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

隨著國民經(jīng)濟的持續(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)對經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重大帶動作用的同時,也給能源與環(huán)境造成了巨大的壓力,制約了國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此太陽能汽車將對解決面臨的能源危機和環(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環(huán)境所造成的污染。目前雖有電動汽車及混合動力汽車已開發(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)長的一段時間內(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，有害氣體擴散到空氣中造成空氣污染。汽車所造成的空氣污染占整個城市空氣污染的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。雖然電動及混合電動汽車已越來越受到人們的青睞，但以電動作為汽車的主要來源還是依靠電，目前我國發(fā)電方式中煤電約占70%，要想真正意義上擺脫對不可再生能源的依賴，研發(fā)以太陽能為電動力的太陽能汽車已勢在必行。

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3．3×1010到8．6×1010kJ／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?？梢姡柲苁且粋€極其巨大的、不可取代的能源。所以把太陽能運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，因此，在所有新興的能源中，太陽能具有十分高的利用價值。

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%，同時也將解決汽車尾氣對環(huán)境的污染。正常情況下，一臺石油發(fā)動機的能源利用率約為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)計出一款新型太陽能汽車。最高時速超過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54分鐘的時間跑完了3010公里的路程，創(chuàng)造了太陽能汽車最高時速170公里的新世界紀(jì)錄。

⒉ 國內(nèi)太陽能汽車的發(fā)展

國內(nèi)太陽能汽車發(fā)展起步較晚。1984年9月，我國首次研制的“太陽號”太陽能汽車試驗成功，太陽號由湖北省金屬學(xué)會新技術(shù)開發(fā)公司的黃繩溥等六位中青年科技人員，僅用了56天時間研制成功。1996年，清華大學(xué)參照日本能登競賽規(guī)范，研制了“追日”號太陽能汽車。重800公斤左右,最高車速達(dá)80公里每小時，造價為7.8萬美元。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%。2001年全國高校首輛可載人的太陽能電動車——“思源號”在上海交通大學(xué)誕生。無需任何助動燃料，只要在陽光下曬三、四個小時，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車，外觀上跟公園的電瓶車一個樣，可以搭乘6名乘客，但是國產(chǎn)的時速最高卻只有48公里，持續(xù)行駛時間也就1個小時。

到目前為止，太陽能在汽車上的應(yīng)用技術(shù)主要有兩個方面：一是作為驅(qū)動力，二是用作為汽車輔助設(shè)備的能源。作為驅(qū)動力這一應(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)動汽車運行。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，也可以直接到電動機控制器或者兩者的結(jié)合。送到控制器的能量用來為轉(zhuǎn)動車輪并且使汽車移動的電動機提供動力。

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

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)動器系統(tǒng)；4）機械系統(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)的全部動力。蓄電池在一輛傳統(tǒng)汽車?yán)锵喈?dāng)于一個油箱。一輛太陽能汽車使用蓄電池儲存電能，在以后的某一時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，但是在汽車發(fā)動之后，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)線連接的幾個個別的模件組成，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)計車身時要求空氣動力學(xué)的阻力減到最小，對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)百瓦特的動力并且對制造一輛最高效的太陽能汽車很重要。在發(fā)展一個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力，而7—8m2的太陽能電池板也導(dǎo)致車身過大轉(zhuǎn)動不夠靈活，內(nèi)部空間過于狹小。除此之外，電機、電控也是太陽能汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。用于電動汽車的電機有很多類型，目前太陽能車用電機通常有直流電機、交流誘導(dǎo)電動機、永磁同步電動機三種，其中交流誘導(dǎo)電動機存在效率滑落的缺點，永磁電機目前價錢過高，所以目前太陽能車多用直流電機，而直流電機的工作效率也有待提高。

其次是制價太高。為了使車體輕、速度快，太陽能車普遍采用質(zhì)輕價貴的航空、航天材料，造價昂貴，所以開發(fā)新的、經(jīng)濟的替代材料迫在眉睫。參加2002年太陽能電動車友誼賽的幾輛車中，清華大學(xué)制作的“追日號”太陽能汽車造價200萬元人民幣，美國密蘇里·羅拉大學(xué)的Solar MinerⅢ、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。以清華大學(xué)的“追日號”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%，造價很高，為得到lW的電量需要花費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。因為目前的許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。

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)十年的時間。但是，太陽能電動車是最清潔，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)保的時代，太陽能的廣泛應(yīng)用不僅能為人們生活帶來便利，也會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

襄樊學(xué)院大學(xué)生科研項目