太陽能汽車的研究與應(yīng)用

周軍超 樊偉 周小培 襄樊學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 441053

太陽能汽車的研究與應(yīng)用

周軍超 樊偉 周小培 襄樊學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院 441053

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng),汽車產(chǎn)業(yè)已成為中國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，但汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大帶動(dòng)作用的同時(shí),也給能源與環(huán)境造成了巨大的壓力,制約了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此太陽能汽車將對(duì)解決面臨的能源危機(jī)和環(huán)境污染具有重大意義。文章從太陽能汽車發(fā)展的優(yōu)越性入手，對(duì)太陽能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀、工作原理及其面臨的問題進(jìn)行闡述，為未來的研究提供了一定的參考依據(jù)。

引言

隨著世界現(xiàn)在汽車工業(yè)的發(fā)展格局,汽車工業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)就是能源的消耗及尾氣排放對(duì)環(huán)境所造成的污染。目前雖有電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車已開發(fā)出來并陸續(xù)上市，但大部分汽車都在使用汽油、柴油作為燃料，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)石油仍將是目前汽車的首選燃料。汽車尾氣廢氣中含有150～200種不同的化合物，其中對(duì)人危害最大的有一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸衔铩U的化合物及碳的顆粒物，有害氣體擴(kuò)散到空氣中造成空氣污染。汽車所造成的空氣污染占整個(gè)城市空氣污染的60%，甚至到90%。所以說，從未來世界的汽車發(fā)展來看，作者認(rèn)為，太陽能汽車將成為未來汽車行業(yè)的發(fā)展潮流。雖然電動(dòng)及混合電動(dòng)汽車已越來越受到人們的青睞，但以電動(dòng)作為汽車的主要來源還是依靠電，目前我國(guó)發(fā)電方式中煤電約占70%，要想真正意義上擺脫對(duì)不可再生能源的依賴，研發(fā)以太陽能為電動(dòng)力的太陽能汽車已勢(shì)在必行。

一、太陽能汽車的優(yōu)越性

⒈太陽不斷向宇宙空間輻射出巨大的能量，其內(nèi)部的熱核反應(yīng)足以維持6×1010年。從資源角度看，我國(guó)擁有豐富的太陽能資源，我國(guó)陸地面積接收的太陽能的總量在3．3×1010到8．6×1010kJ／m2·a之間，其總量相當(dāng)于24000億噸煤，全國(guó)總面積2／3地區(qū)日照時(shí)間都超過2000h／a。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500萬噸煤。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。可見，太陽能是一個(gè)極其巨大的、不可取代的能源。所以把太陽能運(yùn)用到汽車上具有十分廣闊的前景。太陽能具有清潔無污染，取之不竭、用之不盡等特點(diǎn)，因此，在所有新興的能源中，太陽能具有十分高的利用價(jià)值。

⒉如果由太陽能汽車取代燃?xì)廛囕v，每輛汽車的二氧化碳排放量可減少43%～54%，同時(shí)也將解決汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染。正常情況下，一臺(tái)石油發(fā)動(dòng)機(jī)的能源利用率約為25%，利用率最高的也只是在50%～60%，而太陽能汽車的能源利用率卻能達(dá)到95%。因此，太陽能汽車已引起人們的極大興趣，并將在今后得到迅速發(fā)展。

二、太陽能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

⒈ 國(guó)外太陽能汽車的發(fā)展

世界上第一輛太陽能汽車早在1978年便在英國(guó)研制成功，時(shí)速達(dá)到13公里。1982年墨西哥研制出三輪太陽能車，速度達(dá)到每小時(shí)40公里，由于這輛汽車每天所獲得電能只能行駛40分鐘，所以它還不能跑遠(yuǎn)路。1999年5月巴西圣保羅大學(xué)的科研人員設(shè)計(jì)出一款新型太陽能汽車。最高時(shí)速超過100km。2003年澳大利亞太陽能汽車比賽上，由荷蘭制造的“nuna”太陽能汽車取得了冠軍，它以30小時(shí)54分鐘的時(shí)間跑完了3010公里的路程，創(chuàng)造了太陽能汽車最高時(shí)速170公里的新世界紀(jì)錄。

⒉ 國(guó)內(nèi)太陽能汽車的發(fā)展

國(guó)內(nèi)太陽能汽車發(fā)展起步較晚。1984年9月，我國(guó)首次研制的“太陽號(hào)”太陽能汽車試驗(yàn)成功，太陽號(hào)由湖北省金屬學(xué)會(huì)新技術(shù)開發(fā)公司的黃繩溥等六位中青年科技人員，僅用了56天時(shí)間研制成功。1996年，清華大學(xué)參照日本能登競(jìng)賽規(guī)范，研制了“追日”號(hào)太陽能汽車。重800公斤左右,最高車速達(dá)80公里每小時(shí)，造價(jià)為7.8萬美元。其采用的電池板是我國(guó)第五代產(chǎn)品，太陽能轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到14%。2001年全國(guó)高校首輛可載人的太陽能電動(dòng)車——“思源號(hào)”在上海交通大學(xué)誕生。無需任何助動(dòng)燃料，只要在陽光下曬三、四個(gè)小時(shí)，便能輕松跑上10多公里。中山大學(xué)太陽能系統(tǒng)研究所的一輛太陽能電動(dòng)車，外觀上跟公園的電瓶車一個(gè)樣，可以搭乘6名乘客，但是國(guó)產(chǎn)的時(shí)速最高卻只有48公里，持續(xù)行駛時(shí)間也就1個(gè)小時(shí)。

到目前為止，太陽能在汽車上的應(yīng)用技術(shù)主要有兩個(gè)方面：一是作為驅(qū)動(dòng)力，二是用作為汽車輔助設(shè)備的能源。作為驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車運(yùn)行。而作為汽車輔助能源，主要用在電氣設(shè)備上的輔助應(yīng)用，大部分還是靠燃料的供給。

三、太陽能汽車的工作原理

⒈太陽能汽車基本工作原理

陽光照射太陽能電池陣列的電池，就生產(chǎn)電流。能量(電流)能傳輸?shù)叫铍姵刭A存，也可以直接到電動(dòng)機(jī)控制器或者兩者的結(jié)合。送到控制器的能量用來為轉(zhuǎn)動(dòng)車輪并且使汽車移動(dòng)的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。

通常如果汽車在運(yùn)動(dòng)中，被轉(zhuǎn)變的太陽光被直接傳送到電動(dòng)機(jī)控制器，但是有時(shí)有更多的來自陣列的能量以至于超過了電動(dòng)機(jī)控制器的需要。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，那些額外的能量會(huì)在蓄電池內(nèi)儲(chǔ)存起來供以后使用。當(dāng)太陽能電池陣列不能產(chǎn)生足夠的能量驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)滿足速度要求的時(shí)候，蓄電池所儲(chǔ)存的能量將用來補(bǔ)充電池陣列。當(dāng)然，當(dāng)汽車不在運(yùn)動(dòng)中時(shí)，來自太陽能電池陣列的全部能量被儲(chǔ)存在電池里。

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、砷化鎵電池等，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(zhǎng)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。

⒉太陽能汽車基本系統(tǒng)構(gòu)造

我們分析組件部分由六個(gè)基本系統(tǒng)構(gòu)成：1）駕駛控制系統(tǒng)；2）電氣系統(tǒng)；3）驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)；4）機(jī)械系統(tǒng)；5）太陽能陣列系統(tǒng)；6）汽車軀體和底盤。在這里我們只提到一般太陽能汽車跟普通汽車的不同之處。

一） 太陽能汽車的電路系統(tǒng)：

一輛太陽能汽車的核心是由電池和動(dòng)力電子組成的電力系統(tǒng)。電力系統(tǒng)控制和管理進(jìn)入和退出系統(tǒng)的全部動(dòng)力。蓄電池在一輛傳統(tǒng)汽車?yán)锵喈?dāng)于一個(gè)油箱。一輛太陽能汽車使用蓄電池儲(chǔ)存電能，在以后的某一時(shí)間將被作為能量來使用。太陽能汽車使用充滿電的蓄電池啟動(dòng)，但是在汽車發(fā)動(dòng)之后，只有太陽能電池產(chǎn)生的能量能用來給蓄電池再充電。太陽能汽車使用的蓄電池的最大數(shù)量被每種類型電池的重量所限制，一般使用的電池類電池組由導(dǎo)線連接的幾個(gè)個(gè)別的模件組成，產(chǎn)生要求的系統(tǒng)電壓。

二）太陽能汽車的車身和底盤：

太陽能汽車的最特別的部分是車身。設(shè)計(jì)車身時(shí)要求空氣動(dòng)力學(xué)的阻力減到最小，對(duì)太陽能吸收的面積最大化，質(zhì)量最小化和安全最大化。在什么樣的車身形狀和尺寸最有效率方面有很多理論，但需要經(jīng)過大量模擬和測(cè)試來發(fā)現(xiàn)最佳形狀。一種形狀合理的車輛能節(jié)省數(shù)百瓦特的動(dòng)力并且對(duì)制造一輛最高效的太陽能汽車很重要。在發(fā)展一個(gè)高效的太陽能汽車底盤的過程中，其主要挑戰(zhàn)是使車的可靠性和安全系數(shù)最大化，但是使重量減到最小。所有額外的重量需要更多的能量使汽車在道路上行駛。這就意味著必須把重量減到最小，并且一個(gè)關(guān)鍵部位是底盤。盡管如此，安全是主要關(guān)心的事，底盤必須滿足嚴(yán)格的力量和安全要求。

四、發(fā)展太陽能汽車面臨的問題

太陽能汽車真正走進(jìn)大眾生活，還有很多難題需要解決。首先是太陽能的采集與轉(zhuǎn)換問題。根據(jù)一般的材料應(yīng)用與技術(shù)能力，太陽能轉(zhuǎn)換率只能達(dá)到20%左右，難以滿足汽車高速行駛所需要的足夠動(dòng)力，而7—8m2的太陽能電池板也導(dǎo)致車身過大轉(zhuǎn)動(dòng)不夠靈活，內(nèi)部空間過于狹小。除此之外，電機(jī)、電控也是太陽能汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。用于電動(dòng)汽車的電機(jī)有很多類型，目前太陽能車用電機(jī)通常有直流電機(jī)、交流誘導(dǎo)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)三種，其中交流誘導(dǎo)電動(dòng)機(jī)存在效率滑落的缺點(diǎn)，永磁電機(jī)目前價(jià)錢過高，所以目前太陽能車多用直流電機(jī)，而直流電機(jī)的工作效率也有待提高。

其次是制價(jià)太高。為了使車體輕、速度快，太陽能車普遍采用質(zhì)輕價(jià)貴的航空、航天材料，造價(jià)昂貴，所以開發(fā)新的、經(jīng)濟(jì)的替代材料迫在眉睫。參加2002年太陽能電動(dòng)車友誼賽的幾輛車中，清華大學(xué)制作的“追日號(hào)”太陽能汽車造價(jià)200萬元人民幣，美國(guó)密蘇里·羅拉大學(xué)的Solar MinerⅢ、美國(guó)普林學(xué)院的“Ra IV”都是在40萬美元以上，這主要是所采用的電池板及所用材料昂貴造成的。以清華大學(xué)的“追日號(hào)”為例，其采用的電池板是我國(guó)第五代產(chǎn)品，太陽能轉(zhuǎn)化率只能達(dá)到14%，造價(jià)很高，為得到lW的電量需要花費(fèi)100元人民幣。

第三，汽車公司及石油公司缺少生產(chǎn)推廣太陽能汽車的內(nèi)在需求。因?yàn)槟壳暗脑S多汽車公司都處于高利潤(rùn)期，不愿意投資開發(fā)新一代太陽能汽車。某些公司研發(fā)太陽能車也多是出于宣傳導(dǎo)向和企業(yè)形象的考慮，而沒有大力發(fā)展，投入市場(chǎng)的決心。

據(jù)專家說，要突破科技瓶頸，使太陽能汽車正式走入人們的生活，還需要數(shù)十年的時(shí)間。但是，太陽能電動(dòng)車是最清潔，最有發(fā)展前景的綠色環(huán)保汽車，所以，它的推廣還是非常有前景的。

太陽能汽車作為新的事物正在不斷的貼近人們的生活,雖然它的發(fā)展仍存在著很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，但不可否認(rèn)的是在不可再生能源日益匱乏的今天，太陽能汽車是未來新能源應(yīng)用的佼佼者。相信在不久的將來，太陽能定會(huì)在汽車上逐漸應(yīng)用普及，在全球倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的時(shí)代，太陽能的廣泛應(yīng)用不僅能為人們生活帶來便利，也會(huì)給我們賴以生存的地球帶來和諧的發(fā)展。

［1］史玉茜.綠色環(huán)保汽車-太陽能汽車[J].節(jié)能技術(shù).2009（1）

［2］張琪,黃東,鄭宏飛.太陽能在汽車上應(yīng)用的前景與挑戰(zhàn)[J].太陽能.2006（4）

太陽能汽車；未來能源；環(huán)保

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