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1、太阳能汽车的应用实验摘要：太阳能作为可再生能源，已广泛地应用在太阳能发电、太阳能集中供暖、太阳能建设及太阳能汽车等方面。其中太阳能汽车虽然还有许多性能不完善，但是今后新能源汽车发展方向之一。在本实验中，将建立由太阳能发电、蓄能及负载系统，即太阳能小车。通过实验测量，了解太阳能电池板的基本性能，掌握不同电性能太阳能电池之间的组合方法和规律；掌握太阳能小车充、放电的效率、时间和其运动特性。以作为今后进一步改进的基础。关键词：太阳能电池板（Solar panels） 蓄电池（battery）电动机（Motor）太阳能汽车（Solar cars）一、 引言太阳能（Solar Energy），一般是指太
2、阳光的辐射能源。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。目前我国的新能源政策也大力推广太阳能应用。太阳能汽车是一种靠太阳能来驱动的汽车。相比传统热机驱动的汽车，太阳能汽车是真正的零排放。正因为其环保的特点，太阳能汽车被诸多国家所提倡，太阳能汽车产业的发展也日益蓬勃。因此，我认为太阳能汽车将是取代传统动力汽车的形式之一。但是现在的太阳能汽车技术还不完善，距实际应用还有较大距离。主要表现在什么方面呢？所以我将做一个太阳能汽车的模型，并加以实验和
3、研究。二、研究目的及构思设计并建立由太阳能电池板、蓄电池和汽车电动机构成的太阳能应用系统，即组装成太阳能小车一辆。通过测量太阳能电池板充、放电时电压和电流的特性，初步掌握太阳能发电和应用的一些规律和知识。通过测量小车的运动特性，简单评价当今太阳能汽车的现状。三、 研究方法和分析1、 研究对象元器件选型太阳能电池是一种直接将太阳能转换成电能的半导体器件。目前，广泛应用的为单晶硅和多晶硅太阳能电池，也是这次实验的主要元器件。在初期设计时，想组装成12V太阳能小车。这将首先选型12V的太阳能电池板。但由于市场当时无货。只好将两块电压参数不一样的太阳能电池板进行串联使用。具体各元器件及参数为：单晶硅太
4、阳能电池板两块（6V 2W，10V 2W；每块电池板的外形尺寸：213mm*92mm*3.3mm）；蓄电池一个（11.1V 1350mAh）；直流电动机（12V 250rpm）；由乐高搭成的小车一辆。如图3-1、图3-2和图3-3所示。图3-1太阳能小车元器件实物图图3-2 太阳能小车实物图图3-3 太阳能小车电路图直流电机两个成本估算如果忽略不计乐高小车及导线的成本，太阳能小车的主要成本为：太阳能电池板、蓄电池和电动机。其各自采购成本占总成本(280元)的29、39和32。可看出蓄电池最贵。2、 实验工具实验中主要使用的测量和实验工具为：Fluke73和Uni-T万用表各一块； ZX21型电
5、阻箱一台（099999.9，等级0.1级）如图3-4所示；数码相机一个；30W电烙铁一个；鳄鱼夹及导线若干。图3-4 标准电阻箱3、 太阳能电池板电性能实验单块电池板电性能实验测量电路图见图3-5所示，调节电阻箱电阻阻值，读出电流表和电压表数值，测量结果见表1所示。由此可分别得出6V太阳能电池板的开路电压U开路=6.61V，短路电流I短路370mA ; 10V太阳能电池板的开路电压U开路=10.68V，短路电流I短路240mA。6V、10V单块电池板的伏安特性曲线分别见图3-6和图3-7。图3-5 单块电池板电性能实验测量电路图图3-6 6V电池板伏安特性曲线图3-7 10V电池板伏安特性曲线
6、两块电性能不同的电池板串联实验中需将两块电性能不同的电池板串联，以获得所需电压值。测量电路图如图3-8所示。调节电阻箱电阻阻值，读出电流表和电压表数值，测量结果见表1所示。由此可得出太阳能电池板的开路电压U开路=17.3V，短路电流I短路250mA。6V、10V电池板串联时伏安特性曲线见图3-9所示。图3-8两块电池板串联电性能测量电路图图3-9 6V 10V电池板串联伏安特性曲线两块电性能不同的电池板并联虽然本实验中不需要并联电池组件，但通过测量不同电性能电池板并联后的电性能，可以掌握不同电性能太阳能电池板多种不同的连接方式和规律。测量电路图如图3-10所示。调节电阻箱电阻阻值，读出电流表和
7、电压表数值，测量结果见表1所示。由此可得出太阳能电池板的开路电压U开路=10.25V、短路电流I短路560mA。并联电池板的伏安特性曲线见图3-11所示。图3-10两块电池板并联电性能测量电路图图3-11 6V 10V电池板并联伏安特性曲线表1 太阳能电池板电性能实验数据电阻值6V 单块10V 单块6V 10V 串联6V 10V 并联电阻/电压/V电流/mA电压/V电流/mA电压/V电流/mA电压/V电流/mA开路6.61010.7017.3010.3010006.356.3510.510.416.616.410.210.15006.2912.410.420.716.432.510.119.8
8、2006.2130.910.250.815.978.69.9349.31006.1160.39.8896.815.11499.6294.9505.921159.0417511.82408.89171205.062604.622404.932456.16310103.393202.432402.552504.9248051.843501.252401.372502.9255010.4783600.5092400.3412500.8025600.50.2923700.2932400.3302500.5135600.10.1593700.2422400.1572500.277560在实验可以发现，太
9、阳能电池的电性能与阳光照射角度有直接关系。当电池板与阳光垂直时，开口电压及短路电流达到最大值，也即发电量最大。另外，在做实验时发现太阳能电池板在太阳长期照射下，其表面温度升高，会影响太阳能电池板的发电效率。在实验中，可通过表1中的数据得出：当不同电性能的太阳能电池板串联后，电压将叠加。但电流将被限制到略高于在串联组中电流最小的电池板所产生的电流值。在实验中，可通过表1中的数据得出：当不同电性能的太阳能电池板并联后，电流将叠加。但电压略小于原两太阳能电池的电压最大值。4、 充电实验将6V和10V太阳能电池板串联接到已放电的蓄电池上。如图3-12所示。在阳光下开始充电，用万用表分别测量蓄电池充电时
10、的电压和电流值，并记录对应的充电时间。充电实验进行了多次，测量数据见表2 所示。充电电压曲线见图3-13，充电电流曲线见图3-14。图3-12 太阳能蓄电池充电测量图E蓄电池，电压表，电流表表2. 充电测量数据时间/min电压/V电流/AT(1)T(2)U1(晴）U2（晴）U3 (多云)U4(晴)U5（晴）I3(多云)I4(晴)I5（晴）U5（1）U5(2)I5（1）I5（2）03309.4329.5239.5429.4329.28011.460.070.140.200.185360(6h)9.7119.8919.6919.9579.67311.580.080.150.200.18103901
11、0.1710.169.67010.209.86611.900.080.150.200.1815420(7h)10.3710.339.61310.489.91612.150.110.150.200.173045010.6210.619.69410.6710.1112.460.110.150.200.1560（1h）480(8h)10.7210.749.67110.7810.5212.750.110.140.210.159051010.8710.889.68110.9210.6112.760.110.140.210.14120(2h)540(9h)10.9610.979.72111.0110.92
12、12.80.100.140.210.1315057011.0111.029.72511.0511.0212.820.090.130.230.13180(3h)11.0411.069.73311.0811.020.060.130.2221011.0611.099.75711.110.050.20240(4h)11.0911.1011.140.2027011.0911.1211.220.20300(5h)11.0911.1211.320.18U15、I15第几次实验 T(1)时间从0300min T(2)时间从330570min。U5(1)对应T(1)的电压U5(2)对应T(2)的电压I5(1)对
13、应T(1)的电流I5(2)对应T(2)的电流图3-13 充电电压曲线图图3-14 充电电流曲线图通过分析表2数据可知：太阳能小车的充电效率受天气状况影响非常大。如：当天气多云时，充电电压最高仅9.8V，充电电流也小，实际上蓄电池没有充满。当天气晴朗时，小车的充电电压最高值达到12.82V，充电电流约为0.20A。5、放电实验将已充满电的蓄电池与12V的直流电动机连接，测量小车空转（即小车不与地面接触）时的放电电压和电流值。同时记录放电时间。测量接线图如图3-15所示，测量数据见表3。放电电压曲线见图3-16，放电电流曲线见图3-17。图3-15 太阳能蓄电池放电测量图E蓄电池，直流电机两个图3
14、-16 放电电压曲线图 图3-17 放电电流曲线图表3. 放电测量数据时间（min）电压（V）电流（A）T(1)T(2)U1U2U5I2I5U5(1)U5(2)I5（1）I5（2）0420(7h)11.0411.0812.8511.130.150.170.101545010.9310.9612.5111.090.110.150.1030480(8h)10.9110.9312.3511.030.100.120.1060(1h)51010.8510.9112.2310.940.100.110.1090540(9h)10.8110.8612.0710.840.100.110.10120(2h)570
15、10.7410.7611.9310.780.100.110.10150600(10h)10.6810.6811.8510.740.100.110.10180(3h)63010.6210.6111.7310.670.100.110.10210660(11h)10.5210.5311.6610.590.100.110.09240(4h)69010.4310.4411.5810.520.090.110.09270720(12h)10.3610.3211.4510.440.090.100.09300(5h)75010.1810.0611.3810.340.090.100.09330780(13h)9.
16、6379.81011.3410.020.090.100.093458108.8349.15211.329.860.090.100.09360(6h)840(14h)8.85711.266.2400.100.0939011.190.10 0U15、I15第几次实验 T(1)时间从0390min T(2)时间从420840min。U5(1)对应T(1)的电压U5(2)对应T(2)的电压I5(1)对应T(1)的电流I5(2)对应T(2)的电流通过分析表3的数据可知，太阳能小车在空转放电时，放电放电电流基本稳定在0.1A左右，放电时间最长达14h。由此可计算出蓄电池的实际容量C实际（Ah）：将表3中放
17、电电流I5的数据按时间段（T）来划分。如：放电开始的0.5h内，电流初始时约0.17A，慢慢将至0.12A。设定T1=0.5h,I1=0.145A；则C1=I1T1=0.0725Ah。同理可得：I2=0.11A，T2=3h C2=I2T2=0.33AhI3=0.1A，T3=7hC3=I3T3=0.7AhI4=0.09A，T4=3.5hC4=I4T4=0.315Ah蓄电池放电的实际容量：C实际= =I1T1+I2T2+I3T3+I4T4=0.0725+0.33+0.7+0.3151.418Ah已知蓄电池的额定容量C额定=1350mAh=1.35Ah，实验结果：C实际C额定。这可能是由于太阳能电池
18、板的输出电压（串联后为16V）高于蓄电池的额定电压（11V）所造成的。6、实际应用太阳能小车完成各项充放电实验后，再次充满电，将小车放在地面上，闭合小车控制开关，则小车正常行驶。太阳能小车空载时的运动特性小车空载（小车自重为0.92Kg）时，测量其工作电流约为0.15A，平均速度约为0.85m/s。即2.1Km/h。则可估算出小车空载行驶距离约为：即空载时，小车可行驶约9.45h，行驶距离约19.85km。小车负载时的运动特性在小车车身上加上0.6Kg的重物，测量其负载电流约为0.19A，平均速度约为0.42m/s，即1.5km/h。这时小车可行驶的距离为：负载时，小车可行驶约7.46h，行驶
19、距离约11.2km。小车的实用性在实验中可发现，只有当小车的充电电流大于小车的工作电流（空载或负载）时，才能保证小车在阳光下可以持续长期行驶，同时还可以对蓄电池充电，以使小车在阴天和晚上也可行驶。由此也证明，自己所制作的太阳能小车性能达到了设计要求，产品是成功的。四、 结论1、 太阳能电池的使用效果与天空中的阳光强弱，太阳能电池板与阳光角度（是否垂直于阳光）等因素有很大关系。2、 掌握了不同电性能太阳能电池间串、并联组合的使用方法和规律。3、 所研制的太阳能小车实现了太阳能发电电流大于小车的正常工作电流，小车具有一定的速度和负载能力，从而证明本实验是成功的。4、 实验中各项测量数据及结果表明，目前太阳能汽车距实用化还需解决很多技术问题。如：太阳能电池板单位面积发电量很小，蓄电池成本高等等。因此近期内用太阳能电池发电与电力电源充电相结合的给汽车提供能源的方式，可能是现实的，更好的方法。五、今后试验计划虽然此次实验时间有限，仅做成一辆太阳能蓄电池的汽车模型，但是这并不代表我在今后的课余时间就停止对此方面的研究与探索。在今后我还要分别作出一个更大的，可遥控的太阳能发电并可储能汽车模型，和一个可以载我行驶的太阳能发电并可储能的汽车，以探索太阳能汽车的实用性。参考文献：ISBN 978-7-112-05876-8，作者：吕芳 江燕兴 刘莉敏等。太阳能发电。化学工业出版社。16