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摘要：车辆停放在室外停车场时往往会遭受暴晒，汽车金属外壳吸热强，暴晒导致汽车温度升高，汽车外部环境温度为 27～33℃时，汽车内部温度往往能达到50～107℃，车内物质反应速率大大增加，各种安全隐患不断增加。本文设计研究出传感器控制的太阳能车载自动通气降温天窗，在天窗实现发电换气一体化普适化装置。以清洁可再生能源太阳能为输入能源，同时实现汽车车内的整体降温，提高能源的综合利用效率。延长车内各元件使用寿命、减少空调使用带来的燃油消耗和废气排放，进而达到节能减排的目的。

关键词：碲化镉电池板；自感应降温；节能减碳

1 研究背景

随着我国社会经济和科学技术的飞速发展，以及人们生活水平的不断提升，人们的购车刚性需求旺盛，汽车保有量一直以来呈快速增长趋势。2013-2022年，我国汽车保有量逐年增长，年复合增长率接近 12%。据公安部统计，2022年全国新注册登记机动车3478万辆。汽车保有量达3.2亿辆，占机动车总量76.59%，比2021年增加1752万辆，增长5.81%。室外停车场具有场地设置多样、车辆停放灵活、停车出入口不限等特点，是目前我国普遍使用的停车场，在专业运输单位和公交系统采用尤其广泛。然而，车辆停放在室外停车场时往往会遭受暴晒，汽车金属外壳吸热强，暴晒导致汽车温度升高，汽车外部环境温度为 27～33℃时，汽车内部温度往往能达到 50～107℃，车内物质反应速率大大增加。

2 设计方案

2.1 设计思路

汽车暴晒时车内温度远高于车外温度，通过在天窗安装风扇组排气和控制空调通风管道形成对流换气从而降低车内温度。本研究电能需求来自太阳能发电。天窗位于汽车顶部，受日光照射优良，碲化镉太阳能电池板具有理想的禁带宽度、高光吸收率、高转换效率并且性能稳定结构简单[1]。透光性强的碲化镉太阳能电池板代替天窗，既保留原有开阔车内视野形成密闭空间，又能利用极小部分空间进行太阳能发电。为最大化提高太阳能的利用率，采用天窗外旋转框架和光敏电阻太阳能追踪技术达到太阳光垂直照射太阳能电池板的精准控制。

2.2 工作流程

光能通过碲化镉太阳能电池板转化为电能，一部分电能直接使用，剩余电能储存于蓄电池中以便能量不足时使用。当雨滴传感器、温度传感器和人体传感器检测到外界不下雨、车内无人车且温度高于设定阈值时发射控制信号打开天窗风扇组进行排气工作。为最大化装置降温性能，根据不同车型电路手册设计控制电路，在需要降温时发射控制信号打开汽车空调换气管道，创造汽车内对流条件。系统的典型设计的工作流程图如下所示：

2.3 装置设计

根据功能将装置分为发电模块、控制模块和换气模块三个模块。发电模块由碲化镉太阳能电池板、蓄电池和旋转转轴组成；控制模块由传感器、电路元件和光敏电阻组成；换气模块由风扇组组成（如图2）。

2.3.1发电模块

碲化镉太阳能电池板代替传统天窗玻璃结构，进行能量转化的同时具有良好的透光性。原有天窗轨道内侧添加旋转转轴，使天窗实现一定角度的倾斜翘尾，有助于减轻汽车高速公路行驶时的风阻，配合光敏电阻光强比较法实现对太阳光照的跟踪[2]，最大限度地提高太阳光能利用率。

2.3.2 换气模块

风扇组由六个风扇串联而成。不同汽车车型车顶厚度不同，为了更加普适化设计固定于车顶下方的风扇组两侧滑轨。车顶厚的车型可与天窗共用滑轨，在非工作状态可将超薄风扇隐藏于车顶内部节约空间。空调换气管道为汽车内部原有装置。

2.4 电路设计

根据太阳能板特性、蓄电池的充放电特性、风扇的用电特性、车辆内部环境的使用要求等，设计相应的电路图和保护电路。电路中包含三个部分，供电单元、控制单元、输出单元。

2.4.1供电单元

供电单元由太阳能电池板和锂电池组成（如图3）。由于太阳能电池板最大电压为12V，为了稳定给锂电池供电，使用了稳压器LM2576S-5.0将输出电压稳定在5V，由IP5407芯片组成的充放电模块会将太阳能板所提供的电能存入锂电池中，同时该芯片能输出电源的5V电压，实现充放电的同时进行。单片机部分和芯片74LS138、74HC125的供电由该单元提供。

2.4.2控制单元

单片机从温度传感器、雨滴传感器和人体传感器读取当前的环境[3]（如图4）。当温度高于阈值、外界不下雨且驾驶位无人时，单片机向电路图 1 所对应的地址发送信号，74LS138读取地址线后，向/Y7口输出低电平，经过反相后导通MOS管从而导通整个电路。若不满足以上任意条件，地址线上均为高阻态，74LS138输出高阻，MOS管截止，电路未导通。此外，采用光敏电阻光强比较法调整天窗受照射角度：因光敏电阻阻值随光照强度变化，于旋转转轴上方放置规格相同的光敏电阻。当太阳光线倾斜值大于设定值时，光敏电阻以模拟信号形式发送反馈信息，通过A/D转换转换成数字信号，再经放大器放大后送入单片机。单片机对信号进行分析比较后以数字信号的形式发送控制指令，再将其D/A转换成模拟信号，来调整转轴电动机的转动，直至光敏电阻受光照强度差值为当前最小。本设计天窗系统可达到天窗物理结构受光最优角度，提高太阳能电池板的发电效率。

2.4.3输出单元

输出单元由数个并联电机 M（风扇）串联结构（天窗导轨）构成，当 MOS 管导通时，风扇两端电势差约为 12V，风扇正常工作；当 MOS 管截止时，风扇两端电势差为 0，风扇不工作。当电路导通，会给予天窗的控制电路（车内自带）一个高电平（上升沿）信号，打开汽车天窗并恰好露出风扇，排出内部热空气。当电路截止，会给予天窗的控制电路（车内自带）一个高电平（下降沿）信号，让汽车关闭天窗。

3 设计计算

以北京市为例，太阳辐射强度取通过建立模型模拟出的一年中北京地区最强的辐射强度；阳光总辐射强度数学模型见图5。

以“极端吸热、峰值比较”的原则进行计算，以保证设备的可行性、可靠性。

4 结论

本装置采用光敏电阻光强比较法原理通过转轴实时精确控制调整天窗角度，使太阳光直射碲化镉太阳能电池板，达到太阳能的最大化利用。由上述系统电供需的计算分析可知，在日照时间里，不需要依靠外部能源供给，完全实现能源自给自足。让被暴晒的汽车室内温度保持在 40℃左右，为汽车空调制冷节省大量时间和油耗。减少燃油消耗和燃油成本的同时降低总碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化物等污染物的排放。

参考文献

[1]范文涛，朱刘. 碲化镉薄膜太阳能电池的研究现状及进展[J].材料研究与应用. 2017（01）

[2]欧佳顺，包攀峰，殷海眯等.太阳能板自动跟踪装置研究与分析[J].农业装备与车辆工程. 2020（12）

[3]刘得权，李政清，王榜等.智能小车环境感知系统的设计[J].山西电子技术. 2022（01）

天津市大学生创新创业计划训练项目：《碲化镉太阳能自感应旋转通气降温车载天窗》，编号：202313898019。