太陽能汽車的應用與局限性

太陽能汽車的應用與局限性

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技術已相對成熟。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。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5.6×1012kW·h,相當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的關系將太陽能轉(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,一般只應用于空間技術。70年代以后,人們在世界范圍內(nèi)對太陽能電池的材料、結構和工藝等進行了深入研究,在提高效率和降低成本方面取得了較大進展,其應用規(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,太陽能電池技術不斷走向成熟,并逐漸向商用化、民用化領域滲透。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構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,技術也最為成熟,在光伏產(chǎn)品家族中占主導地位。轉(zhuǎn)換效率是太陽能電池一個非常重要的指標,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,尤其是進入21世紀以后,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。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行充放電管理,以提高其工作性能,延長工作壽命。負載則是光伏系統(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)則最嚴格、距離最長。它始于1987年,每隔3年舉辦一次,賽段從達爾文(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“朝日太陽能車拉力賽”,1991年的“北海道太陽能車賽”,1992年的“鈴鹿太陽能車賽”和“能登太陽能車拉力賽”等,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)范和標準,對參賽車的定義、裝備、電器、安全性等都有嚴格的規(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、科研院所及相關大學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的開發(fā)和應用提供了一個良好的載體。2.2車載太陽能設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行。在我國國家知識產(chǎn)權局與太陽能相關的專利中,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,直接與太陽能汽車相關的專利不多。總體來說,有以下特點:(1)太陽能在汽車上應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。結構上采用前二后一的三輪式布置,后輪驅(qū)動。最高車速達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,上海交通大學設計制造了“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。其結構、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生“挑戰(zhàn)杯”賽上,上海交通大學的又一太陽能車參加了比賽。這些嘗試都預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。不可否認其實際應用存在一定局限性。因此,為其尋找一個理想應用領域就成為其實用化的關鍵所在。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構進一步減輕整車對功率的需求。當然,在光照條件欠佳的情況下,車輛應仍能通過與電動模式,甚至人力模式的結合進行驅(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。輕量化的車身結構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,可進一步緩解太陽能汽車能源。對車身而言,適當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,更能在保證結構強度的基礎上進一步降低車身重量。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、輕巧的結構也具備一定的競爭優(yōu)勢。預計在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