太阳能汽车的研究与应用

周军超 樊伟 周小培 襄樊学院机械与汽车工程学院 441053

太阳能汽车的研究与应用

周军超 樊伟 周小培 襄樊学院机械与汽车工程学院 441053

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。文章从太阳能汽车发展的优越性入手，对太阳能汽车的发展现状、工作原理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。

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%。所以说，从未来世界的汽车发展来看，作者认为，太阳能汽车将成为未来汽车行业的发展潮流。虽然电动及混合电动汽车已越来越受到人们的青睐，但以电动作为汽车的主要来源还是依靠电，目前我国发电方式中煤电约占70%，要想真正意义上摆脱对不可再生能源的依赖，研发以太阳能为电动力的太阳能汽车已势在必行。

一、太阳能汽车的优越性

⒈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。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。

⒉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。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%。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。

二、太阳能汽车的发展现状

⒈ 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。

⒉ 国内太阳能汽车的发展

国内太阳能汽车发展起步较晚。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，太阳能转化率只能达到14%。2001年全国高校首辆可载人的太阳能电动车——“思源号”在上海交通大学诞生。无需任何助动燃料，只要在阳光下晒三、四个小时，便能轻松跑上10多公里。中山大学太阳能系统研究所的一辆太阳能电动车，外观上跟公园的电瓶车一个样，可以搭乘6名乘客，但是国产的时速最高却只有48公里，持续行驶时间也就1个小时。

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。

三、太阳能汽车的工作原理

⒈太阳能汽车基本工作原理

阳光照射太阳能电池阵列的电池，就生产电流。能量(电流)能传输到蓄电池贮存，也可以直接到电动机控制器或者两者的结合。送到控制器的能量用来为转动车轮并且使汽车移动的电动机提供动力。

通常如果汽车在运动中，被转变的太阳光被直接传送到电动机控制器，但是有时有更多的来自阵列的能量以至于超过了电动机控制器的需要。当这种情况发生时，那些额外的能量会在蓄电池内储存起来供以后使用。当太阳能电池阵列不能产生足够的能量驱动电动机满足速度要求的时候，蓄电池所储存的能量将用来补充电池阵列。当然，当汽车不在运动中时，来自太阳能电池阵列的全部能量被储存在电池里。

太阳能电池依据所用半导体材料不同，通常分为硅电池、硫化镉电池、砷化镓电池等，其中最常用的是硅太阳能电池。硅太阳能电池有圆形的、半圆形的和长方形的等几种。在电池上有像纸一样薄的小硅片，在硅片的一面均匀地掺进一些硼，另一面掺入一些磷，并在硅片的两面装上电极，它就能将光能变成电能。

⒉太阳能汽车基本系统构造

我们分析组件部分由六个基本系统构成：1）驾驶控制系统；2）电气系统；3）驱动器系统；4）机械系统；5）太阳能阵列系统；6）汽车躯体和底盘。在这里我们只提到一般太阳能汽车跟普通汽车的不同之处。

一） 太阳能汽车的电路系统：

一辆太阳能汽车的核心是由电池和动力电子组成的电力系统。电力系统控制和管理进入和退出系统的全部动力。蓄电池在一辆传统汽车里相当于一个油箱。一辆太阳能汽车使用蓄电池储存电能，在以后的某一时间将被作为能量来使用。太阳能汽车使用充满电的蓄电池启动，但是在汽车发动之后，只有太阳能电池产生的能量能用来给蓄电池再充电。太阳能汽车使用的蓄电池的最大数量被每种类型电池的重量所限制，一般使用的电池类电池组由导线连接的几个个别的模件组成，产生要求的系统电压。

二）太阳能汽车的车身和底盘：

太阳能汽车的最特别的部分是车身。设计车身时要求空气动力学的阻力减到最小，对太阳能吸收的面积最大化，质量最小化和安全最大化。在什么样的车身形状和尺寸最有效率方面有很多理论，但需要经过大量模拟和测试来发现最佳形状。一种形状合理的车辆能节省数百瓦特的动力并且对制造一辆最高效的太阳能汽车很重要。在发展一个高效的太阳能汽车底盘的过程中，其主要挑战是使车的可靠性和安全系数最大化，但是使重量减到最小。所有额外的重量需要更多的能量使汽车在道路上行驶。这就意味着必须把重量减到最小，并且一个关键部位是底盘。尽管如此，安全是主要关心的事，底盘必须满足严格的力量和安全要求。

四、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。首先是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。

其次是制价太高。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 MinerⅢ、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。

第三，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。

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。

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，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。

［1］史玉茜.绿色环保汽车-太阳能汽车[J].节能技术.2009（1）

［2］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）

太阳能汽车；未来能源；环保

襄樊学院大学生科研项目