车载冷藏集装箱长途运输中光伏-蓄电池-制冷耦合系统源-负载特性的研究

《Renewable Energy》：Investigation of the Source-Load Characteristics of a PV-Battery-Refrigeration Coupled System for Long-Distance Transportation in Vehicle-Mounted Refrigerated Containers

　　

摘要

为冷藏卡车提供光伏电力已成为提高冷链运输领域能源效率和减少排放的重要策略。在这项研究中，一个光伏系统被集成到一个标准的冷藏集装箱中。考虑到各种环境影响因素，开发了该光伏集成冷藏集装箱的热传递和发电模型。然后分析了沿天津-通辽路线进行跨区域运输时该集装箱的电冷平衡情况。最后评估了潜在的碳排放减少量。在模拟的从天津到通辽的跨区域运输过程中，光伏系统全年产生的理论电量足以满足冷藏集装箱的冷却需求，最大理论发电量超过25千瓦时。不同月份的剩余发电量在7.55千瓦时到16.36千瓦时之间。据估计，在天津-通辽运输路线上，十年使用寿命内的累计碳减排量约为25.4公吨二氧化碳（CO₂）。通过明确界定每月和每年的性能指标，本研究直观地展示了光伏集成在冷藏车辆中的价值。

引言

自1958年第一辆太阳能汽车“Solar King”[1]问世以来，清洁且成本效益高的光伏（PV）技术在交通运输中的应用越来越受到关注[2]。对于集成在车辆上的光伏系统（VIPVs），研究人员主要关注其发电能力以及节能和减排效益。从环境效益的角度来看，车载VIPV系统通常可以将碳排放量减少60%以上[3]，相比汽油动力车辆[4]。然而，车载VIPV系统受到光伏板面积、安装空间、季节因素和地理位置的限制。因此，应尽可能使用高效太阳能电池[5]。尽管VIPVs具有显著的理论优势，但由于车辆顶部的有限空间和周围建筑的遮挡，它们在乘用车中的实际应用受到限制。相比之下，冷藏卡车的内部空间较大，为光伏系统的部署提供了更有利的条件。近年来，由于对需要温度控制的易腐物品和敏感商品物流需求的增加[7]，冷链运输行业经历了快速增长[6]。作为冷链运输的主要方式，冷藏卡车不仅用于推进[8]，还用于驱动车载制冷系统[9]。这些车辆的高能耗突显了减少运输制冷相关的能源使用[10]和温室气体排放[11]的必要性，以实现计划的减碳和节能目标[12]。

大多数现有的运输制冷单元（TRUs）由柴油发动机驱动的蒸汽压缩系统[13]提供动力。这些柴油驱动的TRUs通常比电动替代品表现出更低的性能系数（COP）[14]。它们产生的二氧化碳（CO）、碳氢化合物、氮氧化物（NO_x）[15]和颗粒物[16]也更多。此外，由于货车或小型卡车中推进引擎和制冷压缩机的速度耦合，柴油系统可能在发动机运行不佳的情况下无法满足制冷需求。在这种情况下，配备电驱动TRUs的光伏动力冷藏卡车在清洁能源使用、能源效率和灵活的电力管理方面具有优势。Bahaj等人[17]将光伏模块集成到冷藏卡车的车厢内，并将面板连接到铅酸电池组以驱动TRU。该系统能够满足伦敦冷藏食品配送的能源需求[18]，尽管回收期超过15年[19]。最近的研究进一步验证了光伏驱动制冷[20]在运输易腐商品方面的可行性[21]。此外，Meneghetti等人[22]强调，在评估长距离光伏冷藏卡车时必须考虑跨区域气候条件和季节变化，并开发了一个多周期、多区域的制冷需求和太阳能发电优化模型。Kühnel等人[23]开发了一种算法，用于预测移动中卡车的光伏输出，考虑了太阳辐射、环境温度和风速；商业半挂车的光伏系统年发电潜力为3至7兆瓦时（MWh）。Rossetti等人[24]建立了多停靠点配送场景下的冷藏卡车动态数值模型，显示太阳能光伏模块可以提供65%至95%的日常冷却能量需求。大约70%的太阳辐射被光伏模块转化为热能[25]，光热效应可能贡献了高达16.4%的冷却系统负荷[26]。Kronthaler等人[27]发现逆风条件会降低VIPVs上的光伏板温度[28]，从而提高发电效率[29]。在为冷藏车辆建模光伏系统时必须考虑这些因素。上述大多数研究主要关注安装在车顶的光伏系统，常常忽略了照射在冷藏车辆侧面的太阳辐射。实际上，在车辆的侧面和倾斜表面上安装光伏模块可以显著增加总太阳能采集量[30]。然而，侧面光伏集成引入了基于路线的发电分析的复杂性，因为其输出受车辆方向、太阳方位角、表面风速和模块温度的影响。此外，现有文献很少研究这些动态参数对光伏转换效率的影响。为了解决这些空白，本研究重点关注配备了车顶和侧面集成光伏模块的冷藏卡车的冷却负荷和光伏发电性能。提出了一种新方法来评估跨区域运输条件下光伏集成集装箱的电冷能量平衡。

引言

自1958年第一辆太阳能汽车“Solar King”[1]问世以来，清洁且成本效益高的光伏（PV）技术在交通运输中的应用越来越受到关注[2]。对于集成在车辆上的光伏系统（VIPVs），研究人员主要关注其发电能力以及节能和减排效益。从环境效益的角度来看，与汽油动力车辆相比，车载VIPV系统通常可以有效地减少60%以上的碳排放[3] [4]。然而，车载VIPV系统受到光伏板面积、安装空间、季节因素和地理位置的限制。因此，在考虑成本的同时，应尽可能使用高效太阳能电池[5]。尽管VIPVs具有显著的理论优势，但在城市环境中，由于车顶面积有限和周围建筑的遮挡，其实际应用受到限制。相比之下，冷藏卡车的内部空间较大，为光伏部署提供了更有利的条件。近年来，由于对需要温度控制的易腐和敏感商品物流需求的增加[7]，冷链运输行业经历了快速增长[6]。作为冷链运输的主要方式，冷藏卡车不仅用于推进[8]，还用于驱动车载制冷系统[9]。这些车辆的高能耗凸显了减少运输制冷相关的能源使用[10]和温室气体排放[11]的必要性，以实现计划的减碳和节能目标[12]。

大多数现有的运输制冷单元（TRUs）由柴油发动机驱动的蒸汽压缩系统[13]提供动力。这些柴油驱动的TRUs通常比电动TRUs的性能系数（COP）更低[14]。它们还产生多25%的一氧化碳（CO）、碳氢化合物、氮氧化物（NO_x）[15]和颗粒物[16]。此外，由于货车或小型卡车中推进引擎和制冷压缩机的速度耦合，柴油系统可能在发动机运行不理想的情况下无法满足制冷需求。在这种背景下，配备电驱动TRUs的光伏动力冷藏卡车在清洁能源使用、能源效率和灵活的电力管理方面具有优势。Bahaj等人[17]将光伏模块集成到冷藏卡车的车厢内，并将面板连接到铅酸电池组以驱动TRU。该系统能够满足伦敦冷藏食品配送的能源需求[18]，尽管回收期超过了15年[19]。最近的研究进一步验证了光伏驱动制冷[20]在运输易腐商品[21]方面的可行性。此外，Meneghetti等人[22]强调，在评估长距离光伏冷藏卡车时必须考虑跨区域气候条件和季节变化，并开发了一个多周期、多区域的制冷需求和太阳能发电优化模型。Kühnel等人[23]开发了一种算法，用于预测行驶中的卡车的光伏输出，考虑了太阳辐射、环境温度和风速；该商用半挂车光伏系统的年发电潜力为3至7兆瓦时（MWh）。Rossetti等人[24]建立了一个动态数值模型，显示太阳能光伏模块可以在多停靠点配送场景下提供65%至95%的日常冷却能量需求。大约70%的太阳辐射被光伏模块转化为热能[25]，光热效应可能贡献高达16.4%的冷却系统负荷[26]。Kronthaler等人[27]发现逆风条件会降低VIPVs上的光伏板温度[28]，从而提高发电效率[29]。在为冷藏车辆建模光伏系统时必须考虑这些因素。上述大多数研究主要关注安装在车顶的光伏系统，经常忽略了照射在冷藏车辆侧面的太阳辐射。实际上，在车辆的侧面和倾斜表面上安装光伏模块可以显著增加总的太阳能采集量[30]。然而，侧面光伏集成引入了基于路线的发电分析的复杂性，因为其输出受车辆方向、太阳方位角、表面风速和模块温度的影响。此外，现有文献很少研究这些动态参数对光伏转换效率的影响。为了弥补这些不足，本研究重点关注配备了车顶和侧面集成光伏模块的冷藏卡车的冷却负荷和光伏发电性能。提出了一种新方法来评估跨区域运输条件下光伏集成集装箱的电冷能量平衡。

在这项研究中，选择了一个40英尺的标准冷藏集装箱。光伏面板安装在车顶和两侧侧壁上，使用电池作为储能单元来驱动车载制冷系统。首先，采用 Fluent仿真和实验相结合的方法对集装箱的冷却能耗（即热传递）和光伏发电性能进行了建模。然后进行了基于路线的发电分析。考虑到车辆在运输过程中的方向变化，将路线分段，并使用PVsyst计算了天津-通辽路线上的太阳辐射、环境温度和其他气象参数。最后，开发了一个光伏发电输出和制冷能量需求的预测模型，并评估了碳减排潜力。

以往的研究很少量化光伏冷藏车辆在长距离跨区域运输过程中的动态电能-制冷平衡。因此，本研究提出了一种结合路线条件的评估方法，通过考虑路线条件、太阳辐射、环境温度、光伏安装表面和储存温度，将车辆集成光伏发电与制冷需求相结合。该方法为评估系统可行性、优化容量设计和支持低碳冷链物流提供了定量基础。与类似的研究相比，本研究中的光伏系统可以全年满足天津-通辽路线上的冷却需求，并且有剩余电力。每公里的平均碳减排量为1.48公斤/公里，高于类似研究中测得的0.27至0.86公斤/公里[11]。此外，物联网技术[31]与太阳能光伏系统的结合有潜力进一步优化冷藏运输中的能源使用。例如，将智能监控与深度神经网络分类方法结合可以减少水果和蔬菜等易腐物品的损耗[32]。

章节片段

光伏系统和隔热设计

在一个为公路运输设计的40英尺高立方（HC）标准冷藏集装箱上安装了光伏系统。该集装箱的外部尺寸为12.1×2.438×2.896米，内部尺寸为11.59×2.29×2.558米，储存体积为67.9立方米。冷藏集装箱的墙壁和门使用了聚氨酯泡沫和真空隔热板（VIPs）进行隔热。外部包装材料是玻璃纤维增强塑料（FRP），底部保持原始的聚氨酯隔热材料

冷藏集装箱的热传递模型

在车辆运行过程中，环境温度、太阳辐射和行驶速度会不断变化。根据中国货运卡车的统计平均行驶速度，假设冷藏卡车的平均行驶速度为82.4公里/小时，相当于22.9米/秒。对于集装箱墙壁，热传递速率主要受内部和外部环境温差的控制。然而，当光伏面板运行时，它们的温度……

温度特性

根据PVsyst数据库，获取了目标城市的月平均环境温度。补充材料显示了冷藏卡车运输路线沿线三个气象站（天津、朝阳和通辽）的温度数据。可以观察到，沿路线的月平均温度和总太阳辐射呈现出先上升后下降的趋势，这与北半球的季节性模式一致。

水平太阳辐射特性

光伏模块

结论

本研究开发了一种方法，用于量化长距离跨区域运输过程中光伏冷藏集装箱的电能-制冷平衡，以天津-通辽路线作为代表案例。仿真结果显示，安装在车顶的光伏面板贡献了最大的能量输出，约占总发电量的50%，表明在光伏冷藏车辆中应优先利用车顶空间。

CRediT作者贡献声明

徐强辉：调查、正式分析。王振振：撰写——初稿、验证、方法论、数据整理。程海英：验证、调查、概念化。梁欣：资源、项目管理、正式分析。欧阳志伟：可视化、正式分析。马兴龙：监督、方法论、资金争取、概念化。沈军：撰写——审阅与编辑、方法论、资金争取。王一帆：软件、资源

利益冲突

我们声明与提交的工作没有任何可能构成利益冲突的商业或关联利益。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢中国国家自然科学基金（编号52476173，编号U22B20112）和中国国家重点研发计划（授权编号2022YFB3505100）的支持。

Zhenzhen Wang|Qianghui Xu|Xinglong Ma|Zhiwei Ouyang|Shen Liang|Haiying Cheng|Yifan Wang|Jun Shen

北京工业大学机械工程学院，北京100081，中国