太阳能汽车-新能源汽车概论

2023-08-20 理论教育版权反馈

【摘要】：目前来看，第一种太阳能汽车一般为分比赛用太阳能汽车和实用型太阳能汽车，而占设置研发绝大比例的是比赛用太阳能汽车。图7-3-1太阳能汽车1.太阳能汽车工作原理太阳能电池板用于收集太阳光和其他形式的光，并在内部建立起电场以产生电流。目前，此类太阳能汽车的时速最高能达到100 km。太阳能汽车由于零污染、能源用之不竭，代表了汽车发展的新水平，因此被人们称为“未来汽车”。

太阳能汽车，顾名思义就是靠太阳能驱动的汽车（如图7-3-1 所示），这是与传统热机驱动的汽车最大的不同点。其实太阳能汽车从某种意义上来讲，也是电动汽车，不同点在于电动车的动力电池是靠工业电网充电的，太阳能汽车用的则是太阳能电池，而太阳能电池的作用就是将太阳能转化为电能。

这个定义其实包含两种太阳能汽车的类型。一种是以装在车身表面的太阳能电池所得的电能为驱动能源的车辆；另一种是通过装在车身外部的太阳能电池得到的电源给车载动力电池充电，再利用动力电池上的电源作为驱动新能源的汽车。

目前来看，第一种太阳能汽车一般为分比赛用太阳能汽车和实用型太阳能汽车，而占设置研发绝大比例的是比赛用太阳能汽车。由于经济和技术的限制，单纯采用太阳能电池的实用型太阳能汽车还是很少见，人类要走的路还很长。

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图7-3-1　太阳能汽车

1.太阳能汽车工作原理

太阳能电池板用于收集太阳光和其他形式的光，并在内部建立起电场以产生电流。太阳能电池板根据行驶条件，将电流传送到蓄电池，并储存起来，也可以直接输送到电机控制器，或是根据行驶工况，与蓄电池联合为电机提供电流。太阳能汽车在晴天行驶时，初始运行阶段，阳光转化的电能直接传送到电机控制系统。

随着行驶时间的增加，来自太阳能电池板的能量将超过电机控制系统的承受范围。这种情况下，电能一部分提供给电机，另一部分被蓄电池储存起来。阴天或是雨天，太阳能电池板不能为电机提供足够电能时，蓄电池储存的电能将被利用起来使太阳能汽车仍能正常行驶。太阳能汽车停驶时，太阳能电池板产生的能量会被蓄电池储存起来。在加速行驶或减速停车时，通过对直流电机的电流控制，使其以发电机模式工作，并用蓄电池存储电能。太阳能汽车通常装有太阳能峰值功率跟踪装置，用于控制所用的能量，使能量分配更加合理。

2.太阳能汽车优势

太阳能汽车作为一种真正绿色能源汽车，相对于传统汽车而言有着其特有的使用优势。太阳能汽车以光电代油，可以节约有限的石油资源。白天，太阳能电池把光能转换为电能自动储存在动力电池中，在晚间还可以利用低谷电（220 V）充电。

① 太阳能汽车耗能少，只需采用34 m2 的太阳能电池组件便可行驶。

② 易于驾驶。太阳能汽车无须电子点火，只需踩下加速踏板便可起动，利用控制器使车速变化。

③ 太阳能汽车结构简单，除了定期更换蓄电池以外，基本不需要日常保养，省去了传统燃油汽车必须经常更换机油和冷却液的烦恼。

④ 太阳能电动车没有内燃机、离合器、变速箱、传动轴、散热器、排气管等零部件，结构简单，制造难度降低。

3.作为汽车的驱动能源

太阳能汽车与传统汽车不论在外观上还是运行原理上都有很大的不同。它没有内燃机、底盘、驱动、变速器等构件，而是由电池板、储电器和电动机组成，利用贴在车体外表的光伏电池板，将太阳能直接转换成电能，再通过电能的消耗，驱动汽车行驶。目前，此类太阳能汽车的时速最高能达到100 km。

由于太阳能辐射强度较弱、光伏电池板造价昂贵，加之蓄电池容量和天气变化等，如果完全靠太阳能驱动，汽车的实用性会受到限制，由此就出现了一种采用太阳能和其他能源复合的混合动力汽车。

4.作为汽车的辅助能源

传统轿车功率一般在几十kW 左右，而太阳辐射功率至多1 kW/m2。因此完全用太阳能驱动轿车，需要几十平方米的接收面积，显然难以实现。但用太阳能作为辅助动力，可减少汽车常规燃料的消耗，可用作汽车蓄电池的辅助充电能源以及用于驱动风扇和空调等系统。

太阳能汽车上装有密密麻麻的蜂窝状的装置——太阳能电池板。主要有两种类型的光电池板：硅电池和砷化合物电池。最常用的是硅太阳能电池。一般太阳能汽车通常使用陆地级硅电池板。许多独立的硅片（近1 000 个）组合形成太阳能阵列。这些阵列的通常工作电压在50～200 V，并能提供1 000 W 的电力。其能量大小受光强、云层覆盖度和温度高低的影响而变化。

5.太阳能汽车的“心脏”

太阳能汽车的“心脏”就是电力存储系统，它由蓄电池组和电能组组成。蓄电池组相当于普通汽车的油箱。一辆太阳能汽车使用蓄电池组来储存电，以便在必要时使用，太阳能汽车起动装置控制着蓄电池组，但是当太阳能汽车起动后，则是通过太阳能阵列提供能量，再充到蓄电池组内。由于技术原因，蓄电池的存储能量是有限的。太阳能汽车的蓄电池有不同类型：铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、锂电池、锂聚合物电池等，它们的存储能量是不同的。太阳能汽车行驶时，被转换的太阳能被直接送到“发动机（即直流无刷电动机）”控制系统，大于“发动机”需求的电力会被蓄电池储存以备后用。当太阳能阵列不能提供足够的能量来驱动“发动机”时，这时蓄电池内储存的备用能量会自动补充。可见，太阳能电池的关键在于太阳能转换效率。

6.太阳能汽车的轻量化

受制于光能效转换的问题，太阳能汽车必须实现轻量化和低风阻，同时为高效利用太阳能，在造型上有时需具备可伸缩、折叠翼（即活动太阳能电池板），因此复合材料在太阳能汽车中得到了广泛的应用。复合材料由如“三明治”夹层状的结构材料构成，是相当于钢强度的轻质材料，如碳纤维和玻璃纤维等，其间的蜂窝状和泡沫塑料是常用的合成填充材料。

7.太阳能汽车的发展动态

太阳能汽车和传统汽车不同。太阳能汽车没有发动机、底盘、驱动、变速器等构件，而是由电池板、储电器和电动机组成的，车的行驶只要控制流入电机的电流就可以解决。全车主要有三个技术环节：一是将太阳光转化为电能，二是将电能储存起来，三是将电能最大限度地发挥到动力上。太阳能汽车由于零污染、能源用之不竭，代表了汽车发展的新水平，因此被人们称为“未来汽车”。但太阳能汽车因造价昂贵、动力受太阳照射时间的限制以及承载能力差等特点而无法普及。而且从全生命周期总能耗看，光伏产品是一种在生产过程中耗能而在使用过程中产能的能源产品（其产能远大于耗能）；多晶硅生产环节存在着污染问题。

太阳能汽车-新能源汽车概论

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