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1、- 27 - 设计（论文）专用纸第一章 太阳能在汽车上应用的总述随着经济的增长和科技的进步,以及人口的增加,人们对能源的需求越来越大。目前,世界上能源消费的增长率远高于人口增长率,石油、天然气、煤炭等常规能源已不能满足人们日益增长的需要。世界各国都感到化石燃料的蕴藏量正在日益减少,甚至有用竭的可能。我国可再生能源法于2006 年1月1日起实施，节约能源法于2008 年4 月1 日起施行,随着国家“十一五”能源发展规划的规定，可再生能源中长期发展规划的出台,各级地方政府不断加大促进循环经济发展的力度,进一步提高资源利用率,保护和改善环境,实施可持续发展。在这种情况下,必须重视再生能源的利用和发展
2、,其中最突出的是太阳能的研究和应用。随着科学技术的发展,太阳能的利用在某些方面已显示出其经济性,因而引起许多国家对太阳能研究的重视。1.1 太阳能1.1.1太阳能的特点太阳能之所以受到人们如此的重视,是因为它具有许多优点:太阳能是一种巨大的能源,每天到达地球表面的太阳辐射能大约相当于215 亿万桶石油;太阳能可以再生;在工业越来越发达而环境污染越来越严重的今天,太阳能却是清洁能源;太阳能可以在当地取得,大大节省了在使用矿物燃料时所需的运输费用。我国幅员辽阔,有着丰富的太阳能资源如图1。图1 我国太阳能日照分布图根据全国700 多个气象站长期观测和积累的资料表明, 中国各地的太阳能辐射资源总量大
3、致在3135 103 8140 103 MJ / m2 之间, 其平均值约为5186 103 MJ / m2 ,该等值线从大兴安岭西麓、内蒙东北部开始,向南京北京西北侧,朝西偏南至兰州,然后径直朝南至昆明,最后沿横断山脉转向西藏南部。在该等值线以西和以北的广大地区,除天山北面的新疆小部分地区年总量约为4146 103 MJ / m2 ,其余绝大部分地区的年总量超过5186 103 MJ / m2 。来自太阳的能量在整个白天期间传到地球。不过,能量的大小随着时间的变化,天气情况和地理位置的不同而变化。在北美洲,明亮晴朗的下午太阳能密度将在大约1 000 W/,但是在早上和晚上或者天空阴暗的时候,
4、太阳能密度将降至0 W/ (参阅图2) 。为了获取尽可能大部分的可得到的能量,必须了解可得到的太阳能密度变化规律。图2 晴天日照量曲线图1.1.2 太阳能利用过程中的问题太阳能是一种低密度、间歇性能源,这就对太阳能的收集与应用提出了更高的要求,成本问题也是太阳能推广应用中的重要障碍之一。同时,太阳能应用是一门综合性的科学技术,因为受到各种条件的限制,目前还有许多课题等待解决。总的来说,需要解决三个问题:提高太阳能的收集效率与集光比的问题;降低太阳能应用装置成本与提高使用寿命的问题;解决低成本、高效率的贮能手段问题。就集热效率而言,应从太阳能的光热转换、光电转换、光化学转换三种转换形式分别考虑。
5、光热转换所用的平板集热器,提高收集效率的潜力不大,目前最高热效率已经很高,若能将成本降低一半及使用寿命延长一倍,效果是可观的。光电转换是太阳能利用中非常有发展前途的一种形式。当前的工作是提高转换效率和降低光电转换器的成本。如果能像科学家们预言的那样,向太空发射贴有大量太阳能电池片的人造卫星太阳能电站,把光能转换为电能,然后用微波形式将电能输送到地球上,那么太阳能作为一种巨大而廉价的能源将有美好的前景。在光化学转换方面,植物的光合作用就是一种形式,一直为人类提供生活和生产资料。太阳能的贮存是解决太阳能间歇性的不可缺少的手段。由此可见,太阳能在非常规能源中很有发展前途,包括用于生产和生活方面。但是
6、关于能量转换和贮能的技术以及提高经济性的研究,无论作为空间电源还是地面应用,都有待进一步探讨,并为继续扩大应用范围而努力。1.2 太阳能汽车汽车的发明改变了人们的生活。在为我们带来方便的同时,汽车排出的尾气也成为空气污染的主要来源。汽车尾气中主要含有一氧化碳、氧化氮以及对人体产生不良影响的其他一些固体颗粒,尤其是含铅汽油燃烧后的尾气,对人体的危害更大。这些有害物质会引起头晕、失眠、食欲不振、恶心、贫血等多种疾病。汽车制造厂商进行了大量研究,进行“清洁燃料”汽车的研制,如电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车等。太阳能汽车由于其零污染、能源丰富,代表了汽车发展的新水平,因此被人们称为“未来汽车
7、”。和传统汽车不同,太阳能汽车已经没有发动机、底盘、驱动、变速箱等构件,而是由电池板、储电器和电机组成,但因其造价昂贵、动力受太阳照射时间限制及承载能力差等特点而无法普及。这些太阳能汽车普遍采用质轻价贵的航空、航天材料,力求达到车体轻、速度快。太阳能汽车真正走进大众生活,还有很多难题需要解决。首先是太阳能的采集与转换问题。根据一般的材料应用与技术能力,太阳能转换率只能达到20 %左右,难以满足汽车高速行驶所需要的足够动力,而78 m2的太阳能电池板也导致车身过大转动不够灵活,内部空间过于狭小;其次是制价太高。由于太阳能电池板大多采用宇航材料,造价昂贵,例如在2002 年8 月南京理工大学承办的
8、南京“国际大学生太阳能汽车友谊赛”中,参赛的3辆汽车中“, 追日”号造价718万美元“, Solar Miner ”号造价915万美元,而“Ra”号造价高达100 万美元。不过,科技的发展日新月异。目前已在海南省三亚市亚龙湾热带森林公园使用太阳能能量补偿电动车。美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)的科学家于近日宣布,已使太阳电池光电转换效率达到4018 % ,这是迄今被证实的最高效率。1.2.1 太阳能汽车的基本原理图3 给出了能量怎样在一辆太阳能汽车内流动的一种一般的想法。阳光照射太阳能电池阵列的电池,就生产电流。能量(电流) 能传输到蓄电池贮存,也可以直接到电动机控制器或者两者的结合
9、。送到控制器的能量用来为转动车轮并且使汽车移动的电动机提供动力。图3 一辆太阳能汽车的能量流程图通常如果汽车在运动中,被转变的太阳光被直接传送到电动机控制器,但是有时有更多的来自阵列的能量以至于超过了电动机控制器的需要。当这种情况发生时,那些额外的能量会在蓄电池内储存起来供以后使用。当太阳能电池阵列不能产生足够的能量驱动电动机满足速度要求的时候,蓄电池所储存的能量将用来补充电池阵列。当然,当汽车不在运动中时,来自太阳能电池阵列的全部能量被储存在电池里。还有一种方法可以收回用来推进汽车的一些能量。当汽车被减速时,不使用正常的机械刹车,电动机被变成一台发电机,能量向后通过电动机控制器流进蓄电池贮存
10、起来。这被称为可再生刹车。虽然返回蓄电池的能量的数量是小的,但是完全有所帮助。1.2.2 太阳能汽车的电路系统一辆太阳能汽车的核心是由电池和动力电子组成的电力系统。电力系统控制和管理进入和退出系统的全部动力。蓄电池在一辆传统汽车里相当于一个油箱。一辆太阳能汽车使用蓄电池储存在以后的某一时间将被使用的能量。太阳汽车使用充满电的蓄电池启动,但是在开始之后,只有太阳能电池产生的能量能用来给蓄电池再充电。能使用的蓄电池的最大数量被每种类型电池的重量所限制。一般使用的电池类型是:Lead - Acid 铅酸Nickel - Metal Hydrid (NiMH) 镍金属Nickel - Cadmium
11、(NiCad) 镍镉Lithium Ion 锂离子Lithium Polymer 锂聚合物图4 太阳能电池板图5 蓄电池NiCad ,NiMH 和锂电池提供改进的动力重量比率在更普通的铅酸电池之上,但是它们是需要仔细的维修并且更昂贵的技术。电池组由导线连接的几个个别的模件组成,产生要求的系统电压。通常,使用在84108 V之间的体制电压,取决于他们的电力系统。一辆太阳能汽车里的一些最复杂的零部件是动力电子。它们包括峰值功率追踪器,电动机控制器和数据获取系统。动力电子的主要功能是在系统内监控并且控制电。峰值功率追踪器决定由太阳能电池阵列所致使动力最大化并且递送它给电池贮存或者给电动机控制器产生推
12、进力的电。当太阳能电池阵列给电池充电时,峰值功率追踪器帮助保护电池以防过载而损坏。追踪器在一辆太阳能汽车里使用的峰值功率的数量随各队的设计而变化。峰值功率追踪器可能非常轻便并且通常效率超过95 %。电动机控制器处理来自驱动加速器的基于信号的被送往电动机的电。不同类型的电动机控制器与不同的电动机相配合工作。购买电动机时,通常也买被用于与那台电动机配合的一个控制。有多种类型的电动机控制器,最好的一个效率超过90 %。1.2.3太阳能汽车的车身和底盘太阳能汽车的最特别的部分是车身。柔顺而奇特的形状是很能引起注意的太阳能汽车的车身由几个部分所组成,但是每一辆车都是独特的,因为没有成文的标准除了空间的限
13、制条件之外。在设计车身时,主要目标将使空气动力学的阻力减到最小,使对太阳能吸收的面积最大化,质量最小化,和安全最大化。在什么样的车身形状和尺寸最有效率方面有很多理论,但需要经过大量模拟和测试来发现最佳形状。一个合理的车辆形状能节省数百瓦特的动力并且对制造一辆最高效的太阳能汽车很重要。在发展一个高效的太阳能汽车底盘过程中的主要挑战是使可靠和安全最大化,但是使重量减到最小。所有额外的重量需要更多的能量使汽车在道路上行驶。这就意味着必须把重量减到最小,并且一个关键部位是底盘。尽管如此安全是主要关心的事,底盘必须满足严格的力量和安全要求。通常,有三类底盘在太阳能汽车里使用: space frame 使
14、用焊接或者联结的管状结构支持负荷和身体。车身是一个轻便的,不承受载荷的组合式壳体,被分别安装在底盘上;semi - monocoque or carbon beam 使用合成梁和舱壁承受载荷并且和一个不承载的组合式belly pan 结合在一起,汽车的顶级部分通常是安装于belly pan 的车身组合片;monocoque chassis 使用车身部份结构支持负荷。以上三类底盘都能形成高强度低重量的车辆。很多太阳能汽车使用上述种类底盘的结合。图6 太阳能汽车车身1.2.4太阳能电池板阵列太阳能电池阵列在越野的Rayce 期间是车辆的唯一的能源。阵列由把太阳能转变成电的许多(经常是几百) 光电的
15、太阳能电池组成。一般使用多种太阳能电池技术建造他们的阵列。图7 太阳能汽车底盘图8 太阳能电池板阵列的电池类型和空间尺寸被规则限制,取决于车辆的尺寸和种类。电池被导线连接形成线。几根线经常被导线连接形成一个部分或者小组,其电压在名义上接近于电池的电压。有一些用于将电池联系在一起的方法,但是主要目标是在提供的有限空间内获得尽可能多的多的太阳能电池。太阳能电池非常脆弱并且很容易被损坏。通过密封保护电池免受天气影响和其他破坏而破损。有几种方法被用来密封电池,目标是在增加最小重量的前提下保护电池。太阳能电池阵列产生的能量依据天气,太阳在天空的位置,和太阳能电池阵列本身的不同而不同。在明亮晴朗的中午,一
16、个完善的太阳能汽车电池阵列将生产超过1 000瓦特(113 hp) 的动力。电池阵列的能量被用来为电动机提供动力或者储存在蓄电池内供以后使用。1.2.5 太阳能汽车的驱动太阳能汽车的驱动和传动系统和传统的汽车有很大不同。太阳能汽车的驱动和传动系统由电动机和将动力传到驱动轮的传动零部件组成。由于产生的动力较小(少于5 hp) 通常只有一个汽车后面的车轮被电动机驱动。太阳能汽车使用的电动机的类型没有什么限制。其动力一般在25 hp之间。在太阳能汽车中使用的最普遍的是无刷式双弯曲的直流电动机。直流无刷式电动机相当轻便并且在一定的转速下能达到98 %的效率,但是它比典型的刷子类型直流电动机昂贵的多。因
17、为多齿轮的变速器很少在太阳能汽车里使用,双向的电动机有时被作为一种电子变速器使用。在双向旋转之间的选择改变电动机的速度等级。低速的旋转为启动和通过提供高的转矩,而高速的旋转有更高的效率并且最适合巡航行驶(正常运行) 。图9 车载太阳能电池板随着非可再生资源的枯竭,世界范围内亟待解决的问题是新能源的开发和利用。汽车主要消耗的是石油产品,其排放物造成严重的环境污染。因此使用清洁燃料的汽车的开发和研制备受世人瞩目。本文以太阳能作为车辆的主要能源,研究新型动力系统的太阳能电动车。重点研究太阳能汽车能量管理系统的协调匹配,达到最大限度的节能。通过对前面的材料分析,利用太阳能驱动汽车完全可行,太阳能汽车可
18、以应用于高尔夫球场,露天游乐场观光车,大型野外动物园观光车,园林草坪修剪服务车,太阳能作为可再生的能量及环保且储藏丰富,是一个非常有前途的汽车能源。1.3太阳能在汽车上的应用太阳不断地向宇宙空间辐射出巨大的能量， 人类完全可以将太阳能充分利用在汽车上， 太阳能汽车的能源利用率可以达到9 5 。文章介绍了太阳能天窗和太阳能汽车的结构特点和节能原理， 指出了轿车环保节能太阳能天窗以及太阳能在汽车上的应用前景， 得出环保节能的理念必将推动太阳能在汽车上的应用日渐普及。1.3.1太阳能天窗让车内舒适和惬意说到汽车的太阳能天窗， 很多人都有所了解， 并不像其他高深科技那样离我们如此遥远。目前在很多高档轿
19、车上， 太阳能天窗已经开始使用， 可以说它是应用在量产汽车上最“ 平易近人 的新科技。汽车太阳能天窗带给消费者的最直接好处是， 在夏天高温天气里， 汽车在烈日下停车熄火， 完全没有能源供给时， 能自动调节车内温度， 达到降温的目的。这样，当驾驶者及乘员再次上车的时候， 就不必忍受在阳光暴晒下车内犹如蒸笼一般的酷热， 因此， 空调系统可以在最短时间内将车内温度降至舒适的程度， 打造出一个舒适的车内环境， 同时可以改善车内的空气状况。另外， 这项功能还可以在冬天减少车内前挡风玻璃的结霜， 相当实用。1.3.2 太阳能天窗的结构原理太阳能天窗的原理是： 在汽车停车熄火的情况下，安装在天窗里的太阳能集
20、电板产生电力， 将车厢外的冷空气导入车内， 驱除车内热气， 达到降温目的； 同时， 太阳能天窗能吸入室外空气并排除车内废气。在外观上看，太阳能天窗与普通玻璃天窗有较大区别， 太阳能天窗上安装了格栅状的太阳能电池板， 在天窗开启后， 通风透气的效果与普通天窗一样， 但在天窗关闭的时候， 从车内看不到天空。太阳能天窗的结构是在汽车天窗的玻璃下方设置太阳能电池， 太阳能电池与设置的控制单元输入端相连接， 输入端连接车辆空调系统的温度传感器， 同时输入端还与蓄电池和点火器相连接。点火开关打开后， 用此选装开关可使太阳能天窗移动到需要的位置。当您驻车时或在无人看管汽车的情况下离开汽车时，一定要将太阳能天
21、窗完全关闭。阳光充足时， 鼓风机在关闭点火开关之后自动切换为太阳能运行模式。此后鼓风机电机由太阳能电池驱动， 并为汽车内部空间提供新鲜空气。夏季时最多可使车内温度降低到2 0 ， 这样空调器工作后很快便能够达到所选温度。遮阳板与太阳能天窗以固定方式连在一起，不能单独移动。为使气流产生的风滞噪声降至最小，导流板根据车速和天窗开度自动移动到最佳的外翻高度。此外还能明显降低车内空气的振动噪声。玻璃下方的太阳能电池吸收太阳能，经汽车天窗控制单元可对蓄电池进行充电，保证蓄电池的电能充足，同时延长蓄电池的使用寿命。1.3.3 环保节能太阳能天窗充满商机装备了太阳能天窗的车型，一定程度上降低了空调的使用频率
22、，除了能为驾乘者提供舒适的用车环境以外，也有利于节省燃油，更加环保。目前，配备天窗的车型在国内已十分流行，如果能在原有天窗的基础上加上太阳能的功能，虽然会增加一定的造车成本，但从长远来看，有助于节省燃油以及保护环境，同样也是未来轿车的发展趋势。资料显示，与没有通风降温的车型相比，太阳能天窗降低室内温度的效果明显，安装了太阳能天窗的汽车驾驶室内的温度最高降低至20，利用太阳能供电，节能降温，十分有效地减少了汽车内由热所产生的“孤岛”效应。并且太阳能天窗产生的风量，随太阳光照的增强而增大。同时，太阳能天窗吸入室外空气并排除车内废气，使车内环境更环保、更健康。尤其南方地区的车友对阳光暴晒后车厢内的高
23、温都有深刻体验，使用了太阳能天窗后，夏日里就不必花时间来“凉车”了。这就是厂家要在我国南方地区投放这一系列车型的商机。目前，配备太阳能天窗的只有奔驰E级轿车以及奥迪A8等高级别的车型，中级车型很少配备，但考虑到要渡过漫漫酷暑，装备这样的天窗还是很值得的。新奥迪A6L太阳能天窗可以在阳光充足时利用太阳能将鼓风机运转，将车内外空气进行交换，不消耗电能和其他能量，但驻车通风和驻车加热则需要消耗电瓶电能，驻车加热还要消耗部分燃油。而奥迪A4的太阳能天窗只是将一部分能源供给天窗系统，驻车时太阳能天窗不需给予其他额外的支持。辉腾轿车的太阳能天窗在车顶天窗上整合了28个太阳能电池板，总共可提供24 w 的能
24、量，还可以在车辆静止的状态下为电扇供电，减少蓄电池能量消耗。从节能环保的角度来说，太阳能天窗是使用太阳能蓄电驱动，完全不会给汽车增加额外的负担，这很符合高油价时代的用车理念。太阳能作为清洁无污染的可再生能源，已经在各行各业上得到了广泛地应用。可以预见，汽车太阳能天窗将随着科技的不断进步而将自身功能越发完善和提升。而在未来的汽车上，我们看到的将不只是太阳能天窗，或许还有太阳能车顶以及太阳能车身等等，而且这一汽车新科技的运用也将从豪华轿车逐步走向普通家庭用车，也许在不久的将来，我们自家的汽车上也能出现更多更好的太阳能科技。1.3.4 太阳能在汽车上的应用前景不久前，一辆特殊的的士出现在北京街头，这
25、正是人类历史上第一个以太阳能为动力环游世界的交通工具一一瑞士太阳能汽车(名为“太阳能的士”)。“太阳能的士”50 的动力来自装载了OCells公司提供的高效太阳能电池片的挂车，其动力心脏一ZEBRA电池可以保证在没有阳光的情况下行驶300 km，其50 的动力需求将会在瑞士的太阳能发电站补充。“太阳能的士”向人们展示当今无碳排放的动力性的可能。驾驶“太阳能的士”不产生尾气和CO，这种能源100可再循环，不含任何有害物质。太阳不断地向宇宙空间辐射出巨大的能量，其内部的热核反应据现在统计，足以延续很多年，对于人类来说它是“取之不尽，用之不竭”的巨大能源。而且，正常情况下，一台石油发动机的能源利用率
26、约为25，利用率最高的也只是在50 60，而太阳能汽车的能源利用率却能达到95。所以可以充分将其利用在汽车上。太阳能在汽车上的应用前景：一是太阳能主要在传统汽车车身上做辅助电池用，而不是作为汽车的驱动力。因为它不能带动空调里面的压缩机，空调里的压缩机上千瓦，太阳能只可以带动空调里的电扇，作为辅助动力使用；二是太阳能可以做充电站，比如在房子上搭很多的太阳能板，把太阳能收集起来给电动汽车充电；三是利用太阳能制氢，太阳能先发电，电解水的电把氢气制出来以后，存在一个大罐子里，给汽车里的燃料电池加氢，氢和氧气再化合生成水同时放出电，这样供汽车使用。太阳能车代替燃油车在目前还不能实现，主要是因为太阳能电池
27、能量密度小，转化效率低，价格昂贵，技术还不成熟，所以目前还不能广泛推广使用。但是太阳能电动车是最清洁和最有发展前景的绿色环保汽车，所以它的推广还是非常有前景的。相信在不久的将来，太阳能定会在汽车上逐渐应用普及，在全球倡导节能环保的时代，太阳能的广泛应用不仅能为人们生活带来便利，也会给我们赖以生存的地球带来和谐的发展，这也是汽车企业一项任重而道远的责任。第二章 太阳能汽车发展现状及其实用化对策研究随着光伏电池技术以及电子技术的不断进步,太阳能汽车作为一种新能源汽车已经崭露头角。然而由于太阳能电池的转换效率有限,并受气候、环境等外界条件影响较大,太阳能汽车在实际应用中仍存在一定的局限性。文中基于同
28、济大学某太阳能汽车项目,从国内外光伏技术和太阳能汽车的发展现状入手,对太阳能汽车的实用化对策进行阐述,为未来的研究与发展提供了一定的参考依据。传统的石油资源日益枯竭,人们对石油资源的依赖性和石油储量的不断锐减形成了鲜明的反差。汽车产业的蓬勃发展也给社会环境带来了一定的压力。因此电动汽车应运而生,并在近几年迅速得到发展。纯电动、混合动力以及燃料电池汽车等相关技术已相对成熟。相比之下,太阳能汽车还很年轻。所谓太阳能汽车就是利用太阳能电池将太阳能转换为电能,并利用该电能驱动车辆行驶。太阳能汽车清洁、环保,可以说是真正“零排放”的交通工具。近年来,光伏产业发展迅速,国内外对太阳能汽车的研究方兴未艾,这
29、都为太阳能汽车的实用化奠定了基础。2.1光伏技术的发展现状太阳是一个巨大的能源,它以光辐射的形式向太空发射能量。太阳辐射到地球大气层的能量约3. 75 1026W,每秒的辐射量相当于500 万t煤。即使把地球表面0. 1%的太阳能转为电能,转化率为5%, 那么每年发电量也可达5. 6 1012kWh,相当于目前全世界能耗的40倍。可见,太阳能是一个极其巨大的、不可取代的能源。2.1.1太阳能电池技术将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要手段。而太阳能电池则是实现这一过程的主要部件。1954年,美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳能电池,揭开了太阳能电力开发利用的序幕。在70年代以前,由于太
30、阳能电池效率低下、造价昂贵,一般只应用于空间技术。70年代以后,人们在世界范围内对太阳能电池的材料、结构和工艺等进行了深入研究,在提高效率和降低成本方面取得了较大进展,其应用规模逐渐扩大。但与常规发电相比,成本仍然偏高。从90年代开始,太阳能电池技术不断走向成熟,并逐渐向商用化、民用化领域渗透。根据材料不同,太阳能电池可分为:硅太阳能电池;以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的太阳能电池;功能高分子材料制备的大阳能电池;纳米晶太阳能电池等。其中,硅太阳能电池以其在宽度、转换效率、环境友好性、稳定性等方面性能优越,成为最理想的太阳能电池材料。硅系列太阳能电池按晶体结构的不同可分为单
31、晶硅和多晶硅太阳能电池。其中单晶硅电池转换效率最高,技术也最为成熟,在光伏产品家族中占主导地位。转换效率是太阳能电池一个非常重要的指标,它表示太阳能电池将光辐射转化为电能的效率和能力。对于晶体硅电池而言,世界最高水平为:单晶硅电池24% ( 4cm2 ) ,多晶硅电池1816%(4cm2 ) 。我国太阳电池转换效率的最高水平为: 单晶硅电池20. 4% ( 2cm2 ) ,多晶硅电池1415%(2cm2 ) 、12% (10cm2 ) 。从80年代开始,尤其是进入21世纪以后,全球的光伏产量出现了爆发性增长。在2004年,太阳能组件的年产量突破了1200MW。另外,太阳能电池的发电成本也不断下
32、降,现阶段的单位功率发电成本已降至34美元,与传统能源的差距正在不断缩小,如图1所示。图1光伏电池产量及其发电成本由此可见,太阳能电池转换效率的不断提高及其成本的不断下降为未来发展提供了可能,同时也为太阳能汽车的实用化奠定了基础。2.1.2光伏电控技术常规光伏系统的主要组成部分见图2。图2常规光伏系统的组成太阳能电池阵列是整个系统中的能量转换部件。它根据光强和温度等条件,以一定的输出特性对外输出功率。DC2DC控制器是控制系统中的核心部件,其最大功率点跟踪控制(MPPT) ,实现快速、准确跟踪最优工作点,可以使系统最大程度地利用太阳能,而且还能根据事先设定的控制策略实现对能源的管理。MPPT弥
33、补太阳能电池本身性能和使用条件的不足。蓄电池的充放电控制器则能按照一定模式对蓄电池进行充放电管理,以提高其工作性能,延长工作寿命。负载则是光伏系统的用电终端。太阳能电池最大功率跟踪控制的方法有很多。从比较简单的控制方法如:功率比较法、扰动观察法等发展到具有智能化的控制方法,如:模糊控制、神经网络控制等。在实现过程中,调节依据的变量会有不同:有依据电压的,也有依据功率的。2.2 太阳能汽车的发展现状2.2.1国外太阳能汽车的发展从20世纪70年代后半期到80年代前半期,太阳能汽车在实验室诞生。1984年,世界首届电动汽车与太阳能车比赛在瑞士举行,成为了太阳能汽车赛事的始创者。世界太阳能汽车挑战赛
34、是至今为止影响较大的太阳能汽车赛事之一。其规则最严格、距离最长。它始于1987 年,每隔3 年举办一次,赛段从达尔文(澳大利亚北部城市)到阿德莱德(澳大利亚南部城市) ,全程3028km。在90年代初期,诸如“太阳能旅行”等赛事也逐步在美国蓬勃发展。日本的太阳能车赛事起步较晚,但后来居上,层出不穷,如: 1989年的“朝日太阳能车拉力赛”, 1991年的“北海道太阳能车赛”, 1992年的“铃鹿太阳能车赛”和“能登太阳能车拉力赛”等,都在世界范围内产生了一定的影响。针对各类太阳能车赛都有一定的规范和标准,对参赛车的定义、装备、电器、安全性等都有严格的规定,如:太阳能电池的类型、覆盖面积、蓄电池
35、容量、辅助能源、车身尺寸、驱动器、驱动型式、制动性能、赛事时段等。众多汽车公司、科研院所及相关大学是参赛队伍的主要组成部分。赛事一般使用公路作为比赛线路。比赛用太阳能电池几乎全是晶体硅,并以单晶硅太阳能电池为主。学生参赛队使用的太阳能电池的转换效率一般在14% 18% ,企业参赛队则在19%23%。技术和资金充裕的队伍几乎全部使用了MPPT装置。这些太阳能赛事为太阳能汽车的发展提供了良好契机,同时也为各种新技术的开发和应用提供了一个良好的载体。2.2.2我国太阳能汽车发展我国的太阳能汽车事业起步较晚,多数太阳能汽车的研制工作主要由各院校和科研院所进行。在我国国家知识产权局与太阳能相关的专利中,
36、有很大一部分是与太阳能并网发电和太阳能热水器相关,直接与太阳能汽车相关的专利不多。总体来说,有以下特点:(1) 太阳能在汽车上应用一般只涉及汽车的辅助电源系统。太阳能电池所提供的能量只能用于车辆的电器、仪表等,或是对车载蓄电池进行充电。现今有部分量产车在其天窗顶部添加了太阳能电池,经控制器、逆变器驱动车载空调工作。(2) 所有以太阳能作为驱动能源的专利产品中,太阳能所占的能源比例份额太少。国内有把太阳能用于电动自行车,也有用于微型车的例子,但太阳能所能提供的能量只占到所需驱动能量的30%以下。1996年,清华大学参照日本能登竞赛规范,研制了“追日”号太阳能汽车。该车使用转换效率为14%的矩形单
37、晶硅电池阵列,在光照条件良好的状况下(地面日照强度为1000W /m2 ) ,向直流永磁无刷电机提供800W的动力。结构上采用前二后一的三轮式布置, 后轮驱动。最高车速达80km /h。“追日”号是我国第一代参加国际大赛的太阳能赛车。2001年,上海交通大学设计制造了“思源”号太阳能电动车。该车长、宽、高分别为2100mm、860mm、800mm,满载质量400kg。其结构、动力系统与“追日”号相仿。但由于使用的是串联电阻的调速方式,其能量利用率低,车速仅2036km /h,续航能力也有限。在2005 年举办的第九届全国大学生“挑战杯”赛上,上海交通大学的又一太阳能车参加了比赛。这些尝试都预示
38、着太阳能汽车正逐渐走向成熟。2.3太阳能汽车的实用化对策太阳能汽车受阳光强弱、太阳高度角、气候等因素的影响较大。不可否认其实际应用存在一定局限性。因此,为其寻找一个理想应用领域就成为其实用化的关键所在。2.3.1观光游览领域现阶段太阳能汽车的实用化必须满足以下几方面的条件:首先是工作场所必须光照充足,为驱动汽车提供足够的能量来源;其次是其本身对速度或载重的要求不高,并能通过轻量化的车身结构进一步减轻整车对功率的需求。当然,在光照条件欠佳的情况下,车辆应仍能通过与电动模式,甚至人力模式的结合进行驱动。观光游览车基本符合现阶段太阳能汽车实用化的几点要求,是其实用化的理想切入点。本项目的方案是基于现
39、有的人力休闲观光车,在其顶部布置太阳能电池板,在其驱动轮处加装轮毂电机,配备蓄电池、控制器、仪表板,并能在大功率需求的工况下,实现太阳能电池- 蓄电池- 人力混合的驱动模式。其基本参数见表1。表1拟开发车型基本参数载人数（名）2轴距（mm）1370整车质量（kg）150轮距（mm）680满载质量（kg）290正常时速（km/h）10长宽高（mm）191010401780最大时速（km/h）15顶棚表面积（）2最大爬坡度（%）102 的车顶表面搭载单位面积峰值功率130W 的单晶硅光伏电池阵列后, 能提供最大260W的功率。轻量化的车身结构使整车在满载情况下总重仅300kg左右。在光照条件良好的
40、情况下,若车辆分别以正常车速、最高车速以及最大爬坡度工况行驶, 其所需的功率分别为86W、141W和393W。如图3所示,若整个系统的输出效率取60% ,则在正常车速和最高车速工况下,系统完全有能力实现纯太阳能驱动。而另一部分富足的能量可通过充电方式存储于蓄电池中。对于最大爬坡度工况,太阳能电池所能提供的功率不足,而空缺的功率将由蓄电池或保留的人力传动机构来填补。另外,通过采用具有制动能量回收功能的轮毂电机,将一部分汽车动能在制动时转化为电能储存于蓄电池中,可进一步缓解太阳能汽车能源。对车身而言,适当采用镁合金等新材料和新工艺,不仅能展现太阳能科技的前瞻性,更能在保证结构强度的基础上进一步降低
41、车身重量。图3功率供需比较按照现在光伏电池产业30元/W 的价格估算,本车所采用的太阳能电池板成本约为7800元,占到总成本的大半。加上控制器( 500元) 、蓄电池(500元) 、轮毂电机(600元) 、车架(3000元)等,整车成本将不超过1.5 万。相比普通的人力观光车,其增加的投入不多,却能带来绿色的动力体验;而相比平均价格3万左右的纯电动观光游览车,其前瞻的理念、低廉的价格、轻巧的结构也具备一定的竞争优势。预计在2010年和2020年,光伏电池成本将分别下降至2美元/W和1美元/W。届时太阳能电动车将开始在成本上占有优势。2.3.2市场前景从太阳能资源角度讲,我国属资源丰富的国家之一
42、。在我国的国土面积上,太阳能年辐照总量大于502万kJ /m2 ,年日照时数2200h以上的地区占到2 /3 以上。西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古的总辐射量和日照时数为全国最高,属世界太阳能资源丰富地区之一;我国东部、南部及东北为资源中等区。太阳能观光游览车在地理意义上的应用覆盖面较广。从我国旅游业与休闲业的发展角度讲,观光游览车作为游客在旅游途中的一种特殊代步车辆,正以其可靠、舒适、安全、便捷的性能,显现出强大的市场需求。与一般意义上的城市公交车相比,观光游览车行驶速度较慢,通常车速在1030km /h,以适应游客观赏风景的需要。它对排放的要求也较高,以适应城市或旅游景点对环境保护的要
43、求。太阳能观光游览车满足上述几点要求,还能为人们带来运动、休闲、猎奇等诸多方面的感受。另外, 2008年北京奥运会和2010年上海世博会都为太阳能观光游览车的应用提供了广阔的舞台。无论是奥运村还是世博园,都需要一种能够代表绿色、环保,又具有未来特性的交通工具。太阳能无疑将是观光游览领域的动力首选。第三章 国内外太阳能汽车的应用及发展趋势3.1 国外太阳能汽车3.1.1瑞士的太阳能汽车在瑞士兰根布鲁卡生态中心区, 详细拟定的未来交通设想中规定有 公共交通应优先发展、增加太阳能汽车的数量和利用再生能源分散生产能量。这种设想, 显示出了对最重要研究的成果获得非常迫切。当有机燃料燃烧时, 形成的气体使
44、空气过饱和并引起了全球气候的突变。由于燃料燃烧时, 排放出的二氧化碳浓度几乎增大了50% , 使得地球继续升温。根据计算, 如果排出的二氧化碳由目前的水平减少到40% 时，气候的变化是可以预先防止的。个体交通对二氧化碳气体在大气中含量的降低的可能性是不大的。目前, 在生态学方面, 只有两个方向是有前途的： 自行车交通的发展和太阳能汽车的推行。瑞士第一家太阳能汽车租赁服务站是在1989年5月开辟的, 它靠近里斯达尔铁路车站。实践证明, 乘坐太阳能汽车沿城市做短途游览, 能够和铁路长距离的旅行配合。靠近车站的专门维修站, 在太阳能汽车的主人不在场时, 可为太阳能汽车的蓄电池充电。太阳能汽车的电能,
45、 是由安装在车站建筑物上正面朝南的功率为2.4kW的太阳能利用装置生产出。西班牙生产的太阳能利用装置, 是由48块BP250型面板组成, 总面积为21.5, 并装有硅晶体构成的光电转换器,单块面板按每组3块组成16组。为在冬季月份获取最大照度, 使面板与水平倾斜成55角, 太阳能利用装置产生出的直流电经S1-3000型变流器转换成交流电, 供给一般采用电压220V、频率为50Hz的供电线网。当直流电的功率增大到60W时, 电能开始向电网供电, 而当它的功率低于30W时, 停止供给。在有利的条件下, 太阳能利用装置产生出的剩余电能送向电网, 在不利的条件下, 相反是由电网取得电能。太阳能利用装置
46、, 在一年的时间产生出的电能为2600kWh,基本上能满足车站的电能需要。在运行的第一年中, 剩余的太阳能大于200kWh，在必要的情况下, 太阳能利用装置的功率可以增加到3kW.车站装备有为8辆太阳能汽车蓄电池充电和技术保养的停车场。为了接通车身侧面的蓄电池, 装有不同型式的插头以及由长时间或短时间租用太阳能汽车而定的电度表。供给长时间租用的太阳能汽车的电能, 月平均为40kWh。对太阳能汽车停车场, 不需要修建不能渗透的路面, 因为在太阳能汽车停留后不会留下汽油及润滑油的痕迹。这样, 就能保持住城市中大块的绿色地面。里斯达尔太阳能汽车服务站的总成本为65000瑞士法郎。3.1.2 巴西发明
47、新型太阳能汽车巴西圣保罗大学的科研人员日前设计出一款新型太阳能汽车。这种汽车全部使用太阳能作为能源，发动机和车轮之间没有传输装置，最高时速超过100公里。这种名为“波利”的新型太阳能汽车的外表呈蓝色，由1200块3厘米见方的小型太阳能电池组成，这些电池能将太阳光中的光能转化成电源，从而驱动汽车。同时，几组蓄电池讲多余的能量暂时储存起来。这辆太阳能汽车最新奇之处就是没有任何传输装置，由装在车轮上的发动机直接带动轮子。研究结果表明这样可以大大减少汽车的能耗。这种新型马自达引起了有关企业的兴趣。负责研究工作的科研人员介绍说，这种新型太阳能汽车要真正走向市场还有很长的路要走。首先是太阳能电池的价格不菲
48、，超过18万美元。其次这种太阳能电池吸收光能的效率任然比较低，所以车身的长度和宽度都远远超过普通汽车。3.2 国内太阳能汽车3.2.1 我国第一辆太阳能汽车我国第一辆太阳能汽车最近由武汉星期天公司研制成功。这辆名为太阳号I型的太阳能汽车,长3.5米, 宽1.2米, 高1.1米, 用玻璃纤维和铝、钢制作车身。车顶上安装有10硅太阳电池, 太阳电池表面的复盖层不用传统的玻璃, 而是采用独特的喷镀技术镀上一层透明膜, 极大地减轻了太阳电池的重量。目前, 星期天公司正在着手研制太阳号型车, 该车自重150公斤, 时速达24公里, 可与世界上最先进的澳大利亚太阳能车媲美。3.2.2 大学生设计出“太阳能跑车”晒五六个小时 可行驶60公里 无污染成本低流线型车体，时尚靓丽，这是一辆跑车。不同的是，它的车顶覆满灰黑色“铠甲”那是一块块太阳能电池板。近日，这辆学生自主设计的“太阳能跑车”在北京科技大学亮相。在该校举办的“2010年全国第三届大学生节能减排社会实践与科技竞赛”上，有近2000件作品