太陽能汽車簡介

1、一、太陽能汽車的產(chǎn)生背景及意義汽車用的燃料是汽油和柴油等，它們都是從石油中提煉出來的。然而，石油這種礦物燃料是不能再生的，用一點就少一點，總有一天要用完。據(jù)科學(xué)家們預(yù)計，目前世界上已探明的石油儲量將于2020年左右被采盡。因此，汽車將會出現(xiàn)挨受“饑餓”的危險，人類將面 臨著能源的挑戰(zhàn)。從另一方面來說，石油本身就是一種寶貴的化工原料，可以用來制造塑料、合成橡膠和合成纖維等。把石油作為燃料燒掉了，不但十分可惜，而且還污染了人類賴以生存的環(huán)境。 解決這個難題的唯一可行辦法，就是加緊開發(fā)新能源。 而太陽能就是這些新開發(fā)能源中的佼佼者。太陽能發(fā)電在汽車上的應(yīng)用，將能夠有效降低全球環(huán)境污染，創(chuàng)造潔凈的生活

2、環(huán)境，隨著全球經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，太陽能汽車作為一個產(chǎn)業(yè)已經(jīng)不是一個神話。燃燒汽油的汽車是城市中一個重要的污染源頭，汽車排放的廢氣包括二氧化硫和氮氧化物都會引致空氣污染，影響我們的健康。現(xiàn)在各國的科學(xué)家正致力開發(fā)產(chǎn)生較少污染的電動汽車，希望可以取代燃燒汽油的汽車。 但由于現(xiàn)在各大城市的主要電力都是來自燃燒化石燃料的，使用電動汽車會增加用電的需求，即間接增加發(fā)電廠釋放的污染物。有鑒于此，一些環(huán)保人士就提倡發(fā)展太陽能汽車，太陽能汽車使用太陽能電池把光能轉(zhuǎn)化成電能，電能會在儲電池中存起備用，用來推動汽車的電動機。由于太陽能車不用燃燒化石燃料，所以不會放出有害物。據(jù)估計，如果由太陽能汽車取代燃汽

3、車輛，每輛汽車的二氧化碳排放量可減少43至54%。二、太陽能在汽車上應(yīng)用的現(xiàn)狀到目前為止，太陽能在汽車上的應(yīng)用技術(shù)主要有兩個方面：一是作為驅(qū)動力，二是用作汽車輔助設(shè)備的能源。1、作為驅(qū)動力這一應(yīng)用方式，一般采用特殊裝置吸收太陽能，再轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動汽車運行。按照應(yīng)用太陽能的程度又可分為如下兩種形式：(1) 太陽能作為第一驅(qū)動力驅(qū)動汽車完全用太陽能為驅(qū)動力代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油，是幾代汽車工作者的夢想。1982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，給兩個電池充電，電池再給發(fā)動機提供電力。12月19曰，兩入駕駛著這輛車， 從澳大利亞西海岸的珀思

4、出發(fā)，橫穿澳大利亞大陸，于1983年1月7曰到達(dá)東海岸的悉尼，實現(xiàn)了一次偉大的創(chuàng)舉。這種太陽能汽車與傳統(tǒng)的汽車不論在外觀還是運行原理上都有很大 的不同，太陽能汽車已經(jīng)沒有發(fā)動機、底盤、驅(qū)動、變速箱等構(gòu)件，而是由電池板、儲電器 和電機組成.利用貼在車體外表的太陽電池板，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，再通過電能的消耗，驅(qū)動車輛行駛，車的行駛快慢只要控制輸入電機的電流就可以解決。目前此類太陽車的車速最高能達(dá)到lOOkm/h以上，而無太陽光最大續(xù)行能力也在100km左右。還有一種概念上的太陽能汽車，這種汽車在車體上沒有安裝光伏電池板，而只是配置蓄電池，而電能全部來自專門的太陽能發(fā)電裝置。優(yōu)點是外觀與現(xiàn)有車輛

5、類似，沒有"另類"的感覺，缺點是要經(jīng)常到太陽能電站充電，當(dāng)然續(xù)行能力也受到限制。(2) 太陽能和其它能量混合驅(qū)動汽車太陽能輻射強度較弱， 光伏電池板造價昂貴， 加之蓄電池容量和天氣的限制，使得完全靠太陽能驅(qū)動的汽車的實用性受到極大的限制，不利于推廣。因此就出現(xiàn)了一種采用太陽能和其它能量混合驅(qū)動的汽車。復(fù)合能源汽車外觀與傳統(tǒng)汽車相似，只是在車表面加裝了部分太陽能吸收裝置，比如車頂電池板，用于給蓄電池充電或直接作為動力源。這種汽車既有汽油發(fā)動機，又有電動機， 汽油發(fā)動機驅(qū)動前輪， 蓄電池給電動機供電驅(qū)動后輪。電動機用于低速行駛。 當(dāng)車速達(dá)到某 一速度以后，汽油發(fā)動機起動，電動機

6、脫離驅(qū)動軸，汽車便像普通汽車一樣行駛。由于采用了混合驅(qū)動形式，帶來了諸多好處。首先，因為有汽油發(fā)動機驅(qū)動，所以蓄電 池不會過放電，蓄電池的容量只要滿足一天使用即可， 與全用蓄電池的車相比， 其容量可減 少一半，也減輕了車重； 其次，城市中大多數(shù)車輛都處在低速行駛狀態(tài)下， 采用電機驅(qū)動可 最大可能的降低城市局部污染。2、作為汽車輔助能源傳統(tǒng)的小轎車，功率一般在幾十千瓦左右，而太陽輻射功率至多1kW/m2,目前的光電轉(zhuǎn)換效率小于 30%。因此全部用太陽能驅(qū)動傳統(tǒng)的轎車，需要幾十平方米的接收面積，顯 然難以達(dá)到。但在傳統(tǒng)汽車上可以用太陽能作為輔助動力，以減少常規(guī)燃料的消耗，而且現(xiàn)代汽車的電器化程度曰

7、益提高，各輔助設(shè)備的耗電量也因此急劇增加。這方面的應(yīng)用主要有以下幾種形式：(1) 太陽能用作汽車蓄電池的輔助充電能源在轎車上加裝太陽電池后，可在車輛停止使用時， 繼續(xù)為電池充電， 從而避免電池過度放電，節(jié)約能源。日本應(yīng)慶大學(xué)設(shè)計了一款叫做Luciole (螢火蟲)的概念車，它的顏色像螢火蟲。這款車曾在北京展覽過，車頂上貼有近一平方米的轉(zhuǎn)換效率較高的光伏板，作用是輔助給12伏的電池充電，當(dāng)12伏電池充滿后，12伏電池又會給主電池充電。電池充滿電時，這輛概念 車能行駛800公里。(2) 用于驅(qū)動風(fēng)扇和汽車空調(diào)等系統(tǒng)汽車在陽光下停泊， 由于車內(nèi)空氣不流通， 使得車體成了收集太陽能的溫室，造成車內(nèi)溫度

8、升高，使車內(nèi)釋放大量的有害物質(zhì)，從而使車內(nèi)空氣品質(zhì)變糟。若加裝太陽能裝置，比如加裝太陽能風(fēng)扇等，則可以為車輛在停泊期間無能耗提供新風(fēng)并降溫，保證車輛再次上路時有良好的空氣品質(zhì)。汽車天窗的玻璃下方設(shè)置有太陽能電池，太陽能電池與設(shè)置的控制單元輸入端相連接， 輸入端連接車輛空調(diào)系統(tǒng)的溫度傳感器，同時輸入端還與蓄電池和點火器相連接。玻璃下方的太陽能電池吸收太陽能， 經(jīng)汽車天窗控制單元可對蓄電池進(jìn)行充電，保證蓄電池的電能充足，同時延長蓄電池的使用壽命。而太陽能天窗帶給消費者的最直接好處是，在夏天高溫天氣里，汽車在烈日下停車熄火，完全沒有能源供給時，能自動調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度。利用內(nèi)置在天窗內(nèi)部的太陽能集電板依靠

9、陽光所產(chǎn)生的電力，經(jīng)過控制系統(tǒng)來驅(qū)動鼓風(fēng)機，將車廂外的冷空氣導(dǎo)入車內(nèi)，驅(qū)除車內(nèi)熱氣，達(dá)到降溫的目的。當(dāng)駕駛者及乘員再打開車門及坐在座位上， 不會感覺熱浪襲人、 悶熱難耐，汽車的空調(diào)系統(tǒng)可以在最短時間內(nèi)將車內(nèi)溫度降至舒適的程 度。同時可以改善車內(nèi)的空氣狀況，冬天也可以減少車內(nèi)前擋風(fēng)玻璃的結(jié)霜。根據(jù)資料顯示，與沒有通風(fēng)降溫的車型相比，安裝了太陽能天窗的汽車駕駛室內(nèi)的溫度最高降低20C。利用太陽能供電，節(jié)能降溫，十分有效地減少了汽車內(nèi)由熱所產(chǎn)生的孤島”效應(yīng)。目前國內(nèi)銷售的車型當(dāng)中，奔馳E級，奧迪A8、A6L、A4、途銳等部分車型都已配備了太陽能天窗。三、太陽能汽車的優(yōu)勢太陽能電動車以光電代油，可節(jié)約

10、有限的石油資源。白天，太陽電池把光能轉(zhuǎn)換為電能自動存儲在動力電池中，在晚間還可以利用低谷電(220V)充電。無污染，無噪音。因為不用燃油，太陽能電動車不會排放污染大氣的有害氣體。沒有內(nèi) 燃機，太陽能電動車在行駛時聽不到燃油汽車內(nèi)燃機的轟鳴聲。與燃油汽車的比較優(yōu)勢。實用型太陽能動力車除行駛速度遠(yuǎn)低于燃油汽車外，與燃油汽車相比，還是有諸多優(yōu)勢的。首先，太陽能電動車耗能少，只需采用3-4平方米的太陽電池組件便可使太陽能電動車行駛起來。燃油汽車在能量轉(zhuǎn)換過程中要遵守卡諾循環(huán)的規(guī)律來作功，熱效率比較低，只有 1/3左右的能量消耗在推動車輛前進(jìn)上，其余 2/3左右的能量損失 在發(fā)動機和驅(qū)動鏈上；而太陽能電

11、動車的熱量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)規(guī)律的限制，90%的能量用于推動車輛前進(jìn)。其次，易于駕駛。無需電子點火，只需踩踏加速踏板便可啟動，利用控制器使車速變化。不需換擋、踩離合器，簡化了駕駛的復(fù)雜性，避免了因操作失誤而造成的事故隱患，特別適合婦女和老年人駕駛。另外，太陽能動力車采用創(chuàng)新前橋和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，前后獨立懸掛，四輪鼓式制動從時速30公里到突然剎車，剎車線不超過7.3米。由于太陽能電動車結(jié)構(gòu)簡單，除了定期更換蓄電池以外，基本上不需日常保養(yǎng)，省去了 傳統(tǒng)汽車必須經(jīng)常更換機油，添加冷卻水等定期保養(yǎng)的煩惱。小巧的車身，靈便轉(zhuǎn)向，可以輕而易舉的將車泊入擁擠不堪的都市停車場。在都市行車，為了等候交通信號燈，必須不斷

12、的停車和啟動，既造成了大量的能源浪費， 又加重了空氣污染， 使用太陽能電動車， 減速停車時，可以不讓電動機空轉(zhuǎn)，大大提高了能 源使用效率和減少了空氣污染。再次，太陽能電動車沒有內(nèi)燃機、離合器、變速箱、傳動軸、散熱器、排氣管等零部件， 結(jié)構(gòu)簡單，制造難度降低。四、太陽能汽車工作原理與系統(tǒng)構(gòu)造1、太陽能汽車工作原理金焰四射的太陽，其表面是一片烈焰翻騰的火海，溫度為6000C左右。在太陽內(nèi)部，溫度高達(dá)兩千萬度以上。 所以，太陽能一刻不停地發(fā)出大量的光和熱，為人類送來光明和溫暖，它也成了取之不盡、用之不竭的能源聚寶盆。將太陽光變成電能，是利用太陽能的一條重要途徑。人們早在本世紀(jì)50年代就制成了第一個光

13、電池。在太陽能汽車上裝有密密麻麻像蜂窩一樣的裝置，它就是太陽能電池板。太陽能電池依據(jù)所用半導(dǎo)體材料不同，通常分為硅電池、硫化鎘電池、碑化鐐電池等，其中最常用的是硅太陽能電池。 硅太陽能電池有圓形的、半圓形的和長方形的等幾種。在電池上有像紙一樣薄的小硅片。在硅片的一面均勻地?fù)竭M(jìn)一些硼，另一面摻入一些磷，并在硅片的兩面裝上電極，它就能將光能變成電能。通常，硅太陽能電池能把 10%15%的太陽能轉(zhuǎn)變成電能。它既使用方便，經(jīng)久耐用， 又很干凈，不污染環(huán)境，是比較理想的一種電源。只是光電轉(zhuǎn)換的比率小了一些。近年來， 美國已研制成光電轉(zhuǎn)換率達(dá)35%的高性能太陽能電池。澳大利亞用激光技術(shù)制成的太陽能電池，其

14、光電轉(zhuǎn)換率達(dá) 24.2%,而且成本與柴油發(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。將光電池裝在汽車上，用它將太陽光不斷地變成電能作為驅(qū)動汽車運動的動力，這種汽車就是新興起的太陽能汽車。太陽能汽車?yán)锰柲艿囊话惴椒āＴ陉柟庀?，太陽能光伏電池板采集陽光，并產(chǎn)生人們通用的電流。 這種能量被蓄電池儲存并為以后旅行提供動力?；蛘咧苯犹峁┙o發(fā)動機也可以邊開邊蓄電。能量通過發(fā)動機控制器帶動車輪運動，推動太陽能汽車前進(jìn)。2、太陽能汽車的構(gòu)造（1）太陽電池方陣太陽電池方陣是太陽能汽車的能源。方陣是由許多PV光電池板（通常有好幾百個）組成。方陣類型受到太陽能汽車尺寸和部件費用等的制約。目前，主要

15、有兩種類型的光電池板：硅電池和碑化合物電池。 環(huán)繞地球衛(wèi)星使用的太陽電池使用的是典型的碑化合物電池，而硅電池則更為普遍的為地面基礎(chǔ)設(shè)備所使用。一般等級的太陽能汽車通常使用硅電池板。許多獨立的硅片（接近1000個）被組合，形成太陽電池方陣。依靠光伏電源供電動發(fā)動機驅(qū)動 太陽能汽車。這些方陣的通常工作電壓在50V-200V之間，并能提供1O00W的電力。方陣 輸出功率的大小受到太陽、 云層的覆蓋度和溫度的影響。 超級太陽能汽車也能使用通常類型 的太陽能光電板。但更多的是使用太空級光電板。 這種板很小，但是比普通的硅片電池板要 昂貴得多，然而它們的使用效率非常高。一般情況下，車子在運動時，被轉(zhuǎn)換的太

16、陽能光被直接送到發(fā)動機控制系統(tǒng)。但有時提供的能量要大于發(fā)動機需求的電力，那么多余的能量就會被蓄電池儲存以備后用。當(dāng)太陽電池方陣不能提供足夠的能量來驅(qū)動發(fā)動機時，蓄電池內(nèi)的被儲存的備用能量將會自動補充。 當(dāng)然，當(dāng)太陽能汽車不運動時， 所有能量都將通過太陽能光伏陣列儲存在蓄電池內(nèi)。也可以利用一些回流的能量來推動汽車。當(dāng)太陽能汽車開始減速時， 換用通用的機械制動， 這時發(fā)動機將變成了 一個發(fā)電機， 能量通過發(fā)動機控制器反向進(jìn)入蓄電池內(nèi)進(jìn)行儲存。回充到蓄電池中的能量是非常少的，但是卻非常實用。(2) 電力系統(tǒng)太陽能汽車的心臟部位就是電力系統(tǒng)，它由蓄電池和電能組成， 電力系統(tǒng)控制器管理全部電力的供應(yīng)和收

17、集工作。蓄電池組就相當(dāng)于普通汽車的油箱。一個太陽能汽車使用蓄電池組來儲存電能以便在必要時使用，太陽能汽車啟動裝置控制著蓄電池組，但是當(dāng)太陽能汽車開動后，是通過太陽能陣列提供能量，從而再充到蓄電池組內(nèi)。由于重要的原因，大量的蓄電池作為能量被使用是有限的。目前在太陽能汽車上所用的蓄電池主要有如下幾種：1.鉛酸蓄電池，2.鐐鎘蓄電池，3.鋰電池，4.鋰聚合物電池。鐐鎘、鐐氫和鋰電池比普通的鉛酸蓄電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)提高了蓄電能力，重量比普通電池要輕的多。但是他們很少在太陽能汽車中被廣泛使用，主要是維護(hù)起來很小心，并且很昂貴。另外一種蓄電池能夠提供強勁能量的就是鋰電池，在今后蓄電池的儲存能力將會更高。電池組是由幾

18、個獨立的模塊連接起來，并形成系統(tǒng)所須的電壓。 比較有代表性的系統(tǒng)電壓一般是在84-108V。蓄電池組由幾個獨立的模塊連接起來，并形成系統(tǒng)所須的電壓。我們 可以使用的系統(tǒng)電壓在 84V-108V。(3) 電力控制系統(tǒng)在太陽能汽車?yán)镒罡呒壍慕M件部分就是電力系統(tǒng)。它們包括峰值電力監(jiān)控儀、發(fā)動機控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。電力系統(tǒng)最基本的功能就是控制和管理整個系統(tǒng)中的電力。峰值電力監(jiān)控儀條件電力來源于太陽能光伏陣列，光伏陣列把能量傳遞給另外的蓄電池用于儲存或直接傳遞給發(fā)動機控制器用于推動發(fā)動機。當(dāng)太陽能光伏陣列正在給蓄電池充電的時候，電池組電力監(jiān)控儀會保護(hù)蓄電池組因過充而被損壞。電池組電力監(jiān)控儀的號碼數(shù)值隨

19、我們的設(shè)計而被使用在太陽能汽車?yán)?。峰值電力監(jiān)控儀是由輕質(zhì)材料構(gòu)成，并且一般效率能達(dá)到95%以上。發(fā)動機控制器控制發(fā)動機的啟動，而發(fā)動機啟動信號是來自駕駛員的加速裝置。對發(fā)動機控制器電力管理是通過程序來完成的。發(fā)動機的啟動需要配備不同型號的發(fā)動機控制 器，使用的工作效率一般超過90%。很多太陽能汽車使用精確數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)來管理整個太陽能汽車的電力系統(tǒng)，其中包括，太陽能光伏陣列、蓄電池組、發(fā)動機控制器和發(fā)動機。在 有些時候，我們需要掌控電池的電壓和電流。從監(jiān)控系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)常常用來判斷太陽能汽車的狀況，并用來解決太陽能汽車出現(xiàn)的問題。(4) 電動機在太陽能汽車?yán)锸褂檬裁搭愋偷陌l(fā)動機沒有限制。大多數(shù)太

20、陽能汽車使用的發(fā)動機是雙線圈直流無刷電機，這種直流無刷電機是相當(dāng)輕質(zhì)的材料機器，在額定的RPM (每秒轉(zhuǎn)速)達(dá)到98%的使用效率。但是它們的價格比普通有刷型交流發(fā)動機要貴一些。五、太陽能汽車現(xiàn)狀與趨勢早在1978年，世界上第一輛太陽能汽車便在英國研制成功，時速達(dá)至13公里.此后世界各國都紛紛組成了太陽能汽車研發(fā)大軍， 經(jīng)過了幾十年的發(fā)展， 現(xiàn)在的太陽能汽車， 無論 是在設(shè)計理念還是在制造工藝上，都取得了長足進(jìn)步，成績斐然。1999年5月巴西圣保羅大學(xué)的科研人員設(shè)計出一款新型太陽能汽車，這種汽車全部使用太陽能作為能源，發(fā)動機和車輪之間沒有傳輸裝置，最高時速超過100km。澳大利亞2003太陽能汽車比賽上，由荷蘭制造的“Nunall太陽能汽車取得了冠軍，它以 30小時54分鐘的時間跑完了 3010公里的路 程，創(chuàng)造了太陽能汽車最高時速170公里的新世界記錄，標(biāo)志著人們在轉(zhuǎn)化太陽能的道路上又邁出了堅實的一步。我國的太陽能汽車發(fā)展歷程：我國也從 80年代開始投入對太陽能汽車研發(fā)。 1984年9 月，我國首次研制的 太陽號”太陽能汽車試驗成功， 并開進(jìn)了北京中南海的勤政殿， 在不用 任何燃料的情況下，這輛汽車時速為 2公里，可連續(xù)行駛100多公里。1996年，清華大學(xué)參照日本能登競賽規(guī)范，研制了追日”號太陽能汽車。最高車