太陽能汽車的應(yīng)用與局限性

太陽能汽車的應(yīng)用與局限性

石油資源的傳統(tǒng)沙漠變得越來越薄。人們對石油資源的依賴和儲量的不斷削減形成了鮮明對比。汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展也給社會環(huán)境帶來了一定的壓力。因此電動汽車應(yīng)運而生,并在近幾年迅速得到發(fā)展。純電動、混合動力以及燃料電池汽車等相關(guān)技術(shù)已相對成熟。相比之下,太陽能汽車還很年輕。所謂太陽能汽車就是利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,并利用該電能驅(qū)動車輛行駛。太陽能汽車清潔、環(huán)保,可以說是真正“零排放”的交通工具。近年來,光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,國內(nèi)外對太陽能汽車的研究方興未艾,這都為太陽能汽車的實用化奠定了基礎(chǔ)。1太陽能和電能太陽是一個巨大的能源,它以光輻射的形式向太空發(fā)射能量。太陽輻射到地球大氣層的能量約3.75×1026W,每秒的輻射量相當(dāng)于500萬t煤。即使把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能,轉(zhuǎn)化率為5%,那么每年發(fā)電量也可達(dá)5.6×1012kW·h,相當(dāng)于目前全世界能耗的40倍?？梢?太陽能是一個極其巨大的、不可取代的能源。1.1太陽能電池的組成及與反滲透膜技術(shù)的關(guān)系將太陽能轉(zhuǎn)換為電能是大規(guī)模利用太陽能的重要手段。而太陽能電池則是實現(xiàn)這一過程的主要部件。1954年,美國貝爾實驗室研制出世界上第一塊太陽能電池,揭開了太陽能電力開發(fā)利用的序幕。在70年代以前,由于太陽能電池效率低下、造價昂貴,一般只應(yīng)用于空間技術(shù)。70年代以后,人們在世界范圍內(nèi)對太陽能電池的材料、結(jié)構(gòu)和工藝等進(jìn)行了深入研究,在提高效率和降低成本方面取得了較大進(jìn)展,其應(yīng)用規(guī)模逐漸擴大。但與常規(guī)發(fā)電相比,成本仍然偏高。從90年代開始,太陽能電池技術(shù)不斷走向成熟,并逐漸向商用化、民用化領(lǐng)域滲透。根據(jù)材料不同,太陽能電池可分為:硅太陽能電池;以無機鹽如砷化鎵、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的太陽能電池;功能高分子材料制備的大陽能電池;納米晶太陽能電池等。其中,硅太陽能電池以其在寬度、轉(zhuǎn)換效率、環(huán)境友好性、穩(wěn)定性等方面性能優(yōu)越,成為最理想的太陽能電池材料。硅系列太陽能電池按晶體結(jié)構(gòu)的不同可分為單晶硅和多晶硅太陽能電池。其中單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟,在光伏產(chǎn)品家族中占主導(dǎo)地位。轉(zhuǎn)換效率是太陽能電池一個非常重要的指標(biāo),它表示太陽能電池將光輻射轉(zhuǎn)化為電能的效率和能力。對于晶體硅電池而言,世界最高水平為:單晶硅電池24%(4cm2),多晶硅電池18.6%(4cm2)。我國太陽電池轉(zhuǎn)換效率的最高水平為:單晶硅電池20.4%(2cm2),多晶硅電池14.5%(2cm2)、12%(10cm2)。從80年代開始,尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后,全球的光伏產(chǎn)量出現(xiàn)了爆發(fā)性增長。在2004年,太陽能組件的年產(chǎn)量突破了1200MW。另外,太陽能電池的發(fā)電成本也不斷下降,現(xiàn)階段的單位功率發(fā)電成本已降至3～4美元,與傳統(tǒng)能源的差距正在不斷縮小,如圖1所示。由此可見,太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的不斷提高及其成本的不斷下降為未來發(fā)展提供了可能,同時也為太陽能汽車的實用化奠定了基礎(chǔ)。1.2最大功率跟蹤控制常規(guī)光伏系統(tǒng)的主要組成部分見圖2。太陽能電池陣列是整個系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換部件。它根據(jù)光強和溫度等條件,以一定的輸出特性對外輸出功率。DC-DC控制器是控制系統(tǒng)中的核心部件,其最大功率點跟蹤控制(MPPT),實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確跟蹤最優(yōu)工作點,可以使系統(tǒng)最大程度地利用太陽能,而且還能根據(jù)事先設(shè)定的控制策略實現(xiàn)對能源的管理。MPPT彌補太陽能電池本身性能和使用條件的不足。蓄電池的充放電控制器則能按照一定模式對蓄電池進(jìn)行充放電管理,以提高其工作性能,延長工作壽命。負(fù)載則是光伏系統(tǒng)的用電終端。太陽能電池最大功率跟蹤控制的方法有很多。從比較簡單的控制方法如:功率比較法、擾動觀察法等發(fā)展到具有智能化的控制方法,如:模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。在實現(xiàn)過程中,調(diào)節(jié)依據(jù)的變量會有不同:有依據(jù)電壓的,也有依據(jù)功率的。2太陽能車輛的發(fā)展2.1日本太陽能車競賽概況從20世紀(jì)70年代后半期到80年代前半期,太陽能汽車在實驗室誕生。1984年,世界首屆電動汽車與太陽能車比賽在瑞士舉行,成為了太陽能汽車賽事的始創(chuàng)者。世界太陽能汽車挑戰(zhàn)賽是至今為止影響較大的太陽能汽車賽事之一。其規(guī)則最嚴(yán)格、距離最長。它始于1987年,每隔3年舉辦一次,賽段從達(dá)爾文(澳大利亞北部城市)到阿德萊德(澳大利亞南部城市),全程3028km。在90年代初期,諸如“太陽能旅行”等賽事也逐步在美國蓬勃發(fā)展。日本的太陽能車賽事起步較晚,但后來居上,層出不窮,如:1989年的“朝日太陽能車?yán)悺?1991年的“北海道太陽能車賽”,1992年的“鈴鹿太陽能車賽”和“能登太陽能車?yán)悺钡?都在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生了一定的影響。針對各類太陽能車賽都有一定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),對參賽車的定義、裝備、電器、安全性等都有嚴(yán)格的規(guī)定,如:太陽能電池的類型、覆蓋面積、蓄電池容量、輔助能源、車身尺寸、驅(qū)動器、驅(qū)動型式、制動性能、賽事時段等。眾多汽車公司、科研院所及相關(guān)大學(xué)是參賽隊伍的主要組成部分。賽事一般使用公路作為比賽線路。比賽用太陽能電池幾乎全是晶體硅,并以單晶硅太陽能電池為主。學(xué)生參賽隊使用的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率一般在14%～18%,企業(yè)參賽隊則在19%～23%。技術(shù)和資金充裕的隊伍幾乎全部使用了MPPT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,同時也為各種新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供了一個良好的載體。2.2車載太陽能設(shè)施我國的太陽能汽車事業(yè)起步較晚,多數(shù)太陽能汽車的研制工作主要由各院校和科研院所進(jìn)行。在我國國家知識產(chǎn)權(quán)局與太陽能相關(guān)的專利中,有很大一部分是與太陽能并網(wǎng)發(fā)電和太陽能熱水器相關(guān),直接與太陽能汽車相關(guān)的專利不多?？傮w來說,有以下特點:(1)太陽能在汽車上應(yīng)用一般只涉及汽車的輔助電源系統(tǒng)。太陽能電池所提供的能量只能用于車輛的電器、儀表等,或是對車載蓄電池進(jìn)行充電?，F(xiàn)今有部分量產(chǎn)車在其天窗頂部添加了太陽能電池,經(jīng)控制器、逆變器驅(qū)動車載空調(diào)工作。(2)所有以太陽能作為驅(qū)動能源的專利產(chǎn)品中,太陽能所占的能源比例份額太少。國內(nèi)有把太陽能用于電動自行車,也有用于微型車的例子,但太陽能所能提供的能量只占到所需驅(qū)動能量的30%以下。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。該車使用轉(zhuǎn)換效率為14%的矩形單晶硅電池陣列,在光照條件良好的狀況下(地面日照強度為1000W/m2),向直流永磁無刷電機提供800W的動力。結(jié)構(gòu)上采用前二后一的三輪式布置,后輪驅(qū)動。最高車速達(dá)80km/h?！白啡铡碧柺俏覈谝淮鷧⒓訃H大賽的太陽能賽車。2001年,上海交通大學(xué)設(shè)計制造了“思源”號太陽能電動車。該車長、寬、高分別為2100mm、860mm、800mm,滿載質(zhì)量400kg。其結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)與“追日”號相仿。但由于使用的是串聯(lián)電阻的調(diào)速方式,其能量利用率低,車速僅20～36km/h,續(xù)航能力也有限。在2005年舉辦的第九屆全國大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”賽上,上海交通大學(xué)的又一太陽能車參加了比賽。這些嘗試都預(yù)示著太陽能汽車正逐漸走向成熟。3影響因素的影響太陽能汽車受陽光強弱、太陽高度角、氣候等因素的影響較大。不可否認(rèn)其實際應(yīng)用存在一定局限性。因此,為其尋找一個理想應(yīng)用領(lǐng)域就成為其實用化的關(guān)鍵所在。3.1光伏電池驅(qū)動模式現(xiàn)階段太陽能汽車的實用化必須滿足以下幾方面的條件:首先是工作場所必須光照充足,為驅(qū)動汽車提供足夠的能量來源;其次是其本身對速度或載重的要求不高,并能通過輕量化的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減輕整車對功率的需求。當(dāng)然,在光照條件欠佳的情況下,車輛應(yīng)仍能通過與電動模式,甚至人力模式的結(jié)合進(jìn)行驅(qū)動。觀光游覽車基本符合現(xiàn)階段太陽能汽車實用化的幾點要求,是其實用化的理想切入點。本項目的方案是基于現(xiàn)有的人力休閑觀光車,在其頂部布置太陽能電池板,在其驅(qū)動輪處加裝輪轂電機,配備蓄電池、控制器、儀表板,并能在大功率需求的工況下,實現(xiàn)太陽能電池-蓄電池-人力混合的驅(qū)動模式。其基本參數(shù)見表1。2m2的車頂表面搭載單位面積峰值功率130W的單晶硅光伏電池陣列后,能提供最大260W的功率。輕量化的車身結(jié)構(gòu)使整車在滿載情況下總重僅300kg左右。在光照條件良好的情況下,若車輛分別以正常車速、最高車速以及最大爬坡度工況行駛,其所需的功率分別為86W、141W和393W。如圖3所示,若整個系統(tǒng)的輸出效率取60%,則在正常車速和最高車速工況下,系統(tǒng)完全有能力實現(xiàn)純太陽能驅(qū)動。而另一部分富足的能量可通過充電方式存儲于蓄電池中。對于最大爬坡度工況,太陽能電池所能提供的功率不足,而空缺的功率將由蓄電池或保留的人力傳動機構(gòu)來填補。另外,通過采用具有制動能量回收功能的輪轂電機,將一部分汽車動能在制動時轉(zhuǎn)化為電能儲存于蓄電池中,可進(jìn)一步緩解太陽能汽車能源。對車身而言,適當(dāng)采用鎂合金等新材料和新工藝,不僅能展現(xiàn)太陽能科技的前瞻性,更能在保證結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低車身重量。按照現(xiàn)在光伏電池產(chǎn)業(yè)30元/W的價格估算,本車所采用的太陽能電池板成本約為7800元,占到總成本的大半。加上控制器(500元)、蓄電池(500元)、輪轂電機(600元)、車架(3000元)等,整車成本將不超過1.5萬。相比普通的人力觀光車,其增加的投入不多,卻能帶來綠色的動力體驗;而相比平均價格3萬左右的純電動觀光游覽車,其前瞻的理念、低廉的價格、輕巧的結(jié)構(gòu)也具備一定的競爭優(yōu)勢。預(yù)計在2010年和2020年,光伏電池成本將分別下降至2美元/W和1美元/W。屆時太陽能電動車將開始在成本上占有優(yōu)勢。3.2太陽能觀景區(qū)的地理屬性與交通文化屬性的要求并存從太陽能資源角度講,我國屬資源豐富的國家之一。在我國的國土面積上,太陽能年輻照總量大于502萬kJ/m2,年日照時數(shù)2200h以上的地區(qū)占到2/3以上。西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古的總輻射量和日照時數(shù)為全國最高,屬世界太陽能資源豐富地區(qū)之一;我國東部、南部及東北為資源中等區(qū)。太陽能觀光游覽車在地理意義上的應(yīng)用覆蓋面較廣。從我國旅游業(yè)與休閑業(yè)的發(fā)展角度講,觀光游覽車作為游客在旅游途中的一種特殊代步車輛,正以其可靠、舒適、安全、便捷的性能,顯現(xiàn)出強大的市場需求。與一般意義上的城市公交