CN107839630A - 一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于温差发电技术领域，尤其涉及一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统。针对太阳能电池板在生产过程中耗能高、产生高污染的缺陷，本发明提出一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统。该系统由温差发电片、升压模块、稳压器、蓄电池、时间控制器和空调压缩机依次连接，构成自闭环的循环冷却系统；本发明将多个发电片通过串并联铺设于车内顶部，充分利用车室内外的温差进行发电，并将电能存储起来供给汽车空调及其他用电设备使用。本发明可减少油耗以及对环境的污染，是一种近乎零排放的绿色环保发电方式，本发明对于汽车空调的开启不受发动机开启与否的限制，车主人可以通过定时系统设置车内空调自行启动的时间，设计更加舒适便捷人性化。

Description

一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统

技术领域

本发明属于温差发电技术领域，尤其涉及一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统。

背景技术

随着世界能源危机、环境污染的日益加剧和人口的迅速增长，人类对能源的需求日益增加，迫切需要新型能源代替传统能源。国内车辆的与日递增与能源和环境问题密切相关。根据国务院报告，截止到2016年年底，我国机动车数量已超过3亿辆，据统计汽车消耗1度电约排放0.785KgCO²，消耗0.25Kg汽油，在能源短缺的今天，研制车辆环保的新能源逐步成为大众焦点，其应用前景非常广阔。空调系统是汽车附件里油耗最显著的一项影响因素，当前的汽车空调压缩机是利用发动机的动力通过皮带传送来带动的，因此会消耗发动机800W以上的功率，从而增加发动机的负荷，特别是小排量汽车，在打开空调后，明显动力不足，爬坡无力，同时也增加了汽车的油耗。目前，针对汽车制冷系统的耗能问题，主要集中油耗上。光伏发电是利用太阳能电池板将太阳光能直接转化为电能，具有无枯竭危险，安全可靠，无噪声，无污染排放，能源质量高等优点。然而太阳能电池板在生产过程中会产生高污染，并且耗能高，除此之外，太阳能电池板还存在照射能量分布密度小，成本高的缺陷。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统，包括：温差发电片、升压模块、稳压器、蓄电池、时间控制器和空调压缩机，将多个所述温差发电片按照串并联的方式组合成温差发电片阵列铺设于车内顶部，所述温差发电片阵列与升压模块、稳压器、蓄电池、时间控制器和空调压缩机依次连接，构成自闭环的循环冷却系统；所述温差发电片利用冷热源之间的温差进行发电；所述升压模块用于将温差发电片产生的电压升压至空调压缩机的额定电压，以达到为蓄电池充电的要求；所述稳压器用于使温差发电片两端产生的电压保持稳定；所述蓄电池用于储存温差发电片产生的电能，为空调压缩机、照明系统、音响系统供电；所述时间控制器用于设置车内空调的自行启动或关闭时间，自动调节车内温度至舒适温度。

在所述蓄电池和稳压器之间连接防反充二极管，防止当温差为零或较小时，蓄电池一端电压高于温差发电片一端的电压，导致蓄电池向温差发电片放电而损坏电路元件。

所述蓄电池选用12V的蓄电池。

所述温差发电片采用型号为F40550的发电片，在40℃温差下开路电压为2.75V，发电电流为500mA。

所述温差发电片的热端采用导热胶与车顶铁皮进行粘结，再利用金属框架进行固定，将温差发电片的冷端与车内的冷气接触，使温差发电片的两端保持一定的温差，从而进行发电。

所述温差发电片阵列产生的电能通过控制系统储存在蓄电池中，或直接对车内用电设备进行供电。

一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷方法，包括：

1)在车顶的铁皮底部铺满温差发电片，将经过阳光暴晒的汽车外壳作为温差发电片的热源，将经过空调降温的车内冷空气作为温差发电片的冷源，利用冷热源之间的温差进行发电；

2)将温差发电片产生的电能通过控制系统向蓄电池充电，蓄电池通过逆变器以及安装在总控台上的时间控制器向汽车的空调系统供电，并利用时间控制器控制空调系统的开启或关闭时间；

3)当时间控制器未达到设定时间时，此时时间控制器开关断开，发电片为蓄电池充电；当时间控制器达到设定时间时，此时时间控制器闭合，蓄电池储存的电能可供给车内的空调系统、音响、照明及其他直流用电设备。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出的一种自闭环的车内定时循环制冷系统，无需太阳能板和吸热材料，可充分利用太阳能照射在车身的热量和车室内二者的温差，将内能转换成电能，并将电能存储起来供给汽车空调及其他用电设备使用，减少油耗，继而减少对环境的污染。此外，在40℃的温差下与同面积的太阳能电池板相比，发电量提高了58.7％。能量转换过程中没有废气废水的排放，是一种对环境近乎零排放的发电方式，绿色环保经济，对人类的可持续发展具有重大意义。

(2)本发明采用的温差发电无需外部机械运动部件、附加驱动以及传动系统，具有结构紧凑、体积小、重量轻的优点。利用温差发电片，在较小温差下即可将热能直接转换成电能，且没有噪声，安装简便，长期免维护。

(3)本发明利用温差发电，收集的电能不仅可供给汽车空调系统使用，也可以供给车内其他照明系统、音响系统等用电设备。

(4)本发明对于汽车空调的开启不受发动机开启与否的限制，由于车内安装空调定时开关系统，车主人可以通过定时系统设置车内空调自行启动的时间，尤其在夏天，车主可在开车之前提前开启空调，使车内温度提前自行下降到舒适温度，减少车主等待散热的时间，更加舒适便捷人性化。

附图说明

附图1为基于温差发电的车内定时制冷系统结构简图；

附图2为温差发电片铺设方式示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

温差发电是一种绿色环保的发电方式，它可以将太阳能、地热能、海洋热能、工业余热等低品位能源转换成电能，为了实现利用车内外温差进行发电的目的，本发明根据温差发电的特点提出一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统，所述制冷系统需要对目前车辆进行简单的改造，即在车内顶部安装温差发电片，通过导热胶将发电片的热端与车顶铁皮进行粘结，再采用金属框架进行固定，以保证车顶与发电片之间具有良好的导热性能，将温差发电片的冷端与车内冷气接触，使发电片的两端保持一定的温差，从而利用温差发电片冷热源的温度差进行发电。温差发电片产生的电能通过控制系统储存在蓄电池中，或直接对车内其他用电设备进行供电。

具体地，如图1所示的基于温差发电的车内定时制冷系统结构图，所述制冷系统包括温差发电片、升压模块、稳压器、蓄电池、时间控制器和空调压缩机，根据车顶面积选择一定数量的温差发电片按照串并联的方式组合成温差发电片阵列铺设于车内顶部，铺设方式如图2所示；所述温差发电片阵列与升压模块、稳压器、蓄电池、时间控制器和空调压缩机依次连接，构成自闭环的循环冷却系统；所述温差发电片利用冷热源之间的温差进行发电；所述升压模块用于将温差发电片产生的电压升压至空调压缩机的额定电压，以达到为蓄电池充电的要求，例如所使用的车载空调压缩机的额定电压为24V，为了使发电片产生的电压达到为蓄电池充电的要求，需要使用升压模块升压至24V以上；所述稳压器用于使温差发电片两端产生的电压保持稳定，以克服发电片两端电压波动对电路产生损害；所述蓄电池用于储存温差发电片产生的电能，为空调压缩机、照明系统、音响系统及其他用直流电设备供电；所述时间控制器为车内空调系统的定时装置，用于设置车内空调的自行启动时间，以自动调节车内温度至舒适温度。当未达到设定时间时，时间控制器相当于一个断开的开关，电路向蓄电池充电；当达到设定时间时，时间控制器相当于一个闭合的开关，蓄电池储存的电量可用于车内用电设备。

具体的，由于半导体温差发电片体积小、轻薄并且具有良好的导热性，可在汽车车顶内壳处大量铺设，以保证冷源面可良好散热。目前市场上性能较好的发电片型号为F40550半导体温差发电片，规格为40*40*3.4mm，单个温差发电片在不同温差条件下的带负载发电性能的各项参数如表1所示。由于车内空气处于循环状态且开启了空调，冷源温度可维持在26℃左右，车顶铁皮的温度可达70～80℃，因此当温差发电片的温差在20～60℃之间时，可达到良好的效果。而独立式车载空调的电阻一般小于5Ω，当温差为40℃时，每个发电片上产生的电压约为1V，电流约为0.3A。据统计，一辆普通轿车的车顶部面积约为1.6m²，若铺满规格为40*40*3.4mm的F40550半导体温差发电片，则可以安装约1000个此型号的温差发电片。本发明采用10个发电片串联组成一个发电组，则一共有100个发电组。因此整个发电片阵列的输出电压约为12.6V，升压后可以为蓄电池充电，也可以作为独立式空调的电源。

对于单个温差发电片在该温差条件下的带负载发电性能的各项参数如表2所示。

表1F40550半导体温差发电片的基本参数

表2单个温差发电片在20～60℃温差条件下的带负载发电性能的各项参数

本发明在车顶内的铁皮底部铺满型号为F40550温差发电片，将经过阳光暴晒下的车壳作为温差发电片的热源(温度约为65℃)，同时，将车内经过空调降温的冷空气作为温差发电片的冷端(温度约为25℃)，利用冷热源之间的温差(约为40℃)进行发电，发出的电量经过控制系统向12V蓄电池充电，蓄电池中存储的电量通过逆变器后，再通过安装在总控台上的时间控制器供给汽车的空调系统，当未达到设定时间时，时间控制器相当于一个断开的开关，电路为蓄电池充电；当达到设定时间时，时间控制器相当于一个闭合的开关，蓄电池储存的电量可用于车内其他用电设备。时间控制器可控制空调系统的开启时间，确保车主在离开车一段时间后再次上车前空调对车内提前降温。蓄电池里多余的电量可供给车内音响、照明等直流用电设备。此项发明采用自闭环的循环冷却系统，即车室内凉爽的空气不断冷却发电片的低温面，安装于车身表面的高温面温度保持不变，因此可以一直维持稳定温差，温差所产生的电能可以驱动空调压缩机进行车室内制冷，冷却温差发电片，构成闭环循环，可保证该装置持续工作。

以温差发电片两端温差40℃时为例进行分析，如表3所示的一台普通的独立式汽车空调，该型号独立式空调一小时耗电0.3度。

表3一台普通的独立式汽车空调数据参数

驱动方式	电压	电流	功率
				独立式	12V	15A	300W

由表2可知，在温差发电片输出功率最大的情况下，每个发电片的输出电压为1.26V，输出电流为0.253A，输出功率为0.33W。将十个发电片串联作为一个发电组，1000个发电片可以组成100个发电组。得到：

U_总＝U₀×10＝1.26×10＝12.6V

I_总＝I₀×100＝0.253×100＝25.3A

P_总＝P₀×1000＝0.33×1000＝330W

由此可见，每个发电组的输出电压达到12.6V,将100个发电组并联，得到总电流约为25.3A，最大输出功率为330W。因此，该系统在40℃的温差下一个小时可产生0.33度电。

假设在面积为1.6m²的车顶铺设太阳能电池板进行光伏发电，根据美国国家航空航天局的统计数据，北京地区的年日照量为1430KW·h/(m2·年)，在理想条件下，正午时地表1m²的面积接受到的从正上方照射的太阳光能量为1KW，晶硅太阳能电池组件的转换效率为13％～15％，经计算可得，晶硅太阳能电池的功率大约为130W/m²。则1.6m²的面积上每小时可产生大约0.208度电。

由此可见，本发明采用的温差发电片与太阳能电池板相比，发电量提高了58.7％，具有实质性的节能减排效果。

下面通过实验模拟温差发电片的发电蓄电过程，验证温差发电片在模拟环境温差下的发电性能，以及蓄电池带动独立空调系统的可行性。

本实验采用型号为SP1848-27145的温差发电片进行发电。具体验证步骤如下所述:

(1)将发热片通电，在发热片加热的过程中采用红外测温仪对发热片进行温度测量，确定发热片的最终稳定温度th；

(2)开启空调扇，对温差发电片的冷源侧进行吹风散热，利用红外测温仪对温差发电片的冷源侧温度tc进行测量；

(3)采用万用表测量温差发电片分别在20℃、40℃以及60℃温差下的电压U和电流I，测量结果如表4所示，通过计算得到对应温差下的单个温差发电片的输出功率P，计算结果如表5所示；

(4)将12块温差发电片作为一组进行串联，然后两组发电片并联后接入DC升压模块，调节升压模块旋钮，直至万用表所示电压稳定在14.5V左右；

(5)在升压模块后再接入12V蓄电池，对其进行充电，再将此蓄电池接出两条输出的线接入万用表，分别记录万用表所示电压U’和接入R＝1Ω的负载时的电流I’，并计算得到输出功率P’；再与独立空调系统的额定电压Uo、额定电流Io以及额定功率Po进行比较。

表4在20℃40℃以及60℃温差下测得的单个温差发电片的U、I

表5在20℃40℃以及60℃温差下的单个温差发电片功率P

温差Δt(℃)	20	40	60
				功率P＝UI(W)	0.2182	0.6624	1.1256

实验结果：温差发电片的效果良好，且通过一定的串并联可实现对独立空调系统的供电。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统，其特征在于，包括温差发电片、升压模块、稳压器、蓄电池、时间控制器和空调压缩机，将多个所述温差发电片按照串并联的方式组合成温差发电片阵列铺设于车内顶部，所述温差发电片阵列与升压模块、稳压器、蓄电池、时间控制器和空调压缩机依次连接，构成自闭环的循环冷却系统；所述温差发电片利用冷热源之间的温差进行发电；所述升压模块用于将温差发电片产生的电压升压至空调压缩机的额定电压，以达到为蓄电池充电的要求；所述稳压器用于使温差发电片两端产生的电压保持稳定；所述蓄电池用于储存温差发电片产生的电能，为空调压缩机、照明系统、音响系统供电；所述时间控制器用于设置车内空调的自行启动时间，自动调节车内温度至舒适温度。

2.根据权利要求1所述的一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统，其特征在于，在所述蓄电池和稳压器之间连接防反充二极管，防止当温差为零或较小时，蓄电池一端电压高于温差发电片一端的电压，导致蓄电池向温差发电片放电而损坏电路元件。

3.根据权利要求1所述的一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统，其特征在于，所述蓄电池选用12V的蓄电池。

4.根据权利要求1所述的一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统，其特征在于，所述温差发电片采用型号为F40550的发电片，在40℃温差下开路电压为2.75V，发电电流为500mA。

5.根据权利要求1所述的一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统，其特征在于，所述温差发电片的热端采用导热胶与车顶铁皮进行粘结，再利用金属框架进行固定，将温差发电片的冷端与车内的冷气接触，使温差发电片的两端保持一定的温差，从而进行发电。

6.根据权利要求1所述的一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷系统，其特征在于，所述温差发电片阵列产生的电能通过控制系统储存在蓄电池中，或直接对车内用电设备进行供电。

7.一种夏季汽车高温利用的车内定时制冷方法，其特征在于，所述方法包括：

1)在车顶的铁皮底部铺满温差发电片，将经过阳光暴晒的汽车外壳作为温差发电片的热源，将经过空调降温的车内冷空气作为温差发电片的冷源，利用冷热源之间的温差进行发电；

2)将温差发电片产生的电能通过控制系统向蓄电池充电，蓄电池通过逆变器以及安装在总控台上的时间控制器向汽车的空调系统供电，并利用时间控制器控制空调系统的开启或关闭时间；

3)当时间控制器未达到设定时间时，此时时间控制器开关断开，发电片为蓄电池充电；当时间控制器达到设定时间时，此时时间控制器闭合，蓄电池储存的电能可供给车内的空调系统、音响、照明及其他直流用电设备。