温度。同时当温度采集装置采集到的发动机冷却液的温度超过一定值时，通过PLC电路断开电磁阀。当发动机的冷却液温度低于另一设定值时，阀门再次接通电路，对加热棒进行加热。

从以上的工作原理中可以看出，本发明所提出的一种冬夏两用的车载太阳能利用装置具有以下明显的优势：

1)保证了该装置蓄电池的可靠性工作。目前汽车的蓄电池所面临的问题主要有两个方面：夏天时，电池自身的发热量不能够很好的散失出去，导致电池的性能下降。冬天时，由于电池内部的温度较低，蓄电池内的溶液不扩散，两级活性物质的化学反应的速率也会变慢，电解的阻抗增加，蓄电池所能够储存的电荷量明显降低。本发明提出了一种冬夏两用的车载太阳能利用装置，为了保证该装置在夏天和冬天时能够正常的工作，分别针对夏天工况和冬天工况下电池面临的问题采取了有效措施。在夏天工况下，为了降低蓄电池自身的温度，利用预埋在相变材料中的蛇形换热管道，将车厢内部的冷空气引入到换热管道中，以带走电池的发热量。同时，周围布置的相变材料也能够储存电池的发热量，当蓄电池停止工作以后，冷空气仍然接通换热管道，以把储存在相变材料中的热量带走，因此夏天工况下该装置中的蓄电池能够正常的工作。在冬天工况下，利用预埋在相变材料中的蛇形换热管道，将发动机所排出的高温的尾气引入到换热管道中，利用尾气的热量对电池进行保温。并将一部分的热量储存在相变材料中，当汽车停止运行后，利用相变材料所储存的热量来继续维持电池的温度。综上所述，由于本发明对蓄电池***的结构进行了独特的设计，因此能够在夏天和冬天时保证电池的可靠工作。

2)夏天时能够很好的利用太阳能，降低了汽车的能耗和尾气的排放。目前市场上，部分汽车空调的压缩机是直接通过汽车发动机驱动的，因此当汽车空调工作时，汽车发动机的输出功率变大，增加了耗油量的同时也会增加汽车的尾气排放量。本发明所提出的一种冬夏两用的车载太阳能利用装置，通过光电转换装置利用太阳能的能量来驱动一套压缩式制冷***，在一定的时间内对车厢内部的空气进行降温。因此本发明的利用能够在一定程度上减少汽车对燃料的需求，且在汽车发动机不工作时也能够实现车厢内空气的降温，长期使用对环境保护也具有非常重要的意义。

3)冬天工况时，有效的避免了汽车冷启动的问题。冬天时，冷启动会对汽车的使用寿命产生很大的影响，甚至会造成汽车传动部件的损伤。本发明所提出的一种冬夏两用的车载太阳能利用装置，通过光电转换装置利用太阳能的能量来加热加热棒，该加热棒布置于汽车发动机的冷却液中，当汽车冷却液的温度低于0℃时，接通加热棒加热电路，给汽车冷却液加热。当汽车冷却液的温度高于30℃时停止加热，整个模块的作用为维持汽车冷却液的温度在0℃～30℃之间。由此可见，本发明的设计方案能够有效的避免汽车的冷启动问题。

与现有技术相比，本发明的冬夏两用型车载太阳能利用装置，该装置利用太阳能发电板将太阳能转化为电能并收集在蓄电池中。夏天时，利用蓄电池所储存的电量驱动一个压缩式制冷***实现汽车内部舒适的环境。同时，利用汽车内部的冷空气对电池进行冷却，以保证电池的正常工作。冬天时，利用蓄电池所储存的电量对发动机的冷却液进行加热，并维持发动机的冷却液在一定的温度范围内。该装置很好的利用了太阳能和汽车运行过程中的废热，解决了夏天空调耗能冬天汽车电池容量小，启动困难的问题，具有非常好的应用前景。

附图说明

图1本发明的冬夏两用的车载太阳能利用装置的结构示意图；

图2本发明的冬夏两用的车载太阳能利用装置夏天工况示意图；

图3本发明的冬夏两用的车载太阳能利用装置冬天工况示意图；

图4本发明的冬夏两用的车载太阳能利用装置中蓄电池的中蛇形管道的布置示意图。

上述附图中：

1、太阳能发电板，2、二极管，3、控制开关，4、太阳能工作指示灯，5、蓄电池充电接口，6、蓄电池，7、25、蓄电池放电接口，8、电磁阀，8’、车厢冷空气入口，8”、汽车高温尾气入口，9、蛇形换热管道，10、储热材料，11、真空壳体，12、电容器，13、控制开关，14、匹配电路，15、压缩机，16、冷凝器，17、节流阀，18、蒸发器，19、遥控器，20、电磁阀，21、PLC控制器，22、数据处理器，23、数据采集仪器，24、发动机冷却液，26、加热棒。

具体实施方式

如附图1所示，本发明提出了一种冬夏两用型车载太阳能利用装置，该装置由太阳能发电板1，二极管2，控制开关3，太阳能工作指示灯4，蓄电池充电接口5，蓄电池6，蓄电池放电接口7和放电接口25，电磁阀8，蛇形换热管道9，储热材料10，真空壳体11，电容器12，控制开关13，匹配电路14，压缩机15，冷凝器16，节流阀17，蒸发器18，遥控器19，电磁阀20，PLC控制器21，数据处理器22，数据采集仪器23，发动机冷却液24，加热棒26组成。

其中太阳能发电板1布置于车体的挡风玻璃或车顶玻璃上，其内部有太阳能光电转换阵列，用于将太阳能转换为电能。为了便于驾驶员对***的控制，控制开关3、工作指示灯4均布置于驾驶室内，其中控制开关3可以通过手动控制和遥控器18远程控制通断。蓄电池6周围布置有真空壳体11围成的腔体，腔体内盛放有由相变材料组成的储热材料10，并在腔体中预埋设蛇形换热管道9，该管道内在夏天时用于引入车厢内部的低温空气，而在冬天时则引入汽车所排放的高温的尾气。在相变材料的外部，还布置有真空壳体11。

该装置共有两种工作模式，在夏天工作模式下：蓄电池6通过放电接口7放电后经过匹配电路14后与压缩式制冷***相连，该***由压缩机15，冷凝器16，节流阀17和蒸发器18组成。该制冷***所采用的工质为R134a，R161或者混合制冷剂。此处的匹配电路主要是为了匹配蓄电池6的输出特性和压缩机15的输入要求。其功能主要包括电压的匹配，电流的匹配，频率的匹配等。当压缩机15自身没有控制和保护装置时，该匹配电路中也应包括压缩机继电器以检测三相电的波动，特别是在压缩机15启动阶段中的三相电压，可采用现有的产品。

在而冬天工作模式下，蓄电池6通过放电接口25对加热棒26加热。同时，发动机冷却液24的温度也通过温度采集仪器23进行采集，当采集到的温度值高于30℃时，断开加热棒26的加热电路，停止对冷却液加热。而当冷却液的温度低于0℃时，重新接通加热棒26加热电路来升高发动机冷却液24的温度。由于该加热棒26布置于发动机冷却液24温度检测回路中，因此该装置能够有效的维持发动机冷却液24的温度在一定的范围内。

下面进一步说明上述技术方案的具体应用，同时对上述技术方案作进一步说明：

实施例1

夏天时太阳辐射能力较强，其热流密度也较高。通过将太阳能转化为电能储存起来，并将其有效的利用于汽车内部的空气调节与降温过程能够节省大量的能源，改善汽车节能效应的同时也能为车厢提供舒适的环境。本实施例说明本发明所提出的一种冬夏两用型车载太阳能利用装置夏天工作模式的具体应用。

如图2所示，太阳能照射到在汽车车体上安装的太阳能发电板1上，经过光电转换装置，太阳能发电板1将太阳能转化为电能，并通过带有二极管2的单向电路储存在蓄电池6中。蓄电池6通过放电接口7与匹配电路14相连，匹配电路14匹配压缩机15的用电要求与蓄电池6的放电接7口。当压缩机15正常运行以后，压缩机15将吸气口15a吸进来的低温低压的制冷剂蒸汽压缩成高温高压的制冷剂气体，该气体进入冷凝器16后，与周围环境进行换热，变为中温高压的制冷剂液体。该液体随后进入节流阀17，经历一个等焓过程后变为气液两相进入蒸发器18，在蒸发器18的制冷剂吸收热量变为气体，被压缩机15的吸气口吸入进入下一循环。

同时，由于蓄电池6在工作过程中会产生一定的热量，此热量若不能及时的散失出去，会大大降低蓄电池6的工作效率。此时将车厢内部的冷空气经过车厢冷空气入口8’和电磁阀8引入蛇形换热管道9，以冷却蓄电池6，蓄电池6周围的相变材料也能收集电池的发热量，保证蓄电池6在工作时间内的温度变化不大。

为了更好的说明该发明所提出的一种冬夏两用型车载太阳能利用装置的夏天工作模式的有效性和实用性，下面通过计算来说明：假设夏天时太阳能的辐射热流密度为1000W/m²，汽车外部的太阳能发电板1的表面积为1.5m²，光电转换的效率为20％。太阳能所能提供的能量为300W。蓄电池6的电荷容量为50AH。内阻为20mΩ，充电电压为12V。蓄电池6的输出电压即为压缩机15的工作电压，压缩式制冷***的制冷量为2400W，COP值为2.4。当该压缩式制冷***工作以后，车厢内的空气的温度为20℃。空气进入蛇形换热管道9以后与电池之间总的换热系数为30W/(m²K)。埋设在储热材料内部的蛇形换热管道9的直径为8mm，总长度为0.9m。蓄电池6壳体的***尺寸为150mm×250mm×200mm。由于夏天的环境温度较高(设电池周围壁面的温度为40℃)，因此相变材料的储热能力变差，电池在工作过程中的发热量主要是由空气的冷却来散失的。另外，电池的比热容取为1000J/(kg·K)，电池的质量为12kg。当电池的温度超过55℃时，通过控制电路断开停止供电。则：

利用太阳能发电板1将蓄电池6充满电的总时间为：

$t=\frac{\mathrm{qU}}{\stackrel{.}{Q}}=\frac{50\mathrm{Ah}\×12V}{300W}=2h$

蓄电池6在充满电以后，可以驱动压缩式制冷***的时间为：

$t^{\′}=\frac{50\mathrm{Ah}\×12V}{1000W}=0.6h=36\min$

蓄电池6在正常工作时，内阻的发热量为：

$Q=I^{2}R={\left(\frac{1000}{12}\right)}^2\×20\×{10}^{-3}=138.9W$

车厢内的空气由于环境温度较高，且其内部为一密闭空间，因此假设其内部空气的初始温度为50℃。在此状态下，其温度高于电池的温度，因此在利用蓄电池驱动制冷空调的初始阶段，并不利用车厢内部的冷空气来预冷电池，此时电池的净发热量即为138.9W。同时假设车厢内的空气在15分钟后降低到35摄氏度，电池温度升高至47℃。此时再将冷空气引入电池的换热管道来对蓄电池进行冷却，在其后的时间内车厢内空气冷却至28℃，电池温度升高至55摄氏度。此过程中的换热量为：

q＝hA(Δt)＝30×π×0.008×0.9×19.5＝13.22W

则蓄电池驱动压缩式***时的净产热量为：

Q'＝Q-q＝138.9-13.22＝125.78W

由于蓄电池自身的发热，使得蓄电池温度从47℃升高到55℃所需要的时间为：

$t=\frac{Q_0}{Q^{\′}}=\frac{c_p\mathrm{m\Δt}}{Q^{\′}}=\frac{1000\×8\×12}{125.9\×60}=12.6\min$

因此车厢内的空气在27.6min后降低到28℃，而电池的温度则从40℃升高到55℃，并断开电路，完成车厢内部空气的预冷。该实施例在具体应用过程中，可以在准备进入车内前27.6min左右利用遥控装置开启夏天工作模式，在进入到车内时，车厢内的空气温度已经预冷至28℃。随后断开压缩式空调***与本蓄电池电路的联接，改用汽车发动机驱动制冷空调***。

该发明所提出的一种冬夏两用型车载太阳能利用装置在夏天工作模式下的主要性能指标汇总于表1所示。

表1 夏天工况时本装置主要性能

虽然以上的计算并没有考虑到相变材料的显热所带来的降温效果，仅仅依靠空气的预冷就足以在27.6min内保证蓄电池的温度不超过55℃，同时将车厢内部的空气温度预冷至28℃。。因此本装置所提出了一种冬夏两用型车载太阳能利用装置在夏天时能够稳定可靠的工作，其工作性能满足对车厢舒适性的要求。

实施例2冬天工作模式柴油动力机车

如图3，冬天时，由于环境温度较低，汽车发动机的温度和发动机冷却液23的温度也较低，此时的汽车启动困难。同时由于蓄电池6的电荷容量随着温度的下降大幅的降低，因此此时利用太阳能和汽车的废热通过相变材料储存起来，利用此部分的热量提高汽车发动机和蓄电池6的温度具有非常重要的意义。本实施例说明本发明所提出的一种冬夏两用型车载太阳能利用装置冬天工作模式的具体应用。

太阳能照射到在汽车车体上安装的太阳能发电板1上，经过光电转换装置，太阳能发电板1将太阳能转化为电能，并通过带有二极管2的单向电路储存在蓄电池6中。蓄电池6通过放电接口25与加热棒26的加热电路相连，加热电路布置有电磁阀20。加热棒26布置于汽车发动车的冷却液回路中。在该回路中同时还布置有温度采集仪器23，该仪器采集到的数据通过数据处理器22处理后，利用PLC控制器21电路控制加热棒26加热电路中的电磁阀20的通断。当温度采集仪器23采集到的温度高于30℃时，断开加热棒26的加热电路，而当温度采集的温度低于0℃时，重新接通加热棒26的加热电路。

同时，由于当气温较低时，此时蓄电池6的容量也大幅的降低，蓄电池6在放电过程中的效率也很低，而冬天时该装置的正常工作必须以蓄电池6正常工作作为基础，故本发明在蓄电池6周围布置了双层的真空壳体11，真空壳体11内部充满着储热材料10，储热材料采用相变材料，该相变材料的正常工作温度为0～20℃。为了降低电池与外界环境之间的换热，真空壳体11中为真空***。工作时，通过汽车高温尾气入口8”、电磁阀8将发动机运行过程中的高温尾气引入蛇形换热管道9中，对相变材料进行热量的输入。当输入热量达到相变材料的最大储能量时，关闭电磁阀8。利用相变材料的储能量来弥补蓄电池6在于环境换热过程中的热损失，以保证其温度在0℃以上。

为了更好的说明本发明所提出的一种冬夏两用型车载太阳能利用装置的冬天工作模式的有效性和实用性，下面通过计算来说明：假设冬天时太阳能的辐射热流密度为400W/m²，汽车外部的太阳能发电板1的表面积为1.5m²，光电转换的效率为20％。太阳能发电板1所能提供的能量为120W。设充电蓄电池6的电压为12V，其容量为50Ah。相变材料的质量为3kg，其相变的潜热为100kJ/kg。埋设在储热材料内部的蛇形换热管道9的直径为8mm，总长度为0.6m。蓄电池6壳体的***尺寸为150mm×250mm×200mm。假设汽车废气经过三级催化器处理以后，在引入储热材料时，其温度为350℃。周围环境的温度为-30℃。在汽车废气给相变材料加热前，其温度与周围环境温度相同，汽车废气将相变材料的温度升高到30℃时停止预热，当温度低于0℃时开始预热，平均传热温差为335℃。相变材料的质量为3kg，其相变潜热为100kJ/kg。汽车废气与储热材料之间的总传热系数取为30W/(m²K)。由于外部真空壳体为真空绝热***，因此此时的主要换热量为辐射换热，取对流和辐射换热的复合换热系数为0.6W/(m²K)。则：

此工况下利用太阳能将蓄电池6充满电的时间为：

$t=\frac{\mathrm{qU}}{\stackrel{.}{Q}}=\frac{50\mathrm{Ah}\×12V}{120W}=5h$

废气与储热材料9之间的换热量为：

q₁＝hAΔt＝30×π×0.008×0.6×335＝151.47W

利用尾气的能量将相变材料储能所需要的时间约为:

$t=\frac{Q}{q_1}=\frac{3\×100\mathrm{kJ}}{151.47W}=1980.5s=0.55h$

该蓄电池6箱体与环境的换热量为：

q₂＝hA(t_g-t_∞)＝0.6×2×(0.15×0.25+0.15×0.2+0.25×0.2)×45＝6.36W

发动机提供给相变材料的换热量与蓄电池6壳体散热量的比值为：

$\mathrm{\α}=\frac{q_1}{q_2}=23.81$

则相变材料所储存的能量能够维持蓄电池温度在0℃以上的时间为：

t₁＝αt＝0.55h×23.81＝13.09h

从以上的数据中可以看出，若汽车的正常行驶时间超过33min(0.55h)。则蓄电池6壳体中的相变材料就能够达到最大储能值。且当汽车停止运行时，此时没有高温的尾气预热相变材料，此时仍然能够保证在785.4min(13.09h)内保证电池的温度在0℃以上，即能够正常的进行充放电过程。

表2冬天工况时本装置主要性能

另外，本实施例还将通过下面计算来说明蓄电池充满电以后其储存的电量足够维持冷却液的温度的时间：设发动机冷却液24的体积为4.5L，

换热面积为0.17m²。其主要成分为乙二醇，其比热为2.6kJ/kg，密度为1.08g/cm³，质量为4.86kg，冷却液箱体与环境的对流换热系数为6W/(m²K)。环境温度为-30℃，环境与冷却液的平均温差为45℃。则：

发动机冷却液23与环境的换热量为：

q＝hA(t₁-t₀)＝6×0.17×45＝45.9W

发动机冷却液24从30℃降到0℃，所放出的热量(或者从0℃升高到30℃所吸收的热量)为：

Q＝c_pmΔt＝2.6kJ/kg×4.86kg×30＝379.08kJ

则由于环境的漏热，从30℃降温到0℃所需要的时间为：

$t=\frac{379.08\mathrm{kJ}}{45.9W}=2.29h$

蓄电池6满容量时能够对加热棒26提供的热量为：

P＝UIt＝UQ＝12V×50A×3600s＝2160kJ

该部分的能量能够对发动机冷却液24加热的次数为：

$t=\frac{2160\mathrm{kJ}}{379.08\mathrm{kJ}}=5.7$

则该蓄电池6维持发动机的冷却液在0℃～30℃之间的时间为：

t₀＝5.7×2.29h＝13.05h

蓄电池充满电以后能够通过加热棒26对发动机冷却液24加热5.7次。因此蓄电池6所积累的能量足以维持发动机的冷却液不低于0℃13h以上。从以上的计算过程中可以看出，当本发明所提出的一种冬夏两用型车载太阳能利用装置冬天工作模式时既能够很好的维持发动机冷却液的温度高于0℃，也能够保持电池的温度不低于0℃。

Claims (10)

1.一种冬夏两用型车载太阳能利用装置，包括太阳能收集单元，以及与太阳能收集单元连接用于储存电能的蓄电池组件，其特征在于，还包括：

对汽车进行供冷的制冷单元；

对汽车发动机冷却液进行温度控制的加热单元；

所述蓄电池组件对所述制冷单元和加热单元同时供电。

2.根据权利要求1所述的冬夏两用型车载太阳能利用装置，其特征在于，还包括：

包围在所述蓄电池组件外部的壳体，该壳体与蓄电池组件之间形成密封的腔体；

充注在所述腔体内的储热材料；

设置在储热材料中的换热管，该换热管具有伸出所述壳体的出口和入口。

3.根据权利要求2所述的冬夏两用型车载太阳能利用装置，其特征在于，所述换热管为绕蓄电池组件周向布置的蛇形换热管。

4.根据权利要求2或3所述的冬夏两用型车载太阳能利用装置，其特征在于，所述壳体为夹层结构的真空壳体。

5.根据权利要求2所述的冬夏两用型车载太阳能利用装置，其特征在于，所述太阳能收集单元包括用于将太阳能转换为电能的太阳能发电板；所述太阳能发电板通过带有二极管和控制开关的单向电路与所述蓄电池组件的充电接口相连。

6.根据权利要求5所述的冬夏两用型车载太阳能利用装置，其特征在于，所述控制开关设置在驾驶室内。

7.根据权利要求5所述的冬夏两用型车载太阳能利用装置，其特征在于，还包括连接于太阳能发电板与蓄电池组件之间，并与所述二极管和控制开关并联的太阳能工作指示灯。

8.根据权利要求2所述的冬夏两用型车载太阳能利用装置，其特征在于，所述制冷单元包括为压缩式制冷***，压缩式制冷***内压缩机受所述蓄电池组件供电。

9.根据权利要求2所述的冬夏两用型车载太阳能利用装置，其特征在于，所述加热单元包括：

受所述蓄电池组件供电的加热棒；

设置在加热棒供电电路中的电磁阀；

对所述发动机冷却液进行温度检测的数据采集仪器；

对数据采集仪器采集数据进行处理的数据处理器；

接收数据处理器信号并对所述电磁阀进行控制的PLC控制器。

10.根据权利要求9所述的冬夏两用型车载太阳能利用装置，其特征在于，还包括：

将汽车车厢内空气输送至换热管内的第一支路；

将发动机的高温尾气输送至换热管内的第二支路；

传感器，用于检测发动机冷却液的温度，并将该温度信号传输给PLC控制器；

所述PLC控制器根据接收的温度信号，控制所述第一支路和第二支路的导通和关闭。