解決農產品配送“斷鏈”的光伏冷鏈小車設計

周亞東，葛紅劍，朱麗萍

（海南職業技術學院，海南 ?？?570216）

1 引言

過去我國農村農產品主要通過本地銷售、局部流通的形式進行交換。隨著電商、互聯網等新媒體的興起，以及消費者對農產品向著優質化、多元化和更為安全的要求日益提升，冷鏈已經成為鮮活農產品流通的必備環節。2018年我國冷鏈物流需求總量達到1.8 億噸，市場規模達到3035億元［1-2］，果蔬、肉類和水產品冷鏈流通率分別達到22%、34%和41%，冷藏運輸率分別達到35%、57%和69%［3-5］，但是，因為我國冷鏈物流業起步較晚，就目前情況，我國食品冷藏運輸率與發達國家對比，僅為15% 左右［6-7］，果蔬等生鮮農產品的物流損耗率超過30%，遠高于發達國家5%的水平。原因在于：我國是由城鄉小規模農戶和眾多小散商販形成的農產品主要流通體系［8］，冷鏈物流成本比普通物流成本高出（40～60）%，而且冷鏈物流地區發展也極不平衡，從目前農業冷鏈物流來看，還存在田間到冷鏈中心、冷鏈中心到用戶前后端最后一公里“斷鏈”的突出問題［9］，特別是交通不便、人口稀少的鄉村山區，因為采摘得不到及時的冷藏造成大量鮮活農產品變質或干枯，農民只能選擇低價出售，一定程度上直接制約了農村經濟發展。

2 太陽能冷鏈車構造

太陽能冷鏈車的結構由電動車三輪車身、保溫車廂、蓄電池、制冷系統、太陽能電池板、溫控及充放電控制系統六部分組成［10-11］。利用市場上電動三輪貨車進行車身改造，其動力電機為48V8Ah，平均速度為25km/h，續航約1h，拆掉其后廂，制作一個長×寬×高=（1300×1000×1000）mm的保溫廂體，其內層為5mm厚ABS板、外層為2mm厚不銹鋼板，內部填滿25mm厚保溫材料，車廂后面開門并做好保溫密封，如圖1所示。2019年3月11日?？谑彝鈿鉁?5℃，經過現場測試，廂體空載制冷至-10℃后停止制冷，0.42h測試溫度升高約為5℃。

圖1 貨用三輪車改造前后對比圖Fig.1 Comparison of Feight Tricycle Before and After Transformation

蓄電池及光伏組件，采用4個12V100AH 鉛酸電池，放置于駕駛員座凳之下，廂體上方及兩側各帖4塊50Wp高性能太陽能電池，電池規格為：峰值工作電壓18V，峰值工作電流2.75A，長×寬×高=（640×500×3）mm結構膠固定并保證其牢固，系統詳細結構與電路配置，如圖2所示。

圖2 冷鏈物流三輪車整體電路原理圖Fig.2 Overall Circuit Schematic Diagram of Cold-Chain

圖2中，廂體兩側及上方三面配備12塊50Wp高性能太陽能電池共600Wp，車體每個單面4塊太陽能電池串聯后為72V2.75A，使用銅排匯流后（72V8.2A）經過充放電控制器（48V15A），結合文獻［12］新能源汽車用鋰離子動力電池單體選型方法，接入對應4個12V100Ah鉛酸電池；4個蓄電池串聯額定電壓48V，直接接入車輛電機控制器對三輪車電機供電并控制。

制冷系統，利用DC/DC將48V轉換為24V，經過變頻控制器，接入康普斯所生產的微型直流變頻制冷壓縮機（110W），其型號為QX19T-24，制冷量為（130～455）W，COP（coefficient of perfor‐mance）為（1.2～3.0），制冷溫度為-28℃，安裝于駕駛員座凳之下，并做好通風散熱。

冷凝器與蒸發器，冷凝器采用（350×70×208）mm 配24V5W直流變頻風扇，安裝于車架下面；蒸發器采用（450×70×208）mm，配24V5W直流變頻風扇，安裝于廂體內壁。根據廂體內溫度變頻調整直流壓縮機工作時間，以及冷凝器風扇、蒸發器風扇的工作電壓。其組成結構，如圖3所示。

圖3 冷鏈物流三輪車制冷系統圖Fig.3 Refrigeration System Diagram of Cold-Chain Logistics Tricycle

3 能源設計與實現

3.1 制冷量設計與實現

廂體密封，整個廂休1.3m3計算，如果廂體空氣溫度要求從35℃降至-10℃，根據文獻［13］的純電動客車冷卻系統的能耗優化計算辦法，結合文獻［14］比熱容熱能公式，則：

則需要21Wh制冷量即可，考慮樣品熱損失較大，考慮擴大5倍熱損耗為105Wh計算，如果壓縮機全功率工作，實際采用455W制冷量，即1/4h能將車廂內溫度制冷到-10℃。符合農民保鮮農產品需求。

式中：Q—吸收或放出的熱量，kJ；

c—空氣的比熱容，取1.005kJ（/kg?℃）；

ρ—空氣的密度，1.26kg/m3；

m—空氣的質量，kg；

T2—設計制冷溫度，℃；

T1—初始溫度，℃；

V—車廂體積，m3。

3.2 能源實現與分析

3.2.1 太陽能組件發電量分析

廂體三側共600Wp太陽能組件，廂體上面4塊以日平均太陽時數4h計算［15］，因兩側受太陽輻射角度較大，兩側為日平均太陽時數2h，整體600Wp太陽能電池日發電功率為1600W。

4個蓄電池總功率為：12×100×4=4800W

則，全部充滿需要約3 天時間，設計蓄電池DOD（Depth of Discharge）為70%，充滿只需要2.5天。

3.2.2 消耗能源計算分析

如果以全天陰天來考慮，以農民每天使用車輛10h計算，其中制冷為10h，以較偏僻農村距冷鏈物流50km來算，車輛來回行駛需要3h。則整車綜合使用能耗為：

壓縮機及風機使用總功率為：

P壓縮機=110 × 10=1100W

P風扇=2 × 5 × 10=100W

P車輛=650 × 3=1950W

則P總=P壓縮機+P風扇+P車輛=3150W

從產能與耗能綜合計算，可以不考慮變頻保溫，蓄電池充滿后，完全可以滿足農民一天采摘農產品的保鮮及運送到冷鏈物流配送點的能耗需求。

如果要滿足從物流中心到用戶配送需求，則需要對廂體保溫溫度進行控制，如設置起動制冷溫度為-5℃，每次制冷至-10℃停止，以每天配送8h，實際車輛行駛時間以5h計算。則：

式中：Q起動—每次從-5℃制冷到-10℃時所吸收的熱量，同樣考慮擴大5倍熱損耗計算，只需要10Wh的功率即每小時啟動壓縮機工作3次，考慮存在其他因素，全功率455W制冷量，每次啟動1/40h計算，即可達到保溫效果，則：

保溫后啟動制冷總時間為：T啟動=

配送情況下總消耗功率為：

則P總=P壓縮機+P風扇+P車輛=3473W

這里來看，這種配置基本能滿足8h配送需求，當然，上述所考慮的是一天不發電的情況，實際上，太陽能電池組件陰天時也能發一定的電量，可以滿足配送需求。

4 實際測試

4.1 制冷測試

2019年3月11日?？谑彝鈿鉁?5℃。廂體空載制冷至-10℃實際需要0.28h，接近理論值0.25h，保溫至-5℃用時0.42h。

裝滿一車廂白菜進行測試，白天室外氣溫35℃，白菜重133kg，采用預先制冷0.28h的方式。裝滿后車廂內溫度為27.5℃，裝滿制冷測試情況，如表1所示。

表1 車廂裝滿后制冷測試情況Tab.1 Refrigeration Test After the Car Is Full

表1可以看出，車廂裝滿白菜需要2.2h才能達到-10℃制冷要求，溫度下降一半至7℃，只需要0.7h，但從7℃至-10℃用了1.45h?？赡芤驗榘撞诵景帽容^結實，所含的熱量放熱較慢的原因。廂體保溫時間比空載時少了1/12h。

裝2/3滿車廂白菜進行測試，根據文獻16中流體力學汽車冷卻系統散熱器分析。汽車保溫廂四面用鋼網留0.05m的空間，白天室外氣溫35℃，白菜重85kg，采用預先制冷0.28h的方式。裝滿后車廂溫度為27.5℃，裝滿制冷實際測試情況，如表2所示。對比表1、表2可以看出，四周空氣流通且車廂不滿的情況下確實制冷的速度要快很多，0.5h時間就能使車廂達到9℃，從9℃到-10℃用了1.2h。但是，廂體保溫時間比空載時快了0.25h。

表2 車廂未裝滿且四周空氣流通制冷測試情況Tab.2 Test Condition of the Unfilled Compartment with Air Circulation and Refrigeration

4.2 能量消耗測試

4.2.1 太陽能充電測試

海南5月份，將車放置在空曠空間連續3個晴天，前測試將每個電池放電至10.5V，使用蓄電池容量測試儀測試，第一天蓄電池電壓12.8V，容量為62%，第二天下午5 點左右蓄電池電壓為13.8V，容量為100%。說明5月份海南陽光充足，2天時間蓄電池可以充滿電。

4.2.2 車輛耗電能測試

同樣在海南5月進行測試，室外氣溫35℃，車廂改造前的重量約為160kg，改造后的重量為230kg，裝滿一車廂白菜加上駕駛員整車約364kg，在?？谄铰窚y試，車廂溫度控制在-10℃時，車輛放電不停行駛，睛天太陽能電池邊行駛邊充電的情況下，4個電池維持時間約4.8h；車廂溫度保溫控制在-5℃時，電池維護時間約5.6h；同樣情況下，將車運至農村田間、小道測試，因為需要電機全功率做功，4個電池維護時間約3.8h。

4.3 實際與理論比較

車輛不行駛制冷空載時實際測試制冷到-10℃為0.28h，這比理論值多約2min達到制冷要求；保溫至-5℃為0.42hmin。

廂體留有空間與車廂裝滿的情況下，制冷的速度要明顯加快，但前者保溫效果反而更差了。這里可能是因為白菜在快速制冷后，菜心內部的空氣熱交換較慢，盡管外面已經到達-10℃，但內部溫度還保持較高，當壓縮機不工作，菜心內部的溫度還在不停散熱。車廂內部空間小時，空氣對流較小，溫度下降較慢，相反，溫度則下降較快。

車輛上路測試情況，與上述“能量設計與實現中”配送8h總能量3473W 做對比。第一種情況在平路測試運行4.8h，根據式（1）、式（2），計算結果要比理論值少了0.2h，同時使用了當天的太陽能發電量，這里估計為800W 左右（半天計算），共計減少約930W。這里因為受測試條件限制，測試過程中駕駛員頻繁的停車與啟動，每次啟動車輛電機都需要（5～7）倍啟動電流，這個過程消耗了大量的電能。第二種情況，同理得減少了約1600W。這是因為田間地頭凹凸不平，阻力大，車輛行駛每一米電機都需要大電流帶動，電能消耗更大。這種現象符合放電率與電池容量關系規律。

5 結論

將普通的貨用電動三輪車改造成太陽能冷鏈小車，能解決廣大農村鮮活農產品采摘→物流中心→配送到用戶“斷鏈”問題，能有效提高我國冷鏈物流冷藏運輸率，同時很大程度扭轉鮮活農產品因得不到及時的冷藏而變質、干枯，提高了農民收入，提高了人的生活品質。

通過理論研究與現場測試，小車基本符合市場需要，但要實現完全市場化還必須要做以下幾點：

（1）車廂生產工藝與測試必須根據國家道路運輸易腐食品與生物制品冷藏車要求及試驗方法、冷藏車類別B類標準來進行。

（2）從試驗結果來看，裝載果蔬時要注意留有一定的空間，保證廂體內部空氣流通，這樣能快速達到制冷效果。

（3）太陽能車廂，平時工作時必須要保證三面車體能充分接受太陽輻射，才能保證續航能力。

（4）該車主要耗能是三輪車的電機，在道路行駛過程中，應盡量保持勻速行駛，最大限度的降低蓄電池大電流、長時間放電，這樣小車就能延長工作續航能力。