CN108340750A - 一种车载预调节空调系统及其制作方法 - Google Patents

一种车载预调节空调系统及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载预调节空调系统及其制作方法，所述系统主要包括发电装置、蓄电装置、热电制冷装置和控制装置，其中发电装置还包括半导体热电模块，以汽车排气管排出的废气作为热端，以汽车的循环冷却水作为冷端，形成温差电源，和蓄电池相连；控制装置还包括温度控制开关。本发明采用太阳能‑温差光伏发电技术作为车载独立空调系统的发电装置，节约能源；利用控制装置提前对车内环境进行降温，采用温度控制开关更加符合实际需要，节能环保；该系统的制作方法通过科学计算需制冷量，得出所需制冷片规格以及数量，不会造成资源浪费。

Description

一种车载预调节空调系统及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种车载预调节空调系统，尤其涉及一种基于太阳能-温差光伏发电技术的车内预调节热电制冷式空调系统及其制作方法。
背景技术
夏季平均气温高，太阳辐射强，人们在进入阳光暴晒下的汽车内部时都会感到十分闷热，只有进入汽车打开车载空调并使之运行一段时间之后车内环境才会有所好转。现有的制冷方式大多依赖于汽车自身空调装置，需要与汽车内部电路相连，消耗汽车的电能或燃油；即使有独立的空调系统，也没有依据汽车材料、尺寸参数的不同，设计一套适宜特定汽车本身的控制系统。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于太阳能-温差光伏发电技术的车内预调节热电制冷式空调系统，该系统独立于原有车载空调，可通过远程控制装置提前对车内环境进行降温；该系统的制作方法通过科学计算得出所需制冷片规格以及数量，不会造成资源浪费。
技术方案：本发明所述的一种车载预调节空调系统，包括：发电装置，包括太阳能光伏板和控制器，用于产生电能并将电能输入到蓄电装置中；蓄电装置，包括蓄电池和保护开关，用于储存发电装置产生的电能，并作为负载电路的电源进行供电；控制装置，包括GMS远程控制开关，可通过手机发出指令信号进行远程控制；热电制冷装置，包括热电制冷片、冷热端翅片以及热端冷却装置，用于接收控制装置的命令，降低车内温度；所述发电装置还包括半导体热电模块，以汽车排气管排出的废气作为热端，以汽车的循环冷却水作为冷端，形成温差电源，和蓄电池相连；所述控制装置还包括温度控制开关，与GSM远程控制开关串联。
所述太阳能光伏板安装于车前挡风玻璃和车窗两侧。
所述温度控制开关与热电制冷片相连。
所述车载预调节空调系统的制作方法，包括以下步骤：
(1)制冷量的计算；
(2)热电制冷片规格、数量的计算；
(3)蓄电池和太阳能板规格、充电时间的计算；
(4)组件布置和线路连接。
所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)根据汽车材料、尺寸参数，结合夏季的气候条件，确定汽车水平面、垂直面、向阳侧面以及背阳侧面所接收的太阳辐射强度，计算出日照表面综合温度和车身传热量；
(12)将车的玻璃分为采用太阳能光伏板遮挡和未采用太阳能光伏板遮挡两部分，分别进行透过汽车玻璃的传热量计算；
(13)对设备发热、车外空气渗入热量进行假设，计算出车内由于持续温差所产生的导热、对流以及太阳辐射引起的冷负荷；
(14)将步骤(11)至(13)计算出所需制冷量与将车内环境温度在一定时间内降低到设定温度所需的冷量相加得出所需的冷负荷
其中组件布置，需贴汽车底部布置，拐角处用固定构件将导线与经过面固定。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、采用太阳能光伏发电技术，不需要消耗多余的电能或汽车燃油，且在布置太阳能板时将光伏板布置与车前挡风玻璃与四周车窗当作遮阳帘使用，既满足了接收太阳能的要求，又降低了车内吸收的热量，从而达到更加节能的效果；2、采用温差发电，有效利用了汽车排放废气的余热，一方面节约了能源，另一方面降低了汽车排气的温度，对减缓温室效应也有着重要的意义；3、该系统独立于车内其他系统，不干扰汽车原始的电路系统；4、采用热电制冷片进行车内局部空间制冷，可以根据车身结构自行选择风冷或水冷的冷却方式，并利用翅片进行传热强化，制冷效果好；5、通过车厢换热过程的近似计算方法，明确得出了所需要的制冷片规格以及数量，保证可行的同时又不至于造成浪费；6、实现了温度的半自动控制，依赖于手机命令的同时考虑车内实际温度状况，并以此做出启停制冷系统的动作，更加符合实际要求、节能环保。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的系统电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
整个预制冷空调系统的构成如图1，主要分为发电装置、蓄电装置、控制开关和制冷装置。
发电装置由太阳能板、半导体热电模块和控制器构成。太阳能板用于接收太阳辐射并发电；排气管将排出废气的温度给热电模块，形成温差发电的热端，而以汽车的循环冷却水作为温差发电的冷端，将半导体热电模块布置在废气和冷却水之间，形成温差电源；而控制器则起转换和保护的作用，能够将太阳能发电转换为12V输出到蓄电池中，同时在蓄电池充满时停止继续充电，起到防过充的作用。太阳能光伏板以遮阳帘的形式安装在两侧车窗上，既满足了接受太阳辐射能的要求，又降低了车内吸收的热量，达到更加节能的效果；而控制器由于需要避免阳光直晒且较为小巧，可固定在车后座后方的平面上。
蓄电装置主要由蓄电池和保护开关组成。蓄电池用于储存由光伏板转化的电能，同时作为负载电路的电源进行供电，而保护开关则用于在电流过大或紧急情况下切断电源，起到对电路中元件保护的作用，提供安全保障。蓄电池可放置在车厢中间的储物箱中，保护开关则可固定在储物箱盖上，以方便在紧急情况下及时切断电源。
控制开关用于实现远程控制以达到预制冷的目的。采用GSM控制的远程开关，通过短信进行远程控制。控制开关可固定在车前的平台上，亦可隐藏在车前的储物柜中。另外，在控制开关之后串联温度控制开关，以实现温度的半自动控制，考虑车内实际温度状况，并以此做出启停制冷系统的动作，更加符合实际要求、节能环保。
热电制冷装置，主要由热电制冷片、风扇、冷热端翅片以及热端冷却装置组成。热电制冷片用于通电后产生冷量，可多片并联使用；风扇用于将制冷片产生的冷量和热量分别迅速带到车内环境和车外环境中去；翅片则用于强化传热。除了采用风冷的冷却方法，热端还可考虑采用水冷冷却，若使用水冷则需要添加水冷泵头和循环水箱。热电制冷装置安装有两种方案，第一种是直接安装在汽车空调的出风口中，这样可以直接利用汽车空调内部与外部散热的通道使制冷片产生的热量被方便地带出，同时节省车内空间，在这种方案中按照车内有6个出风口计算，可均匀地在每个出风口中并联4片制冷片；第二种方案是固定在车厢前后的平台上，热端用水冷的方式进行冷却。实际的安装方案选择应结合具体车型的结构来进行具体分析。
该系统的制作方法包括以下步骤：
1、制冷量计算
首先对开启热电制冷装置前车内可能达到的温度进行合理估算一般条件下，夏季室外气象温度高达40℃，在太阳曝晒下，车内温度能够上升到45℃以上，而在相对凉爽的37℃树荫下，车内温度大约上升到35℃左右。因此在室外计算温度为35℃的夏热冬冷地区，可假设车内温度在开启制冷装置前为50℃。
按车内冷负荷进行分类，车内所需的总制冷量可表示为：
Q＝Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6
其中，Q1-车身传热；
Q2-透过未遮挡玻璃窗传热；
Q3-通过太阳能光伏板遮阳帘遮挡的玻璃窗传热；
Q4-设备发热量；
Q5-室外空气渗入热量；
Q6-将车内环境温度降低到设定温度值时
车内空气自身焓值所需的冷量。
下对各项热负荷的计算进行说明：
(1)车身传热Q1：
利用日照综合表面温度法，以当量日照表面综合温度引起的温差传热代替室外空气和与车身间对流换热和太阳辐射传热；通过室外空气温度、太阳辐射照度、汽车外表面对阳光吸收系数和外表面换热系数确定各个受热面的日照综合表面温度，日照综合表面温度的计算公式为：
按垂直面的太阳辐射强度I垂直＝239W/m2，水平面I水平＝847W/m2，太阳散射辐射强度Is＝47W/m2，则向阳的侧面太阳辐射强度可按 计算，向阴侧面太阳辐射强度可按计算。按车辆静止时风速w＝2.66m/s，车身外表面发射率ε＝0.95，外表面对阳光的吸收系数ρ＝0.97，换热系数αw＝18.73W/(m2·K)，环境温度35℃，计算各表面日照综合表面温度：
顶面：
侧面(阳面)：
侧面(阴面)：
底面：按tc底＝tw+3进行估算，故tc底＝35+3＝38℃
车身传热量计算公式为：
Q1＝∑kF(tc-tn)
其中，车辆静止时车身传热系数k＝2W/m2·K。车厢近似看做一长宽高为 2m×1.85m×1.1m的长方体，侧面车窗面积经实地测量约为1.5m2(因两侧车窗部分为玻璃材料，故此处计算时减去两侧车窗面积，在计算透过玻璃传热时进行处理)，车内温度从50℃降到27℃过程中平均传热温差按算术平均温差计算，因此，车身传热总量为：
(2)透过未遮挡的玻璃传热Q2：
门窗玻璃渗入的热量分为温差传热和太阳辐射两部分，与玻璃的透光率、遮阳系数、吸收率均有关，具体计算公式为：
U＝F′glassId+(Fglass-F'glass)IS
按后风挡玻璃面积Fglass＝1.5m2，单侧窗面积为1.5m2玻璃对太阳辐射吸收系数η＝0.84，透入系数ρ＝0.08，遮阳修正系数S＝0.60，太阳散射辐射强度Is＝47W/m2，向阳的侧面太阳辐射强度I侧阳＝543W/m2，向阴侧面太阳辐射强度I侧阴＝143W/m2，外界环境温度与车内开启热电制冷片前后车内温度的温差分别为35-50＝-15℃和35-27＝8℃。可以计算得到：
U＝1.5×543+1.5×143+1.5×47＝1099.5W
(3)通过太阳能光伏板遮阳帘遮挡的前挡玻璃传热Q3：
按太阳能光伏板对阳光的反射率α＝5％和发电效率ηe＝14.5％，前风挡玻璃面积约为1.8m2，取玻璃对太阳辐射吸收系数η＝0.84，透入系数ρ＝0.08，遮阳修正系数S＝0.60，可计算得：
U＝F′glassId＝1.8×847＝1524.6W
(4)设备发热量Q4：
这部分热量包括热电制冷装置中风扇、蓄电池、太阳能电池板的控制盒、远程控制开关等一些元件的发热，但应其发热功率均不大，故可采取在前三项热量之和的基础上增加5％的富裕量进行估算，即：
Q4＝0.05×(Q1+Q2+Q3)
(5)室外空气渗入热量Q5：
因为需要计算的是静止状态下的车内外换热，此时车外空气渗入热量极小，可以忽略不计，故取公式中的Q5＝0。
(6)将车内环境温度降到设定温度时车内空气自身焓值所需的冷量Q6：
计算车内空气从50度到27度所减少的焓值：
W＝ρVcp(t0-tset)
按空气密度ρ＝1.08kg/m3，定压热容cp＝1.005×103J/kg·K，则：
W＝1.08×(2×1.85×1.1)×1.005×103×(50-27)＝101.6kJ
按热电制冷系统需要在20分钟内将车内温度降低到27度，则由于车内空气自身焓值所需的冷量为：
综上，所需冷量总共为
∑Q＝1.05×(Q1+Q2+Q3)+Q6
＝1.05×(335.16+506.28+677.47)+84.7＝1679.6W
＝1.68kW
2、热电制冷片计算
目前市面上一片标准40×40×3.8mm的热电制冷片所产生的冷量约为72W，因此可以很容易计算得到所需热电制冷片数量为
3、蓄电池和太阳能光伏板计算
按照设计要求，若要在20分钟内使车内温度满足要求，总共需要的电量为：
W＝Qt＝20×60×1.68＝2016kJ
换算为输出电压为12V的蓄电池，则电池容量应至少为
再计算上风扇，开关的耗电，一容量大于50Ah的铅酸蓄电池便足够了。
若只在前风挡玻璃上安装太阳能光伏板，按有效辐射总量1525W，发电效率14.5％计算，则发电功率P＝221.1W，这样需要的充电时间约为
从开启热电制冷系统开始计算，需要提前约3小时开始充电可满足需要，但需要注意的是，在实际应用中，太阳能光伏板的工作时间并不仅仅是从人离开车辆以后才开始的，3小时并不是一个很长的时间，而若想进一步缩短充电时间，一是可适当延长预冷时间到30分钟，二是可利用接受太阳光照较强的车顶，适当增加光伏板面积，经过计算，若顶面增加光伏板，则充电时间可以缩短到30 分钟以内，由此可见该方案是完全可行的。
整个系统的电路连接如图2所示，需要注意的一点是，导线应尽量贴汽车底部布置，拐弯处和较长的地方应当用固定构件将导线与经过面固定，同时应尽量选择最短的路线，防止导线上过多的电能损失。

Claims (6)

1.一种车载预调节空调系统，包括：
发电装置，包括太阳能光伏板和控制器，用于产生电能并将电能输入到蓄电装置中；
蓄电装置，包括蓄电池和保护开关，用于储存发电装置产生的电能，并作为负载电路的电源进行供电；
控制装置，包括GMS远程控制开关，可通过手机发出指令信号进行远程控制；
热电制冷装置，包括热电制冷片、冷热端翅片以及热端冷却装置，用于接收控制装置的命令，降低车内温度；
其特征在于，所述发电装置还包括半导体热电模块，以汽车排气管排出的废气作为热端，以汽车的循环冷却水作为冷端，形成温差电源，和蓄电池相连；所述控制装置还包括温度控制开关，与GSM远程控制开关串联。
2.根据权利要求1所述的车载预调节空调系统，其特征在于，所述太阳能光伏板安装于车前挡风玻璃和车窗两侧。
3.根据权利要求1所述的车载预调节空调系统，其特征在于，所述温度控制开关与热电制冷片相连。
4.一种如权利要求1-3所述的车载预调节空调系统的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)计算需制冷量；
(2)热电制冷片规格、数量的计算；
(3)蓄电池和太阳能板规格、充电时间的计算；
(4)组件布置和线路连接。
5.根据权利要求4所述的车内预调节热电制冷式空调系统的制作方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)根据汽车材料、尺寸参数，结合夏季的气候条件，确定汽车水平面、垂直面、向阳侧面以及背阳侧面所接收的太阳辐射强度，计算出日照表面综合温度和车身传热量；
(12)将车的玻璃分为采用太阳能光伏板遮挡和未采用太阳能光伏板遮挡两部分，分别进行透过汽车玻璃的传热量计算；
(13)对设备发热、车外空气渗入热量进行假设，计算出车内由于持续温差所产生的导热、对流以及太阳辐射引起的冷负荷；
(14)将步骤(11)至(13)计算出所需制冷量与将车内环境温度在一定时间内降低到设定温度所需的冷量相加得出所需的冷负荷。
6.根据权利要求4所述的车内预调节热电制冷式空调系统的制作方法，其特征在于，步骤(4)所述的组件布置，需贴汽车底部布置，拐角处用固定构件将导线与经过面固定。
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