太阳能汽车的发展现状及面临问题

太阳能汽车的发展现状及面临问题摘要随着国民经济的持续增长 ,汽车产业已成为中国的支柱产业，但汽车产业对经济发展产生重大带动作用的同时 ,也给能源与环境造成了巨大的压力 ,制约了国民经济的可持续发展。 因此太阳能汽车将对解决面临的能源危机和环境污染具有重大意义。文章从太阳能汽车优越性入手，对太阳能汽车的发展现状、构造及其面临的问题进行阐述，为未来的研究提供了一定的参考依据。关键字太阳能汽车 环保 未来能源 电力系统 太阳能电池0 引言随着世界现在汽车工业的发展格局 ,汽车工业面临的最大挑战就是能源的消耗及尾气排放对环境所造成的污染。目前虽有电动汽车及混合动力汽车已开发出来并陆续上市，但大部分汽车都在使用汽油、柴油作为燃料，在相当长的一段时间内石油仍将是目前汽车的首选燃料。汽车尾气废气中含有 150～ 200 种不同的化合物，其中对人危害最大的有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅的化合物及碳的颗粒物，有害气体扩散到空气中造成空气污染。汽车所造成的空气污染占整个城市空气污染的 60，甚至到 90[1]。所以说，从未来世界的汽车发展来看，太阳能汽车将成为未来汽车行业的发展潮流。1 太阳能汽车的优越性1.太阳不断向宇宙空间辐射出巨大的能量 ，其内部的热核反应足以维持 6 1010 年。从资源角度看， 我国拥有丰富的太阳能资源， 我国陆地面积接收的太阳能的总量在 3． 3 1010 到 8． 6 1010kJ／ m2 a 之间，其总量相当于 24000 亿吨煤，全国总面积 2／ 3 地区日照时间都超过 2000h／ a。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 万吨煤。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 1012kW h，相当于目前全世界能耗的 40 倍 [2]。可见，太阳能是一个极其巨大的、不可取代的能源。所以把太阳能运用到汽车上具有十分广阔的前景。太阳能具有清洁无污染，取之不竭、用之不尽等特点，因此，在所有新兴的能源中，太阳能具有十分高的利用价值。2.太阳能汽车，无污染，无噪音 。因为不用燃油，太阳能电动车不会排放污染大气的有害气体；没有内燃机，太阳能电动车在行驶时听不到燃油汽车内燃机的轰鸣声。如果由太阳能汽车取代燃气车辆，每辆汽车的二氧化碳排放量可减少 43％～ 54％，同时也将解决汽车尾气对环境的污染 [1] 。正常情况下，一台石油发动机的能源利用率约为 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％ [2]。因此，太阳能汽车已引起人们的极大兴趣，并将在今后得到迅速发展。3.太阳能汽车耗能少 ， 只需采用 3-4 平方米的太阳电池组件便可使太阳能电动车行驶起来。 燃油汽车在能量转换过程中要遵守卡诺循环的规律来作功，热效率比较低，只有 1/3 左右的能量消耗在推动车辆前进上，其余 2/3 左右的能量损失在发动机和驱动链上；而太阳能汽车的热量转换不受卡诺循环规律的限制， 90的能量用于推动车辆前进 [3,4]。4.易于驾驶 。无需电子点火，只需踩踏加速踏板便可启动，利用控制器使车速变化。不需换挡、踩离合器，简化了驾驶的复杂性，避免了因操作失误而造成的事故隐患，特别适合妇女和老年人驾驶 [5]。5.太阳能汽车结构简单 ，除了定期更换蓄电池以外，基本上不需日常保养，省去了传统汽车必须经常更换机油，添加冷却水等定期保养的烦恼。6.在都市行车，为了等候交通信号灯，必须不断的停车和启动，既造成了大量的能源浪费，又加重了空气污染，使用太阳能汽车，减速停车时，可以不让电动机空转，大大提高了能源使用效率和减少了空气污染。2 太阳能汽车的发展现状2.1 国外太阳能汽车的发展世界上第一辆太阳能汽车早在 1978年便在英国研制成功，时速达到 13 公里。 1982 年墨西哥研制出三轮太阳能车，速度达到每小时 40 公里，由于这辆汽车每天所获得电能只能行驶 40 分钟，所以它还不能跑远路。 1999 年 5 月巴西圣保罗大学的科研人员设计出一款新型太阳能汽车。最高时速超过 100km。 2003 年澳大利亚太阳能汽车比赛上，由荷兰制造的“ nuna”太阳能汽车取得了冠军，它以 30 小时 54 分钟的时间跑完了 3010公里的路程， 创造了太阳能汽车最高时速 170 公里的新世界纪录 [6,7,8]。2.2 国内太阳能汽车的发展国内太阳能汽车发展起步较晚。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 ,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。1984 年 9 月，我国首次研制的“太阳号”太阳能汽车试验成功，太阳号由湖北省金属学会新技术开发公司的黄绳溥等六位中青年科技人员，仅用了 56 天时间研制成功。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。重 800 公斤左右 ,最高车速达 80 公里每小时，造价为 7.8 万美元。其采用的电池板是我国第五代产品。该车使用转换效率为 14的矩形单晶硅电池阵列 ,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 [9]。 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。这些尝试都预示着太阳能汽车正逐渐走向成熟到目前为止，太阳能在汽车上的应用技术主要有两个方面一是作为驱动力，二是用作为汽车辅助设备的能源。作为驱动力这一应用方式，一般采用特殊装置吸收太阳能，再转化为电能驱动汽车运行。而作为汽车辅助能源，主要用在电气设备上的辅助应用，大部分还是靠燃料的供给。3 太阳能汽车的构造3.1 太阳电池方阵太阳电池方阵是太阳能汽车的能源。方阵是由许多 PV 光电池板（通常有好几百个）组成。方阵类型受到太阳能汽车尺寸和部件费用等的制约。目前，主要有两种类型的光电池板硅电池和砷化合物电池。环绕地球卫星使用的太阳电池使用的是典型的砷化合物电池，而硅电池则更为普遍的为地面基础设备所使用。 一般等级的太阳能汽车通常使用硅电池板。 许多独立的硅片 （接近 1000 个）被组合，形成太阳电池方阵。依靠光伏电源供电动发动机驱动太阳能汽车。这些方阵的通常工作电压在 50V200V 之间，并能提供 1O00W 的电力。方阵输出功率的大小受到太阳、云层的覆盖度和温度的影响。超级太阳能汽车也能使用通常类型的太阳能光电板。但更多的是使用太空级光电板。这种板很小，但是比普通的硅片电池板要昂贵得多，然而它们的使用效率非常高 [10,11]。一般情况下，车子在运动时，被转换的太阳能光被直接送到发动机控制系统。但有时提供的能量要大于发动机需求的电力，那么多余的能量就会被蓄电池储存以备后用。当太阳电池方阵不能提供足够的能量来驱动发动机时，蓄电池内的被储存的备用能量将会自动补充。当然，当太阳能汽车不运动时，所有能量都将通过太阳能光伏阵列储存在蓄电池内。也可以利用一些回流的能量来推动汽车。当太阳能汽车开始减速时，换用通用的机械制动，这时发动机将变成了一个发电机，能量通过发动机控制器反向进入蓄电池内进行储存。 回充到蓄电池中的能量是非常少的， 但是却非常实用。3.2 电力系统太阳能汽车的心脏部位就是电力系统，它由蓄电池和电能组成，电力系统控制器管理全部电力的供应和收集工作。蓄电池组就相当于普通汽车的油箱。一个太阳能汽车使用蓄电池组来储存电能以便在必要时使用，太阳能汽车启动装置控制着蓄电池组，但是当太阳能汽车开动后，是通过太阳能阵列提供能量，从而再充到蓄电池组内。由于重要的原因，大量的蓄电池作为能量被使用是有限的。目前在太阳能汽车上所用的蓄电池主要有如下几种 1.铅酸蓄电池， 2.镍镉蓄电池， 3.锂电池，4.锂聚合物电池。镍镉、镍氢和锂电池比普通的铅酸蓄电池远远提高了蓄电能力，重量比普通电池要轻的多。但是他们很少在太阳能汽车中被广泛使用，主要是维护起来很小心，并且很昂贵。另外一种蓄电池能够提供强劲能量的就是锂电池，在今后蓄电池的储存能力将会更高。电池组是由几个独立的模块连接起来，并形成系统所须的电压。比较有代表性的系统电压一般是在 84-108V。蓄电池组由几个独立的模块连接起来，并形成系统所须的电压。我们可以使用的系统电压在 84V-108V[5]。3.3 电力控制系统在太阳能汽车里最高级的组件部分就是电力系统。它们包括峰值电力监控仪、发动机控制器和数据采集系统。电力系统最基本的功能就是控制和管理整个系统中的电力。峰值电力监控仪条件电力来源于太阳能光伏阵列，光伏阵列把能量传递给另外的蓄电池用于储存或直接传递给发动机控制器用于推动发动机。当太阳能光伏阵列正在给蓄电池充电的时候，电池组电力监控仪会保护蓄电池组因过充而被损坏。电池组电力监控仪的号码数值随我们的设计而被使用在太阳能汽车里。峰值电力监控仪是由轻质材料构成，并且一般效率能达到 95以上。发动机控制器控制发动机的启动，而发动机启动信号是来自驾驶员的加速装置。对发动机控制器电力管理是通过程序来完成的。发动机的启动需要配备不同型号的发动机控制器，使用的工作效率一般超过 90。很多太阳能汽车使用精确数据检测系统来管理整个太阳能汽车的电力系统，其中包括，太阳能光伏阵列、蓄电池组、发动机控制器和发动机。在有些时候，我们需要掌控电池的电压和电流。从监控系统获得的数据常常用来判断太阳能汽车的状况，并用来解决太阳能汽车出现的问题 [6]。3.4 电动机在太阳能汽车里使用什么类型的发动机没有限制。大多数太阳能汽车使用的发动机是双线圈直流无刷电机，这种直流无刷电机是相当轻质的材料机器，在额定的 RPM（每秒转速）达到 98的使用效率。但是它们的价格比普通有刷型交流发动机要贵一些 [7]。4 发展太阳能汽车面临的问题太阳能汽车真正走进大众生活，还有很多难题需要解决4.1 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 7 8m2 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。除此之外，电机、电控也是太阳能汽车发展的关键技术。用于电动汽车的电机有很多类型，目前太阳能车用电机通常有直流电机、交流诱导电动机、永磁同步电动机三种，其中交流诱导电动机存在效率滑落的缺点，永磁电机目前价钱过高，所以目前太阳能车多用直流电机，而直流电机的工作效率也有待提高 [3]。4.2 制价太高 。为了使车体轻、速度快，太阳能车普遍采用质轻价贵的航空、航天材料，造价昂贵，所以开发新的、经济的替代材料迫在眉睫。参加 2002 年太阳能电动车友谊赛的几辆车中，清华大学制作的“追日号”太阳能汽车造价 200 万元人民币，美国密苏里罗拉大学的 Solar Miner Ⅲ、美国普林学院的“ Ra IV”都是在 40 万美元以上，这主要是所采用的电池板及所用材料昂贵造成的。以清华大学的“追日号”为例，其采用的电池板是我国第五代产品，太阳能转化率只能达到 14％，造价很高，为得到 lW 的电量需要花费 100 元人民币 [4]。4.3 汽车公司及石油公司缺少生产推广太阳能汽车的内在需求 。 因为目前的许多汽车公司都处于高利润期，不愿意投资开发新一代太阳能汽车。某些公司研发太阳能车也多是出于宣传导向和企业形象的考虑，而没有大力发展，投入市场的决心。4.4 驱动电机有三种 直流电机、交流诱导电机和永磁同步电机。交流诱导电机存在效率滑落的缺点 ,永磁电机太贵 ,目前多用直流电机。但直流电机效率不高。据专家说，要突破科技瓶颈，使太阳能汽车正式走入人们的生活，还需要数十年的时间。但是，太阳能电动车是最清洁，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。5 结论太阳能汽车作为新的事物正在不断的贴近人们的生活 ,虽然它的发展仍存在着很多技术上的挑战，但不可否认的是在不可再生能源日益匮乏的今天，太阳能汽车是未来新能源应用的佼佼者。相信在不久的将来，太阳能定会在汽车上逐渐应用普及，利用太阳能驱动汽车完全可行 ,太阳能汽车可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。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。参考文献［ 1］郝勇汽车排气污染现状及防治对策〔 J〕 环境保护科学 ,2003,29815-16 ［ 2］康健浅谈可再生能源的合理开发和利用〔 J〕 太阳能 2008,761-62 ［ 3］陈哲艮降低晶体硅太阳能电池和组件制造成本的探讨〔 J〕 中国新能源 ,2008,71-4 ［ 4］陶建军太阳能电池组件的综合应用〔 J〕 能源技术 ,2008,295268-270 ［ 5］吴琦小型太阳能电动车的开发〔 J〕 电池工业 ,2004,286-86 ［ 6］史玉茜绿色环保汽车 -太阳能汽车 [J].节能技术 .2009（ 1）［ 7］张琪 ,黄东 ,郑宏飞太阳能在汽车上应用的前景与挑战 [J].太阳能 .2006（ 4）［ 8］陈学俊 ,袁旦庆能源工程 修订本 〔 M〕 西安 西安交通大学出版社 ,2007［ 9］王好战等 .“思源”号太阳能电动车的研制 .上海汽车 ,2002. 12 ［ 10］冬青 ,阳君电动汽车和太阳能汽车的发展前景〔 J〕 交通世界 ,1994,125-27 ［ 11］王永华 .太阳能车开发的现状及未来动向 .山东交通科技 , 1999. 01 ［ 12］陈礼等 .汽车节能技术 .北京 人民交通出版社 ,2005.05