太陽能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨問題

1、太陽能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨問題摘要：隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，汽車產(chǎn)業(yè)已成為中國的支柱產(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。文章從太陽能汽車優(yōu)越性入手，對(duì)太陽能 汽車的發(fā)展現(xiàn)狀、構(gòu)造及其面臨的問題進(jìn)行闡述，為未來的研究提供了一定的參考依據(jù)。關(guān)鍵字：太陽能汽車環(huán)保未來能源電力系統(tǒng)太陽能電池0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

2、用汽油、柴油作為燃料，在相當(dāng)長的一段時(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150200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?、氮氧化合物、鉛的 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%1。所以說，從未來世界的汽車發(fā)展來看，太陽能汽車將成為未來汽車 行業(yè)的發(fā)展潮流。1太陽能汽車的優(yōu)越性1. 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 6X 1010年。從資源角 度看，我國擁有豐富的太陽能資源，我國陸地面積接收的太陽能的總量在 3. 3X 1010到8.6X 1010k

3、J /m2 - a之間，其總量相當(dāng)于24000億噸煤，全國總面積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. 75X 1026w，每秒的輻射量相當(dāng)丁 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. 6X 1012kWh,相當(dāng)丁目前 全世界能耗的40倍2?？梢姡柲苁且粋€(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。太陽能具有活潔無污染，取之不竭、用之不盡等特點(diǎn)，因此，在所有新 義的能源中，太陽能具有十分高的利用價(jià)值。2. 太陽能汽車，無污染，無噪音。因?yàn)椴挥萌加?，太陽能電?dòng)車不會(huì)

4、排放污染大氣的有害氣體； 沒有內(nèi)燃機(jī)，太陽能電動(dòng)車在行駛時(shí)聽不到燃油汽車內(nèi)燃機(jī)的轟鳴聲。如果由太陽能汽車取代燃?xì)?車輛，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1。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%2。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。3. 太陽能汽車耗能少，只需采用3-4平方米的太陽電池組件便可使太陽能電動(dòng)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(dòng)車輛前進(jìn)上，其

5、余2/3左右的能量損失在發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)鏈上；而太陽能汽車的熱量轉(zhuǎn)換不受卡 諾循環(huán)規(guī)律的限制，90%的能量用丁推動(dòng)車輛前進(jìn)3,4。4. 易丁駕駛。無需電子點(diǎn)火，只需踩踏加速踏板便可啟動(dòng)，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5。5. 太陽能汽車結(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(jī)油，添加冷卻水等定期保養(yǎng)的煩惱。6. 在都市行車，為了等候交通信號(hào)燈，必須不斷的停車和啟動(dòng)，既造成了大量的能源浪費(fèi)，乂 加重了空氣污染，使用太陽能汽車，減速停車時(shí)，可以不讓電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，大大提

6、高了能源使用效率 和減少了空氣污染。2太陽能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀2.1國外太陽能汽車的發(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年澳大利業(yè)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6"。2.2國內(nèi)太陽能汽車的

7、發(fā)展國內(nèi)太陽能汽車發(fā)展起步較晚。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(shí)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(diǎn)：(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(duì)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(dòng)車載空調(diào)工作。所有以太陽能作為驅(qū)動(dòng)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(dòng)自行車，也有用于微型車的例

8、子，但太陽能所能提供的能量只占到所需驅(qū)動(dòng)能量的30%以下。1984年9月，我國首次研制的“太陽號(hào)”太陽能汽車試驗(yàn)成功，太陽號(hào)由湖北省金屆學(xué)會(huì)新技 術(shù)開發(fā)公司的黃繩溥等六位中宵年科技人員，僅用了56天時(shí)間研制成功。1996年，活華大學(xué)參照日本能登競賽規(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第五代產(chǎn)品。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(qiáng)度為1000W /m2)，向直流永磁無 刷電機(jī)提供800W的動(dòng)力。結(jié)構(gòu)上采用前二后一的三輪式布置，后輪驅(qū)動(dòng)。最高車速達(dá)80km/h。&

9、quot;追日”號(hào)是我國第一代參加國際大賽的太陽能賽車。2001年，上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)制造了 “思源”號(hào)太陽能電動(dòng)車。該車長、寬、高分別為 2100mm、860mm、800mm,滿載質(zhì)量400kg。其結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng) 與“追日”號(hào)相仿。但由于使用的是申聯(lián)電阻的調(diào)速方式，其能量利用率低，車速僅2036kmZh.gr航能 力也有限9。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)的乂一太陽能車參加 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

10、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。3太陽能汽車的構(gòu)造3.1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（通常有好幾白個(gè)）組成。方陣類型受到太陽能汽車尺寸和部件費(fèi)用等的制約。目前，主要有兩種類型的光電池板：硅電池和砰 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砰化合物電池，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(jí)的太陽能汽車通常使用硅電池板。 許多獨(dú)立的硅片（接近1000個(gè)） 被組合，形成太陽電池方陣。依靠光伏電源供電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽能汽車。這些方陣的通常工作電 壓在50V

11、-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(jí)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(jí)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10，11。一般情況下，車子在運(yùn)動(dòng)時(shí)，被轉(zhuǎn)換的太陽能光被直接送到發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。但有時(shí)提供的能 量要大于發(fā)動(dòng)機(jī)需求的電力，那么多余的能量就會(huì)被蓄電池儲(chǔ)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，蓄電池內(nèi)的被儲(chǔ)存的備用能量將會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充。當(dāng)然，當(dāng)太陽能汽車 不運(yùn)動(dòng)時(shí)，所有能量都將通過太陽能光伏陣列儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)。也可以利用一些回流的能量來推

12、動(dòng) 汽車。當(dāng)太陽能汽車開始減速時(shí)，換用通用的機(jī)械制動(dòng)，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)將變成了一個(gè)發(fā)電機(jī)，能量通 過發(fā)動(dòng)機(jī)控制器反向進(jìn)入蓄電池內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)存。 回充到蓄電池中的能量是非常少的，但是卻非常實(shí)用。3.2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)和收集工作。蓄電池組就相當(dāng)于普通汽車的油箱。一個(gè)太陽能汽車使用蓄電池組來儲(chǔ)存電能 以便在必要時(shí)使用，太陽能汽車啟動(dòng)裝置控制著蓄電池組，但是當(dāng)太陽能汽車開動(dòng)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

13、酸蓄電池，2.銳鎘蓄電池，3.鋰電池,4.鋰聚合物電池。銳鎘、銳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(qiáng)勁能量的就是鋰電池，在今后蓄電池的儲(chǔ)存能力將會(huì)更高。電池組是由幾個(gè)獨(dú)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(gè)獨(dú)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-108V5。3.3電力控制系統(tǒng)在太陽能汽車?yán)镒罡呒?jí)的組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(dòng)機(jī)控制器和 數(shù)據(jù)

14、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(gè)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(chǔ)存或直接傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)控制 器用于推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)太陽能光伏陣列正在給蓄電池充電的時(shí)候，電池組電力監(jiān)控儀會(huì)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(hào)碼數(shù)值隨我們的設(shè)計(jì)而被使用在太陽能汽車?yán)?。峰值?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(dòng)機(jī)控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，而發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)是來自駕駛員的加速裝置。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器電力管理是通過程序來完成的。發(fā)動(dòng)機(jī) 的啟動(dòng)需要配備不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，使用的工作效率一般超過90%。很多太陽

15、能汽車使用精確數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)來管理整個(gè)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(dòng)機(jī)控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)。在有些時(shí)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6。3.4電動(dòng)機(jī)在太陽能汽車?yán)锸褂檬裁搭愋偷陌l(fā)動(dòng)機(jī)沒有限制。大多數(shù)太陽能汽車使用的發(fā)動(dòng)機(jī)是雙線圈直流無刷電機(jī)，這種直流無刷電機(jī)是相當(dāng)輕質(zhì)的材料機(jī)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(jià)格比普通有刷型交流發(fā)動(dòng)機(jī)要貴一些7。4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：4.1太陽能的采集與轉(zhuǎn)換問題。根據(jù)一般

16、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3。4.2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

17、電動(dòng)車友誼賽的幾輛車中，活華 大學(xué)制作的“追日號(hào)”太陽能汽車造價(jià) 200萬元人民幣，美國密蘇里羅拉大學(xué)的 Solar Miners、 美國普林學(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。 以活華大學(xué)的“追日號(hào)”為例，其采用的電池板是我國第五代產(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4。4.3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，投入市場的決心4.4驅(qū)動(dòng)電

18、機(jī)有三種：直流電機(jī)、交流誘導(dǎo)電機(jī)和永磁同步電機(jī)。交流誘導(dǎo)電機(jī)存在效率滑落的 缺點(diǎn),永磁電機(jī)太貴，目前多用直流電機(jī)。但直流電機(jī)效率不高。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)車是最活潔，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。5結(jié)論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，利用太陽能驅(qū)動(dòng)汽車完全可行，太陽能汽車可以應(yīng)用于高爾夫球場，露天游樂場觀光車，大型野外動(dòng)物園觀光車，園林草坪修剪服務(wù)車。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。參考文獻(xiàn)1 郝勇汽車排氣污染現(xiàn)狀及防治對(duì)策J環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2003,29(8):15-16-2 康健淺談可再生能源的合理開發(fā)和利用J太陽能 2008，(7):61-623 陳哲艮降低晶體硅太陽能電池和組件制造成本的探討 J中國新能源，2008，(7):1-44 陶建軍太陽能電池組件的綜合應(yīng)用J能源技術(shù)，2008,29(5):2