（光學(xué)工程專業(yè)論文）太陽能電動(dòng)車模型設(shè)計(jì).pdf

沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 中國占有全世界五分之一的汽車市場(chǎng) 經(jīng)過十五年的時(shí)間 中國成為全球汽 車需求量最大的國家 可是汽車保有量的增加給人類生存環(huán)境帶來了一些嚴(yán)重的 危害 例如環(huán)境污染和能源消耗過大 因此世界各國把清潔 環(huán)保的新能源汽車 作為汽車方面的首要研發(fā)內(nèi)容 我國也把開發(fā)新能源汽車作為十二五期間重要的 發(fā)展戰(zhàn)略之一 從而在新能源的開發(fā)和利用上涌現(xiàn)出了太陽能電動(dòng)車 本文在太陽能電動(dòng)車?yán)碚摶A(chǔ)上建立了三維車身模型 利用f l u e n t 軟件對(duì)不 同車身模型的阻力特性進(jìn)行了研究 并對(duì)太陽能電動(dòng)車的行駛控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿 真分析 主要工作內(nèi)容如下 1 設(shè)計(jì)了太陽能電動(dòng)車車身 底盤 采用p r o e n g i n e e r 軟件 建立了完整 的太陽能電動(dòng)車三維模型 2 利用f 1 u e n t 軟件對(duì)太陽能電動(dòng)車車身模型在水平路面的行駛過程進(jìn)行了數(shù) 值計(jì)算 研究了太陽能電動(dòng)車的阻力特性 并針對(duì)車身存在的設(shè)計(jì)缺陷設(shè)計(jì)了新 的車身模型 完善了外形結(jié)構(gòu) 對(duì)改進(jìn)前 后車身模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析 結(jié)果表明改進(jìn)后的車身模型降低了風(fēng)阻系數(shù) 更加符合環(huán)保 經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)原則 3 研究了太陽能電動(dòng)車的行駛控制系統(tǒng) 利用m a t l a b s i m u l i n k 軟件建 立了控制模型 分別對(duì)采用p i d 控制的行駛系統(tǒng)和采用自適應(yīng)控制的行駛控制系 統(tǒng)的太陽能電動(dòng)車行駛過程進(jìn)行了仿真和對(duì)比分析 分析結(jié)果表明采用自適應(yīng)控 制系統(tǒng)在節(jié)能效果上優(yōu)于采用p 工d 控制系統(tǒng) 關(guān)鍵詞 太陽能電動(dòng)車 三維模型 f l u n e t p i d 自適應(yīng)行駛控制系統(tǒng) 沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t c 1 1 i n ah o l d so n e 矗f m so ft h ew o r l da u t o m o b i l em a r k e t s a r e r15y e a r s c l l i n ah a s b e c o m em el a r g e s tc o u n 仃yi na u t o m o b i l ed 鋤a i l di nt l l eg l o b a l b u t l ei n c r e a s eo f a u t o m o b i l ep o s s e s s i o nb r o u 曲ts o m es 耐o u sh a n l lt oh 啪a i ls u r v i v a le n v i r o n m e n t s u c h a se n v i r o m n e n tp o l l u t i o na n do v e r l a r g ee n e r g yc o n s 眥p t i o n s oe v e r yc o u i i t l yi nt h e w o r l dt a k e st 1 1 ec l e a n e n v i r o n m e n t 銜e n d l ya 1 1 dn e we n e r g yv e l l i c l e sa st l l ep d m a r y r e s e a r c hc o n t e n ti nc a r s c l l i n aa l s ot 呔e sd e v e l o p i n gn e we n e r g yv e l l i c l e sa so n eo f 也e i i n p o r t a i l td e v e l o p m e n t s t r a t e 百e sd u 五n gm e 觚e 1 脅f i v e y e a rp l a l l m e r e f o r e s 0 1 a r v e l l i c l e sa p p e a ri nm ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fn e w e n e r g y t 1 1 i sp a g eb u i l d st h e3 db o d ym o d e lb a s e do nm et 1 1 e o 巧o fs o l a rv e l l i c l e s t u d i e s t h er e s i s t a n c ep r o p e n i e so ft h ed i f f e r e n tb o d ym o d e l sb yf 1 u e n ts o 腳a r e a 1 1 da n a l y s e s m es i m u l a t i o nr e s u l t so fm ed r i v i n gc o n 拓0 1s y s t 鋤o ft h es o l a re l e c 砸cv 枷c l e t 1 1 e m a i nc o n t e n t so fm ea r ea sf b l l o w s 1 d e s i 印i n gt h ec a rb o d ya n dc h a s s i s b u i l m n g 吐l ec o m p l e t e3 dm o d e l so fm e s o l a re l e c t r i cc a rb yp r o e n g i n e e rs o r w a r e 2 t h en l l l i 耐c a lc a l c u l a t i o no fm e 枷n g p r o c e s so nt h eh o r i z o n t a lr o a do fm e s o l a rv e l l i c l em o d e li sm a d eb yf l u e n ts o 腳a r e t h es o l a re l e c t r i cr e s i s t a l l c e c h a r a c t 謝s t i c sa r es t u d i e da 1 1 dt h en e wv e h j c l eb o d ym o d e li sd e s i 印e da c c o r d i n gt om e n a w so f 也eb o d yd e s i 印 a n dm ea p p e a r a n c es t r u c t u r ei si m p r 0 v e d t h es i mu l a t i o n r e s u l to fm eo r i 西n a lb o d ym o d e la n dm ei i n p r o v e db o d ym o d e la r ea n a l y z e d t h e s i i i m l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm ei m p r 0 v e db o d ym o d e lr e d u c e st h ew i n dr e s i s t a n c e c o e f j e i c i e n t s 鋤di ti sm o r ec o r r e s p o n d i n gw i t ht h ed e s i g np r i n c i p l e so fe n v i r o 姍e n t a l p r o t e c t i o na n de c o n o my 3 s t u d y i n gm e 幽v i n gc o n t m ls y s t e mo fs o l a u r e l e c t r i cv e h i c l e b u i l d i n gt h e c o l l t r 0 1 l i n g m o d e l b ym a t l a b s i m u l i n ks o 腳a r e a 1 1 d t h e v i n gs y s t e m c o i 衄0 1 1 e d b yp i d鋤d t 1 1 ed r i 訪n gs y s t 鋤c o n t l 的1 l e db ya d a p t i v em a n n e ra r e r e s p e c t i v e l ys i m u l a t e da n dc o n 婦s t i v e l ya i l a l y z e d t h e 鋤a l y s i sr e s u l ts h o w st h a tt h e c o n 扛o l l i n gs y s t e mb yp i di ss u p e r i o rt om ec o n 仃o l l i n gs y s t e mb ya d a p t i v em 粕n e ri n e n e r g ys a v i n g k e yw o r d s s o l a rc a r 3 dm o d e l f l u e n t p i d a d a p t i v e 嘶v i n gc o n 仃o l i i n gs y s t 鋤 第1 章緒論 第1 章緒論 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們物質(zhì)生活水平的不斷提高 汽車保有量日益增加 傳統(tǒng)的汽車給人們帶來出行方便的同時(shí) 也帶來了負(fù)面的影響 因?yàn)閭鹘y(tǒng)的汽車 是以汽油或柴油為汽車提供動(dòng)力 由于地球的石油資源是有限的 而汽車的尾氣 排放到空氣中對(duì)人類產(chǎn)生巨大危害 因此世界各國把環(huán)境和能源作為首要的問題 環(huán)境問題就是空氣污染 而空氣污染近一半是來自汽車排放的有害氣體 能源問 題主要是世界上的大部分汽車都是以石油為驅(qū)動(dòng)力 世界石油資源是有限的 因 此人類將要面臨能源危機(jī) 解決環(huán)境和能源問題首先是提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效 率和排放尾氣標(biāo)準(zhǔn) 其次開發(fā)新型可用能源作為汽車動(dòng)力源 1 1 而開發(fā)新型可用能 源是最行之有效的方法 目前已經(jīng)投入使用的電動(dòng)車和正在開發(fā)的混合動(dòng)力汽車 正逐漸替代傳統(tǒng)汽車 它們的使用標(biāo)志著人類在開發(fā)新型可用能源已取得重大成 果 而同時(shí)每年世界各個(gè)國家舉行的太陽能汽車比賽 證明了太陽能在汽車上應(yīng) 用以成為現(xiàn)實(shí) 因?yàn)樘柲苣茉簇S富 用之不竭和環(huán)保 2 所以全世界各個(gè)國家把 太陽能汽車的開發(fā)放在首位 1 1 本文研究的背景及意義 1 1 1 研究背景 汽車作為人類交通工具之一 給人類帶來便利同時(shí) 也隨之帶來負(fù)面的影響 伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 汽車的發(fā)展速度更快 其負(fù)面的影響表現(xiàn)的更為明顯 汽車 的保有量的增加 導(dǎo)致所需要的燃油量就越多 本國石油在供求上出現(xiàn)了供不應(yīng) 求 迫使從很多國家紛紛進(jìn)口 導(dǎo)致很多國家的石油價(jià)格飛速上漲 人類陸地上 大部分交通工具所用的動(dòng)能都是汽油或者柴油燃燒產(chǎn)生的 而它們都是從石油中 提煉出來的石油制品 全世界汽車的保有量逐年上漲 汽車工業(yè)的發(fā)展將要受到 石油制品的制約 空氣中的污染物體大部分是傳統(tǒng)汽車排放的尾氣 這些污染物嚴(yán) 重的危害了人類生存的環(huán)境 導(dǎo)致全球變暖和天氣變化異常 在面對(duì)能源短缺和 環(huán)境惡化這樣嚴(yán)重的問題下 世界各國紛紛對(duì)汽車制造商制定了相應(yīng)的法律 各 沈陽理工入學(xué)碩士學(xué)位論文 國以把在新能源的領(lǐng)域開發(fā)放在首位 汽車尾氣排放的法律法規(guī) 歐洲的一些發(fā)達(dá)國家分別出臺(tái)并頒發(fā)汽車尾氣排 放法規(guī) 并且越來越嚴(yán)格 在法律法規(guī)的驅(qū)動(dòng)下更促進(jìn)了汽車向發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒燃料 充分 尾氣污染逐漸減少 環(huán)境污染小等 把它作為發(fā)展目標(biāo) 自從1 9 9 2 年開始 頒發(fā)歐洲i 號(hào)到現(xiàn)在近二十年先后頒布五次排放標(biāo)準(zhǔn) 歐盟實(shí)行的汽車尾氣排放標(biāo) 準(zhǔn)如表1 1 除了二氧化碳以外還對(duì)其它氣體在排放受到了限制 并且歐盟在2 0 0 8 年頒發(fā)并執(zhí)行了歐 汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn) 這更促使一些全球頂級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā) 部門加速發(fā)動(dòng)機(jī)的更新速度 寶馬發(fā)動(dòng)機(jī)n 5 3 在2 0 0 6 其排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于排放標(biāo)準(zhǔn) 為了進(jìn)一步降低排放標(biāo)準(zhǔn)在2 0 1 0 年設(shè)計(jì)的直列四缸n 2 0 發(fā)動(dòng)機(jī)其c o 為0 6 但是發(fā)動(dòng)機(jī)無論怎么改進(jìn)依然離不開汽油和柴油 目前 寶馬制定出進(jìn)五年 的計(jì)劃開發(fā)新能源汽車 其太陽能汽車是首選 而我國已經(jīng)實(shí)行歐i i i 尾氣排放標(biāo) 準(zhǔn) 在十二五期間預(yù)計(jì)能與歐盟所制定排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致 3 表1 1 歐洲輕型汽車排放標(biāo)準(zhǔn) c d g 枷一1 3 1 6 舊七 晷o n o fg 酊1 x 日c g 砌一1 1 1 3 o 0 0 5 o o 0 0 1 5 0 0 2 0 9 0 o 0 6 0 0 9 一個(gè)國家汽車業(yè)的發(fā)展代表著這個(gè)國家的工業(yè)水平 德國作為工業(yè)發(fā)達(dá)國家 它的汽車工業(yè)水平排在全球前列 目前 寶馬和奔馳公司紛紛前來中國開辦工廠 建立生產(chǎn)線 把先進(jìn)的汽車工業(yè)本土化 增加其年銷售量 寶馬以每年在中國銷 售四十萬輛為目標(biāo) 全世界所有的汽車廠都看中了中國銷售市場(chǎng) 都來生產(chǎn)且銷 售 還有中國本土的汽車 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì) 每年在中國要銷售數(shù)千萬車輛 汽車 的保有量在劇增 而每年汽車將要燃燒石油數(shù)億噸 如果這些燃料沒有充分燃燒 排放到空氣中 就產(chǎn)生嚴(yán)重污染 導(dǎo)致全球變暖和氣候異常 同時(shí)伴隨著能源的 不斷緊缺 為了保護(hù)我們?nèi)祟惖纳姝h(huán)境 開發(fā)新型能源是解決環(huán)境污染和石油 第1 蕈緒論 短缺的最好辦法 近幾年人類在開發(fā)新能源汽車上已取得很大的成就 從混合動(dòng) 力汽車和燃料汽車到電動(dòng)汽車 充分說明人們正在研制新能源汽車來取代傳統(tǒng)汽 車 人類在不斷探索和研究中發(fā)現(xiàn)了太陽能的資源豐富 無污染 環(huán)保且用之不 完等優(yōu)點(diǎn) 并隨著光伏技術(shù)轉(zhuǎn)換率的提高 全世界都在研究太陽能汽車 這為太 陽能汽車領(lǐng)域的發(fā)展開辟了嶄新的篇章 4 5 表1 2 各種能源汽車性能比較 1 1 2 研究意義 傳統(tǒng)汽車所用的燃料是汽油或柴油 而汽油和柴油是從石油提煉出來 石油 的資源是由限的 汽車的保有量的迅速增加至使石油資源不斷在減少 汽車發(fā)動(dòng) 機(jī)將燃燒的燃料一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)力 另一部分卻沒完全燃燒排放到空氣中 形成 了空氣污染破壞了原有的自然世界 造成現(xiàn)有的環(huán)境惡化 氣溫異常和資源缺乏 為了應(yīng)對(duì)這些問題各國研究了 3 所用的能源是石油和電的混合動(dòng)力汽車 而且主 要的動(dòng)力仍然是汽油或柴油燃燒后轉(zhuǎn)化的 以氫氣燃燒后轉(zhuǎn)化動(dòng)力的燃料電池 以充電為主的純電動(dòng)車和干凈 無污染的太陽能電動(dòng)車 從1 2 圖可以對(duì)比太陽能 電動(dòng)車的優(yōu)點(diǎn)超過以其它能源為燃料的汽車 太陽能電動(dòng)車之所以被視為未來 綠色汽車 因?yàn)樘柲艿馁Y源豐富且無限 所以是取代傳統(tǒng)汽車能源的最好能源 太陽能應(yīng)用于汽車上具有沒有廢氣排放 無噪音 對(duì)人類生存的自然生態(tài)環(huán)境無影響 同時(shí)整車結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)汽車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 沒有發(fā)動(dòng)機(jī) 是現(xiàn)階段噪聲最小的交通工具 歸納總結(jié) 太陽能電動(dòng)車有如下優(yōu) 點(diǎn) 3 7 沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 低噪音 無污染 太陽能電動(dòng)車所用能量是陽光照射到太陽能電池板的化學(xué) 材料反應(yīng)長生電流為電機(jī)或蓄電池充電 無需花費(fèi)任何費(fèi)用 無廢氣排放 由于 沒用發(fā)動(dòng)機(jī)行駛時(shí)產(chǎn)生噪聲 機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)噪聲小 2 節(jié)能 太陽能電動(dòng)車行駛時(shí)不需要任何石油燃料 而且能源可以回收利用 3 能源利用效率高 傳統(tǒng)汽車所用發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的 所以在的啟動(dòng)和減速制 動(dòng)或停車時(shí) 及停車怠速時(shí)零部件的機(jī)械摩擦將會(huì)耗費(fèi)部分能量 能量利用大大 降低了 太陽能電動(dòng)車由于動(dòng)力傳動(dòng)的部件數(shù)量相對(duì)少 能量在傳遞過程中沒有 過多損耗 大大提高能源利用率 4 控制性能較好 太陽能電動(dòng)車傳動(dòng)系主要是無刷直流電動(dòng)機(jī)通過電流調(diào)節(jié)車 速 控制系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)控制 易于實(shí)現(xiàn)人機(jī)運(yùn)動(dòng)控制 5 易于駕駛 無需電子點(diǎn)火 只需踩踏加速踏板便可啟動(dòng) 利用控制器來控制 電機(jī)的電流或電壓 從而實(shí)現(xiàn)其不同路況的行駛速度 6 太陽能電動(dòng)車沒有內(nèi)燃機(jī) 離合器 變速箱 傳動(dòng)軸 散熱器 排氣管等零 部件 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造難度降低 太陽能電動(dòng)車基于這些優(yōu)點(diǎn) 各個(gè)國家把太陽能電動(dòng)車作為研究的主要對(duì)象 紛紛制定新能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo) 大力發(fā)展太陽能汽車 1 2 國內(nèi)外太陽能電動(dòng)車研究現(xiàn)狀 1 2 1 國外研究現(xiàn)狀 1 9 5 4 年 世界上第一塊太陽能電池研制成功 為太陽能源的開發(fā)和利用書寫 了新的新篇章 1 9 8 2 年澳大利亞人漢斯和帕金用玻璃纖維和鋁制成了一部 靜靜的完成者 太 陽能汽車 車頂部裝有能吸收太陽能的裝置 給兩個(gè)電池充電 電池再給發(fā)動(dòng)機(jī) 提供電力 1 2 月1 9 日 兩人駕駛著這輛車 從澳大利亞西海岸的珀思出發(fā) 橫穿 澳大利亞大陸 于1 9 8 3 年1 月7 日到達(dá)東海岸的悉尼 實(shí)現(xiàn)了一次偉大的創(chuàng)舉 1 9 8 4 年 在瑞士舉行的世界首屆電動(dòng)汽車與太陽能車比賽 標(biāo)志著太陽能作 為汽車的能源是可行的 1 9 8 7 年1 1 月 在澳大利亞舉行的世界太陽能汽車?yán)?來自7 個(gè)國家2 5 輛太陽能汽車參加比賽 賽程全長3 2 0 0 k m 幾乎縱貫整個(gè)澳大利亞 在這次大賽 第l 章緒論 中 美國 圣雷易莎 號(hào)太陽能賽車歷時(shí)4 4 小時(shí)5 4 分鐘跑完全程 奪得了冠軍 1 9 9 6 年芬蘭研制太陽能三輪車 曲線型的太陽能板安裝在車的后部 將太陽 能電池板轉(zhuǎn)換能量儲(chǔ)存在的蓄電池中 由2 5 0 w 的直流電動(dòng)機(jī)向三輪車提供動(dòng)力 行駛距離每小時(shí)2 5 公里 2 0 1 0 年加拿大馬塞洛 用時(shí)1 0 年 花費(fèi)進(jìn)5 0 萬美元制造出一款新型太陽能 汽車 他駕駛著自己研制的新型太陽能汽車 從加拿大到了美國洛杉磯 最后到 了中國 向人們展示他的杰作 宣傳環(huán)境保護(hù)需要開發(fā)新能源汽車 安裝在汽車 表面的這些小型太陽能電池板可以為這輛車提供所需的動(dòng)力 在有陽光的日子里 這輛車行駛上百千米 而且只需要6 s 就能將車速從o 提高到5 0 h 1 1 1 最高車速可 達(dá)1 1 2 h 訛 該車特點(diǎn)是節(jié)能 環(huán)保 無噪音 不花費(fèi)任何燃料費(fèi)用 上述所用太陽能電池以單晶硅太陽能電池為主 一般使用公路作為比賽線路 而參與者主要是汽車公司 科研院所及大學(xué) 學(xué)生參賽隊(duì)使用的太陽能電池的轉(zhuǎn) 換效率一般在8 1 4 企業(yè)參賽隊(duì)則在1 9 2 3 技術(shù)和資金充裕的隊(duì)伍幾乎 全部使用了m p p t 裝置 這些太陽能賽事為太陽能汽車的發(fā)展提供了良好契機(jī) 同時(shí)也為各種新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供了一個(gè)良好的載體 1 2 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 0 世紀(jì)7 0 年代初世界上出現(xiàn)的開發(fā)利用太陽能熱潮 對(duì)我國的太陽能發(fā)展事 業(yè)也產(chǎn)生了巨大影響 一些由遠(yuǎn)見的科技人員紛紛投身太陽能事業(yè) 積極向政府 有關(guān)部門提建議 出書辦刊 介紹國際上太陽能利用的新動(dòng)態(tài) 并在農(nóng)村推廣應(yīng) 用太陽灶 在城市研制開發(fā)太陽能熱水器 空間用的太陽能也開始在地面上應(yīng)用 1 9 7 5 年 河南安陽召開的 全國第一次太陽能利用工作經(jīng)驗(yàn)交流大會(huì) 進(jìn)一步推 動(dòng)了我國太陽能事業(yè)的發(fā)展 這次會(huì)議的影響下 太陽能研究和推廣工作納入了 我國政府計(jì)劃 獲得了專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)和物資支持 一些大學(xué)和科研院所紛紛設(shè)立太陽 能課題組和研究室 有的地方開始籌建太陽能研究所 目前 我國也興起了開發(fā) 利用太陽能的熱潮 這一時(shí)期 興建太陽能并網(wǎng)發(fā)電和太陽能熱水器利用 太陽 能開發(fā)利用研究出現(xiàn)前所未有的發(fā)展時(shí)期 具有以下特點(diǎn) 1 我國也開始積極參與太陽能汽車開發(fā)利用工作 并制定近期和長遠(yuǎn) 太陽能汽 車計(jì)劃 政府支持力度大大加強(qiáng) 同時(shí)一些汽車生產(chǎn)廠研制太陽能電動(dòng)觀光車 這些太陽能觀光車受到了高爾夫球場(chǎng)和一些房地產(chǎn)開發(fā)商青睞 在十二五期間我 沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 國把發(fā)展太陽能作為首要任務(wù) 全國各地都能看到太陽能利用的設(shè)備 太陽能路 燈 汽車的太陽能天窗 太陽能熱水器 太陽能汽車 2 改革開放以來人們的收入水平不斷增加 一些太陽能汽車愛好者出資自己設(shè) 計(jì)太陽能電動(dòng)車又掀起太陽能利用的新潮 從大學(xué)校園設(shè)計(jì)的太陽能電動(dòng)車到個(gè) 人設(shè)計(jì)的太陽能電動(dòng)車 2 0 世紀(jì)末到2 l 世紀(jì)初大學(xué)生和個(gè)人愛好者紛紛設(shè)計(jì)自己的太陽能電動(dòng)車 這 些太陽能電動(dòng)車均采用太陽能電池板和鉛酸蓄電池作為動(dòng)力源 清華大學(xué)學(xué)生自 己設(shè)計(jì) 制造的中國第一輛具有代表性的 追日 號(hào)太陽能電動(dòng)車 同時(shí)參加了日本 能登國際太陽能汽車?yán)愐詢?yōu)異成績獲得第1 3 名 而大連大學(xué)學(xué)生設(shè)計(jì) 制造 的太陽能汽車時(shí)速最高達(dá)到12 0 b 訛 江蘇太陽能汽車愛好者花了八年時(shí)間設(shè)計(jì)制造了兩輛太陽能汽車 第一輛太陽 能汽車由6 平方米太陽板和5 組電瓶等材料制成太陽能汽車 據(jù)試驗(yàn) 該車正常 時(shí)速3 0 至8 0 公里 光照2 天可行駛1 2 0 1 5 0 公里 第二輛的太陽能汽車動(dòng)力部 分由2 1 6 塊太陽能電池片和2 4 組電瓶組成 充滿電后可行駛2 5 0 多公里 太陽能 充一天電可行駛3 5 公里 時(shí)速5 0 6 0 公里 基于上述太陽能電動(dòng)車的發(fā)展歷程 太陽能電動(dòng)車技術(shù)具有下列幾方面的發(fā)展 趨勢(shì) 1 目前為止 太陽電動(dòng)車開發(fā)利用在拉力比賽上 一些風(fēng)景區(qū)和高爾夫球場(chǎng)等 僅限于小批量生產(chǎn) 這些太陽能電動(dòng)車行駛里程相對(duì)短 并沒有在轎車上投 入生產(chǎn) 2 太陽能電動(dòng)車車身和底盤 駕駛控制系統(tǒng) 電力系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等理論和應(yīng) 用不成熟 不完善 3 太陽能電動(dòng)車研發(fā)經(jīng)費(fèi)較高 尤其是光伏技術(shù)的研究耗資成本巨大 要想把 太陽能轉(zhuǎn)換率從3 0 提高的更多需要做更多的實(shí)驗(yàn)和培養(yǎng)這方面的人才將是耗資 成本主要方面 1 2 2 太陽能電動(dòng)車的主要技術(shù) 到目前為止 在汽車上應(yīng)用太陽能技術(shù)主要有兩個(gè)方面 1 作為驅(qū)動(dòng)力 2 用作汽車輔助設(shè)備的能源 完全用太陽能作為驅(qū)動(dòng)力代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油 是最 第1 章緒論 理想太陽能汽車 也是太陽能汽車研究領(lǐng)域的焦點(diǎn) 6 7 太陽能電動(dòng)車主要是太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的一種半導(dǎo)體材料 太陽能電池板在陽光的照射下產(chǎn)生的能量帶動(dòng)電子從一個(gè)半運(yùn)動(dòng)金屬離子的一層 一到另一個(gè)層面 電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了電力 太陽能電池通常分為硅電池 砷化鎵 電池等 其中最常用的是硅太陽電池 因?yàn)楣杼柲茈姵啬馨? 0 1 5 的太陽能 轉(zhuǎn)化成電能 既使用方便 晶球耐用 且很干凈 不污染環(huán)境 是比較理想的一 種電源 只是光電轉(zhuǎn)化率小一些 近年來 美國已研制成光電轉(zhuǎn)化率大3 5 的高 性能太陽能電池 澳大利亞用激光技術(shù)制造成的太陽能電池 其光電轉(zhuǎn)化率大 2 4 2 而且成本與柴油機(jī)發(fā)電相當(dāng) 這些都為光電池在汽車上的應(yīng)用開辟了廣闊 的前景 3 車身和底盤技術(shù) 在設(shè)計(jì)太陽能電動(dòng)車車身時(shí)要讓阻力達(dá)到最小 而使太陽能與太陽光的接觸 比達(dá)到最大值 且質(zhì)量要盡量小 無論是傳統(tǒng)汽車還是節(jié)能環(huán)保的新能源汽車都 必須考慮乘車的安全性 但安全系數(shù)盡量達(dá)到最高 在這些方面我們得到很多理 論作為支撐 如在車子的形狀和尺寸上都得花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行是跑試驗(yàn) 進(jìn)而 測(cè)出試圖的到最佳的外形效果圖 或是在p r o e n g i n e e r 三維建模及裝配環(huán)境下 設(shè)計(jì)了太陽能電動(dòng)車模型 然后通過c f d 軟件f l u e n t 對(duì)其在水平路面的行駛過程 進(jìn)行了數(shù)值仿真 對(duì)太陽能電動(dòng)車的阻力特性進(jìn)行了分析并針對(duì)車身存在的設(shè)計(jì) 缺陷進(jìn)行了改進(jìn) 完善了外形結(jié)構(gòu) 降低了風(fēng)阻系數(shù) 使其更加符合設(shè)計(jì)原則 太陽能電動(dòng)車的底盤最主要要求是強(qiáng)度和安全度達(dá)到最佳 并且質(zhì)量最小 每千克的質(zhì)量都需要足夠大的能量使其在路面上移動(dòng) 這就意味著車子的質(zhì)量應(yīng) 該減到最小 這就是汽車底盤關(guān)鍵部分 因此 安全是一項(xiàng)基本的要求 底盤必 須具有嚴(yán)格的強(qiáng)度和安全系數(shù)要求 4 驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)技術(shù) 太陽能電動(dòng)車通常所使用的雙線圈 高速線圈和低速線圈 交流無刷電機(jī) 這種 無刷電機(jī)由輕質(zhì)量材料做成 在額定轉(zhuǎn)速下達(dá)到較高的使用率 價(jià)格比普通有刷 電機(jī)貴 由于太陽能電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)的部件少 高速線圈起到了改便控制速度 頻率作用 低速線圈作為太陽能電動(dòng)車的啟動(dòng)和減速時(shí)增加傳動(dòng)力矩裝置 5 儲(chǔ)能蓄電池技術(shù) 沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 蓄電池是一種最輕便的電力資源 蓄電池組就相當(dāng)與普通汽車的油箱 太陽 能電動(dòng)車使用的蓄電池組來儲(chǔ)存電能 以便在必要時(shí)使用 太陽能汽車啟動(dòng)裝置 控制著蓄電池組 但是當(dāng)太陽能汽車開動(dòng)后 是通過太陽能陣列提供能量 再充 到蓄電池組內(nèi) 由于各中原因 大量的蓄電池作為能量被使用是有限 而大部分 蓄電池都是化學(xué)電池 如鉛酸蓄電池 鎳鎘蓄電池 鋰電池 鋰聚合物電池等 鎳鎘 鋰電池 鋰聚合物電池比鉛酸蓄電池可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)提高蓄電能力 質(zhì)量也比鉛 酸蓄電池要小得多 但是它們很少在太陽能電動(dòng)汽車廣泛應(yīng)用 主要是因?yàn)榫S護(hù) 不便 而且價(jià)格昂貴 6 能量管理系統(tǒng) 能量管理系統(tǒng)是太陽能電動(dòng)車發(fā)展核心技術(shù)之一 它對(duì)其太陽能電動(dòng)車的動(dòng) 力性有著重要的意義 能量管理系統(tǒng)主要包括電池剩余容量 電池的充放電控制 由于各種情況下對(duì)應(yīng)的能量消耗調(diào)整方法不同 能量有余的情況下加速電流增加 不足的情況下加速電流變小 轉(zhuǎn)彎加速的情況下需要調(diào)整較長的慣性行駛時(shí)間 因此合理匹配及正確地使用與維護(hù) 不僅能大大提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程 而且 能提高電池的使用壽命 1 3 本文研究的主要內(nèi)容 結(jié)合前面對(duì)太陽能電動(dòng)車國內(nèi) 外發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展意義 分析了太陽能電 動(dòng)車的基本組成 結(jié)構(gòu)和原理 對(duì)太陽能電動(dòng)車模型設(shè)計(jì)具體工作步驟如下 1 學(xué)習(xí)研究太陽能電動(dòng)車的組成 結(jié)構(gòu)和理論系統(tǒng) 2 閱讀了大量的國內(nèi) 外太陽能汽車設(shè)計(jì) 在p r o e n g i n e e r 三維軟件環(huán)境 下設(shè)計(jì)了多款太陽能電動(dòng)車模型 3 然后通過c f d 軟件f l u e n t 對(duì)其在水平路面的行駛過程進(jìn)行了數(shù)值仿真 對(duì) 太陽能電動(dòng)車的阻力特性進(jìn)行了分析并針對(duì)車身存在的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行了改進(jìn) 完 善了外形結(jié)構(gòu) 降低了風(fēng)阻系數(shù) 使其更加符合環(huán)保 經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)原則 通過對(duì) 仿真試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比 驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的太陽能電動(dòng)車車身外形的合理性 進(jìn) 一步說明其設(shè)計(jì)的可行性 4 行駛系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 對(duì)太陽能電動(dòng)車行駛系統(tǒng)進(jìn)行分析研究 通過m a t l a b s i m u l i n k 軟件 對(duì) 第1 章緒論 p i d 行駛控制系統(tǒng)和白適應(yīng)控制行駛系統(tǒng)分別建立仿真模型 并對(duì)所建立的仿真模 型進(jìn)行調(diào)試 仿真 5 仿真曲線分析 仿真結(jié)果顯示采用參考模型的自適應(yīng)控制系統(tǒng) 無論從總體動(dòng)態(tài)性能還上從 靜態(tài)性能上都優(yōu)于p i d 控制系統(tǒng) 基于自適應(yīng)控制超調(diào)量大 調(diào)節(jié)時(shí)間短特點(diǎn) 能保證在不同的負(fù)重載荷和電池供電情況下 有效地提高電機(jī)的工作效率 調(diào)節(jié) 車速平穩(wěn)輸出 使車速按規(guī)定行駛 沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章太陽能電動(dòng)車原理及動(dòng)力系統(tǒng)總方案 2 1 太陽能電動(dòng)車基本原理 太陽能電動(dòng)車的工作原理 1 如圖所示2 1 圖2 1 太阡1 能電動(dòng)車基本原理 太陽能電池板將收集的太陽光和其它形式的光照射在太陽能電池板表面上 內(nèi)部建立了電場(chǎng)變生產(chǎn)電流 峰值最大跟蹤器將根據(jù)太陽能電動(dòng)車行駛條件的需 要 將轉(zhuǎn)化的電流傳送到蓄電池 并貯存起來 也可以直接輸送到電動(dòng)機(jī)控制器 或是根據(jù)行駛的工況蓄電池和太陽能電池板將同時(shí)為電機(jī)提供電流 控制器控制 電流的大小來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速 并且通過傳動(dòng)系將動(dòng)力傳遞給車輪 最終使太陽能 電動(dòng)車行駛起來 太陽能電動(dòng)車在晴天行駛時(shí) 開始運(yùn)行階段太陽光轉(zhuǎn)化的電能 直接被傳送到電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) 隨著行駛時(shí)間的增加更多來自太陽能電池板的能 量將超過了電動(dòng)機(jī)控制器系統(tǒng)的范圍 在這種情況下 一部分提供給電機(jī) 額外 的那部分能量會(huì)被蓄電池儲(chǔ)存起來供以后行駛需要 在陰天或是在雨天太陽光照 射在太陽能電池板上產(chǎn)生的能量不能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí) 被蓄電池儲(chǔ)存的能量將用來 補(bǔ)充太陽能電池板那部分能量 使得太陽能電動(dòng)車能正常行駛 滿足行駛需求 當(dāng)太陽能電動(dòng)車停車不用時(shí) 此時(shí)太陽能電池板產(chǎn)生的能量被蓄電池儲(chǔ)存起來 太陽能車在加速行駛或減速停車時(shí) 使用的機(jī)械制動(dòng)并不象傳統(tǒng)汽車那樣 而是 第2 蘋太陽能電動(dòng)車原理及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總方案 通過對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的電流控制 使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變成發(fā)電機(jī) 將其產(chǎn)生電流被蓄電池 存儲(chǔ) 以便使用 在這種情況下使得電能回收利用 更充分有效利用太陽能 達(dá) 到節(jié)能 太陽能電動(dòng)車通常安裝太陽能最大功率跟蹤裝置 m p p t 而且在太陽能 電動(dòng)車上的作用是控制所用的能量 使能量分配的更加合理 如圖2 2 太陽能電動(dòng) 車能量匹配圖 蘭竺 l 圖2 2 太陽能電動(dòng)車能量匹配圖 2 1 1直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體布置 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是太陽能電動(dòng)車的最主要的核心部位 它的作用是在駕駛員 的控制下 高效的將太陽能電池板和蓄電池的能量根據(jù)太陽能電動(dòng)車不同的的行 駛路況轉(zhuǎn)化車輪上的力使得車輛能夠行駛 2 1 1 1 太陽能電動(dòng)車對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求 1 0 1 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性與太陽能電動(dòng)車負(fù)載特性匹配滿足要求 低速能傳 遞大轉(zhuǎn)矩 高速能傳遞小轉(zhuǎn)矩 2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)性能好 能平順和迅速控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 適應(yīng)太陽能 電動(dòng)車啟動(dòng) 停車 加速和減速等各個(gè)工況需求 3 恒速 恒功率高和成本低 4 功率密度高 自身的質(zhì)量和體積小 5 使用壽命長 能夠在惡劣環(huán)境下可靠地工作 且能夠承受高達(dá)幾倍的過載 溫度適應(yīng)性強(qiáng)和維修方便 2 1 1 2 太陽能電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和調(diào)速控制系統(tǒng) 1 電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和類型 電動(dòng)機(jī)的類型有兩大類分別是永磁電動(dòng)機(jī)和非永磁電動(dòng)機(jī) 永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 子用永磁鐵制成 因此這種電機(jī)不需要電刷 可靠性能高 其結(jié)構(gòu)緊湊 質(zhì)量小 沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 性能好 同時(shí)也具有節(jié)能省電的優(yōu)點(diǎn) 這種電機(jī)近幾年廣泛發(fā)展 非永磁電動(dòng)機(jī)分為串激電機(jī)和并激電機(jī) 串激電機(jī)是將勵(lì)磁線圈與激磁線圈 串聯(lián)的電機(jī) 并激電機(jī)是將勵(lì)磁線圈與激磁線圈并聯(lián)的電機(jī) 兩種電機(jī)各有優(yōu)缺 點(diǎn) 2 調(diào)速控制系統(tǒng) 可控硅調(diào)速是最常見傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)是成本低 缺點(diǎn)是耗能大 控制精 度低 目前已經(jīng)被i g b t 新型調(diào)速元件取代 可控硅由于成本低被應(yīng)用在公共汽車 上 3 太陽能電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)的布置方案 1 4 太陽能電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)的布置方式有分為三種 其中各種所用傳動(dòng)件是不同 的 分別為 1 傳統(tǒng)型驅(qū)動(dòng)方式 2 減速驅(qū)動(dòng)方式 3 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式 傳統(tǒng)型驅(qū)動(dòng)方式就像普通汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)一樣 將電動(dòng)機(jī)布置在燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的 位置上 如圖2 3 所示 機(jī)械變速器主要是為了提高啟動(dòng)和爬坡等工況的要求 后 差速 主減速器與傳統(tǒng)汽車一樣 優(yōu)點(diǎn)是駕駛員操作方便 控制簡(jiǎn)單 但缺點(diǎn)是 傳動(dòng)線路長所以消耗能量高 噪音較大 整車質(zhì)量重 行駛時(shí)速度低 行車距離 短 圖2 3 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式 減速驅(qū)動(dòng)方式由于在傳動(dòng)系統(tǒng)上所用零部件減少 故此整車質(zhì)量輕 驅(qū)動(dòng)輕 便 但是控制性相對(duì)復(fù)雜 并且能量耗損相對(duì)減少 如圖2 4 所示 圖2 4 減速驅(qū)動(dòng)方式 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式在整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)中傳動(dòng)部件最少 縮短了傳動(dòng)里程 減少了能 量傳遞的損耗 傳遞功率大 車輛質(zhì)量最輕 在相同能量的前提下行駛距離最長 結(jié)構(gòu)緊湊 但成本高 控制系統(tǒng)是核心的關(guān)鍵問題 圖2 5 所示 第2 章太剛能電動(dòng)車原理及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總方案 圖2 5 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式 2 1 1 3 典型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型及特性 1 2 1 6 1 直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)是有刷電動(dòng)機(jī) 控制方式是最常見的斬波器控制 由于低速轉(zhuǎn)矩高 高速時(shí)的轉(zhuǎn)矩恒功率的不足特性 完全滿足太陽能電動(dòng)車行駛 時(shí)的需求 它可以通過脈寬調(diào)制控制方法來實(shí)現(xiàn) 從而實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的變壓調(diào) 速 直流電動(dòng)機(jī)是太陽能電動(dòng)車最常見的動(dòng)力系統(tǒng) 它具有控制簡(jiǎn)單 啟動(dòng)加速 能力大 成本低和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)是電刷和換向器磨損后需經(jīng)常換更 效 率低 電刷需要經(jīng)常維護(hù) 使用不便 電刷和換向器的使用壽命限制了轉(zhuǎn)速 最 終導(dǎo)致體積和質(zhì)量變大 2 交流電機(jī) 被應(yīng)用于各種交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中 尤其是最成熟最完善籠 式異步電動(dòng)機(jī)的技術(shù) 應(yīng)用最廣泛 因?yàn)樗∠藱C(jī)械換向器且轉(zhuǎn)子上無繞線組 與直流電動(dòng)機(jī)相比具有 效率高 調(diào)速范圍寬 體積和質(zhì)量小 壽命長和維修方 便 3 開關(guān)磁阻電機(jī) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 工作可靠 它無換向器 電刷 用雙凸極轉(zhuǎn)子 定子采用集中繞組 轉(zhuǎn)子無礪磁 轉(zhuǎn)子終生不用維護(hù) 定子繞組電流具有單向性 為此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 電機(jī)轉(zhuǎn)速與電流無關(guān) 適用于寬范圍調(diào)速 開關(guān)磁阻電 機(jī)的缺點(diǎn)是最大速度不受限制 功率密度和效率沒有永磁無刷直流電機(jī)那么好 振動(dòng)和噪聲也非常大 4 永磁無刷電機(jī) 永磁直流電機(jī)具有調(diào)速動(dòng)態(tài)性能良好和交流電機(jī)采用了高 能永磁材料 對(duì)設(shè)定的輸出的功率 體積和現(xiàn)有的質(zhì)量可以適度調(diào)整的 因此具 有功率密度的性能 由于轉(zhuǎn)子無繞組 所以效率高于其它電動(dòng)機(jī) 定子是主要是 傳熱部件 為此易于采取散熱措施 而且具有近似于梯形磁密波形 不存在 無火 花換向區(qū) 由于它兼?zhèn)淞似渌姍C(jī)固有的特性 而且具有其它的功率密度和效率 高的最優(yōu)特性 永磁無刷直流電機(jī)具有最優(yōu)特性 故廣泛適用于電動(dòng)汽車和太陽 能電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)上 沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 太陽能電池板的選擇方案 2 2 1 太陽能電池工作的基本原理 1 9 太陽能是一種輻射能 它必須借助兩種能量相互轉(zhuǎn)換器才能將太陽能轉(zhuǎn)化為 電能 而這種能量轉(zhuǎn)化就是太陽能電池板 太陽能電池發(fā)電的原理是太陽能電池 板內(nèi)部的半導(dǎo)體p n 結(jié)光生伏打效應(yīng) 所謂的光生伏打效應(yīng)是太陽能電池板將收 集的太陽光或者其他光源照射到自身上時(shí) 其電池板內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化 產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng) 太陽能電池在內(nèi)部建力電場(chǎng)作用下 被產(chǎn)生的 光生電子和空穴被徹底分離開 太陽能電池板的兩端就會(huì)出現(xiàn)相對(duì)的異號(hào)電荷 簡(jiǎn)單地定義為產(chǎn)生 光生電壓 即為是 光生伏打效應(yīng) 在太陽能電池板內(nèi)部建立 電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極的導(dǎo)線 外部所接的負(fù)載就產(chǎn)生 光生電流 流過 此時(shí)便獲得 電壓 從而輸出功率 通過這種方式 太陽能把光能就直接轉(zhuǎn)換成可以實(shí)用的電 能來滿足用電設(shè)備的需求 太陽能電池板就是采用光生伏打效應(yīng)的半導(dǎo)體材料把太陽光照射在電池板上 的熱能接轉(zhuǎn)換成電能的一種設(shè)備 其主要是p n 結(jié)的光伏效應(yīng) 單晶硅的原子是 按照一定的規(guī)律排列的 正價(jià)元素為半導(dǎo)體硅 電子帶負(fù)電 如果在單晶硅中摻 入少量雜質(zhì)元素磷元素之后 在單晶硅原子中就會(huì)有電子所替代的磷原子 此時(shí) 就會(huì)產(chǎn)生多余的自由移動(dòng)的電子 而能夠自由移動(dòng)電子的半導(dǎo)體被別稱為n 型半 導(dǎo)體 如果在單晶硅中摻有帶有正價(jià)硼 鋁等雜質(zhì)元素之 就會(huì)出現(xiàn)硅原子被硼 原子取代 此時(shí)硼元素具有三價(jià)的電子 由于缺少一價(jià)電子 缺少了一個(gè)空穴 通常有多余空穴的半導(dǎo)體被定義為p 型半導(dǎo)體 單晶硅一面是n 型半導(dǎo)體 而另 一面是p 型半導(dǎo)體 而這兩種半導(dǎo)體的公共交界區(qū)域此時(shí)就會(huì)形成一個(gè)的薄層區(qū) 域 此時(shí)就形成了p 型帶有負(fù)電 而n 型帶有正電 原因是p 型半導(dǎo)體具有多余 的空穴 n 型半導(dǎo)體具有多余自由移動(dòng)的電子 在這種情況下 n 區(qū)域的電子就 會(huì)移動(dòng)擴(kuò)散到p 區(qū)域 p 區(qū)域的空穴會(huì)充填擴(kuò)散到n 區(qū)域 在這種情況下形成了 一個(gè)n 區(qū)域指向p 區(qū)域的 內(nèi)建電場(chǎng)方向 的形式 于是就在p n 結(jié)的附近形成了 與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光電場(chǎng) 光生電場(chǎng)的一部分抵消勢(shì)壘電場(chǎng) 其余部分使得p 型區(qū)帶正電 n 型區(qū)帶負(fù)電 于是便產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì) 如果將幾十塊 上百塊太陽 能電池串聯(lián) 并聯(lián)起來裝成太陽能電池組件 在太陽光的照射下 便能輸出電能 第2 章太剛能電動(dòng)車原理及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總方案 2 2 2 太陽能電池板的結(jié)構(gòu) 太陽能電池板產(chǎn)生的電能向太陽能電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力 因此它是太陽 能電動(dòng)車的最重要部分之一 由于太陽能電池板受到天氣環(huán)境的變化的影響 不 能以恒定的電流向電機(jī)供電或是向蓄電池供電能 因此轉(zhuǎn)化的效率相對(duì)低些 目 前 太陽能電動(dòng)車將太陽能電池板安裝在車頂它的作用是不同的 一種太陽能電 池板與蓄電池之間安裝峰值最大跟蹤裝置 它可以根據(jù)溫度的變化調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)化 因此這種使用方式被看為輔助蓄能裝置可增加太陽能電動(dòng)車的行駛里程 另一種 是把太陽能電池板直接作為太陽能電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置 通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化的電流使得車 輛行駛 太陽能電池單位面積小 所以把單位面積稱作為最小的光電轉(zhuǎn)換單元 一般最小的單位面積為4 l o o 伽2 產(chǎn)生電壓約為o 4 5 o 5 v 電流為2 0 2 5 m 以 c m 2 單位面積產(chǎn)生電壓遠(yuǎn)低于用電設(shè)備所需要的實(shí)際電壓 因此將多塊 面積小的太陽能電池板件串聯(lián)使用 這就組成為了太陽能電池板組件 使用中可 以產(chǎn)生所需要的電能 能夠滿足實(shí)際生活中的需要 根據(jù)需要把一些太陽能電池 按照蓄電池的容量可以組成不同的太陽能電池板組 以向不同的蓄電池充電 l 刀 太陽能電池板由上 下兩個(gè)金屬接觸層之間夾著的為硅的p n 接 圖2 6 中所示 上金屬接觸層是柵格狀的 這樣能夠容許光線直接射到p n 接合之上 太陽能電池 板為了保護(hù)太陽能光照射到表面上的陽光損失掉 所以在表面上粘上一層反射薄 膜 因此太陽能板的表面上通?？雌饋硎呛诎档?太陽能電池的上面安有透光 玻璃 目的是太陽能光能穿透玻璃收集更多的熱量 產(chǎn)生更多的電能 以滿足太 陽能電動(dòng)車行駛的需要 1 8 1 2 2 2 1 太陽能電池板主要組成如下 1 9 之o 1 上蓋板 覆蓋在電池的正面 構(gòu)成組件的最外層 由于太陽能電池板受溫度影響需要 透光性能好 且強(qiáng)度高經(jīng)受風(fēng)沙和冰雹等的敲打 保護(hù)太陽能電池板內(nèi)部結(jié)構(gòu) 使用壽命長 2 黏結(jié)劑 起到固定電池作用 并且使的單晶硅金屬處上蓋與下蓋之間保證位置不變化 板密合的關(guān)鍵材料 要求具有在可見光范圍內(nèi)具有高透光性 并抗紫外線老化 同時(shí)具有一定的彈性 可緩沖不同材料間的熱脹冷縮 沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 底板 要求電池既有保護(hù)作用又有支撐作用 通常對(duì)底板的要求為 要具有良好的 耐氣候性能 對(duì)于從背面進(jìn)來的潮氣和其它有害氣體要能夠有效的隔絕 在層壓 溫度的情況下不起任何變化 與上面的粘結(jié)材料要結(jié)合牢固 一般所用的底板材 料為玻璃 有機(jī)玻璃 鋁合金和p v f 復(fù)合膜等 目前生產(chǎn)上應(yīng)用較多的材料一般 就是p v f 復(fù)合膜 4 邊框 太陽能電池組件在使用中便于安裝 所以將太陽能電池板安有邊框 邊框的 材料主要有不銹鋼 鋁合金 橡膠和塑料等 2 2 3新型薄膜太陽能電池 2 1 啦 2 2 3 1非晶硅薄膜太陽能電池 自從1 9 7 6 年世界制造出第一塊非晶硅薄膜太陽能電池 經(jīng)過幾十年的研究人 類研制了新型薄膜太陽能電池 由于非晶硅半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)多 所以被廣泛應(yīng)用 非晶硅半導(dǎo)體材料的原子結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)晶體硅狀 形成一種共價(jià)無規(guī)網(wǎng)狀原子結(jié)構(gòu) 即對(duì)一個(gè)單獨(dú)的硅原子來說 其周圍與單晶硅中原子一樣 由4 個(gè)硅原子組成共價(jià) 鍵 在其鄰近的原子也有規(guī)則的排列 但更遠(yuǎn)一些的原子 其排列則沒有規(guī)律 非晶硅電池與單晶硅電池的工作原理類似 光能轉(zhuǎn)化成電能都是利用半導(dǎo)體的光 生伏打效應(yīng)這一特性來實(shí)現(xiàn)的 非晶硅電池的載流子的擴(kuò)散是以漂移運(yùn)動(dòng)形式運(yùn) 動(dòng)的 由于非晶硅結(jié)構(gòu)中的原子長距離呈無序狀態(tài)和短距離呈無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)狀 產(chǎn) 生了擴(kuò)散現(xiàn)象 載流子在其范圍內(nèi)變化較小 如果光生載流子附近不存在電場(chǎng) 光生載流子幾乎不會(huì)發(fā)生漂移 彼此之間不能完全吸收 為了能更加有效地將載 流子收集 電池被設(shè)計(jì)成為p i n 型 其p 代表陽光入射層 i 代表太陽光吸收層 介 于p 層和n 層之間是內(nèi)建電場(chǎng) 當(dāng)太陽能光照射到p 層通過內(nèi)電場(chǎng)照射到i 層 便可生 成一對(duì)電子一空穴 光生載流子形成后就被內(nèi)建電場(chǎng)分離 空穴漂迅速移動(dòng)到p 參 電子漂移到n 參 便可以產(chǎn)生光生的電流和光生的電壓 非晶硅薄膜電池可以用玻璃 不銹鋼 特種塑料 陶瓷等為襯底 非晶硅電 池襯底由透明玻璃制成 這樣太陽光從玻璃面入射 電流從導(dǎo)電膜和鋁電極輸出 由不銹鋼作為非晶硅電池襯底與單晶硅電池相同 電極在透明導(dǎo)電膜上引出 電 流從電極和不銹鋼流出 結(jié)構(gòu)有兩種 一種是兩層結(jié)構(gòu)使用相同的非晶硅材料 第2 章太陽能電動(dòng)車原理及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總方案 另一種是上層是非晶硅合金 下層是非晶硅鍺合金 以增加對(duì)太陽能光的吸收 上層是寬能量間隙的非晶硅合金層 以便吸收藍(lán)色光線 中間層用含鍺約1 5 的中 等帶能量間隙的非晶硅鍺合金 以便于吸收紅線 2 2 3 2 硒銦銅 c i s 系薄膜太陽能電池 硒銦銅薄膜太陽能電池板是由三種化學(xué)元素化合而成的半導(dǎo)體材料 具有黃 銅礦 閃鋅礦兩個(gè)同素異形的晶體結(jié)構(gòu) 摻人鎵 g a 即形成為四元化合物 c i s 硒 銦銅 和c i g s 硒鎵銦銅 的制備方法很多 歸納起來大致有物理方法和化學(xué)方法兩 種 經(jīng)過多年的研發(fā)c d s c u i i l s e 2 電池組件的效率已達(dá)1 1 c d s c u i i l g a s e 2 電池 組件的效率已達(dá)1 9 5 并已建立起了效率達(dá)1 8 以上的工業(yè)化生產(chǎn)線 目前德國 美國 日本的5 家公司已向市場(chǎng)提供產(chǎn)品 年產(chǎn)量約達(dá)1 0 0 m w 該電池的主要優(yōu)點(diǎn) 是 具有較高的光吸收率 比非晶硅電池效率高 可達(dá)2 0 左右 生產(chǎn)成本低 僅 為晶體硅電池的l 3 1 2 今后應(yīng)在提高電池的穩(wěn)定性和改進(jìn)與完善工業(yè)化生 產(chǎn)工藝技術(shù)等方面進(jìn)一步開展研究 這種電池能否成為可以廣泛生產(chǎn)應(yīng)用的光伏 器件 最為關(guān)鍵的問題是銦的資源保證問題 因?yàn)槭澜玢煹馁Y源十分有限 同時(shí) 鎘的污染問題也是應(yīng)加關(guān)注的問題 2 2 3 3 多晶硅薄膜太陽能電池 多晶硅 p o l y s i 薄膜是由面積不等和不同晶面的晶粒組成的 晶粒尺寸大約在 幾十至幾百n m 等級(jí) 大顆粒的尺寸可達(dá)到u m 級(jí) 單晶硅 c s i 薄膜和非晶硅氫合 金 c t s i h 薄膜的性能參數(shù)通?？梢源娓哔|(zhì)量的半導(dǎo)體多晶硅薄膜的性能參 數(shù) 多晶硅薄膜在陽光充足下具有高度光敏捷性 對(duì)一切可見的光能充分吸收 它與晶體硅一樣的具有光照能量轉(zhuǎn)化穩(wěn)定性 因此被認(rèn)為是轉(zhuǎn)化效率高 能量耗 損低的理想光伏設(shè)備 多晶硅薄膜電池在制造工藝上硅原料用量相對(duì)少和硅片制造簡(jiǎn)單化等特點(diǎn) 同時(shí)還具有能量轉(zhuǎn)換率高和轉(zhuǎn)化能量穩(wěn)定性能可靠 它的厚度僅是晶體硅電池厚 度的3 因此 要獲得同樣的能量轉(zhuǎn)換效率 對(duì)薄膜材料的質(zhì)量要求是較高的 多晶硅薄膜電池在制造過程中把電池和組件制作為一體從而大大降低了生產(chǎn)成 本 多晶硅薄膜電池具有上述的效率高 能量利用率穩(wěn)定且高和制造成本的優(yōu)點(diǎn) 降低太陽能電池制造成本 但目前由于多晶硅薄膜低溫裝換低 質(zhì)量差 薄膜晶 沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 粒尺寸較小 轉(zhuǎn)化電能效率低 多晶硅薄膜在高溫情況下也產(chǎn)生沉積 能量耗損 高 缺少價(jià)格便宜且優(yōu)質(zhì)的多晶硅薄膜的襯底材料 因而今后將把照射大面積 晶粒薄膜的技術(shù) 同時(shí)提高薄膜的使用率是主要的研究內(nèi)容 薄膜缺陷的控制技 術(shù) 優(yōu)質(zhì) 價(jià)廉襯底材料的研發(fā) 電池優(yōu)良設(shè)計(jì) 表面結(jié)構(gòu)技術(shù)及背反射技術(shù)等 的研究 2 2 3 4 微晶硅薄膜太陽能電池 由于微晶硅可以采用與非晶硅相兼容的技術(shù)制備 具有接近單晶硅的光學(xué)帶 隙1 1 2 e v 可將光譜響應(yīng)范圍擴(kuò)展到紅外區(qū)域 并且?guī)缀鯖]有光致衰退 s w 效應(yīng) 提高效率的潛力很大等優(yōu)點(diǎn) 目前已成為世界薄膜太陽能電池的研發(fā)熱點(diǎn) 被世 界光伏界公認(rèn)為是新一代硅基薄膜太陽能電池板主流技術(shù) 微晶硅是由納米晶粒 晶粒間界 空洞和非晶硅成分共存的半導(dǎo)體材料摻雜 形成 它摻雜效率高 與非晶硅材料相比 長波響應(yīng)好 穩(wěn)定性好 幾乎不存在 s w 效應(yīng) 介于非晶硅和單晶硅之間的均勻摻雜的半導(dǎo)體材料 既具各非晶硅的吸 收熱能量高 同時(shí)更具有單晶硅穩(wěn)定的光能轉(zhuǎn)化電能的性質(zhì) 并且可在價(jià)格較低 的襯底材斟上制各 具有與非晶硅 a s i 相同的低溫制各工藝 但因其是一種間接 帶隙的半導(dǎo)體材料 為了充分吸收太陽光 因而要求其吸收層的厚度要大于1 弘m 接近于2p l m 以微晶硅為底電池 非晶硅為頂電池制備非晶硅 微晶硅疊層薄膜