发布时间 : 星期日 文章绿色环保汽车太阳能汽车 - 图文更新完毕开始阅读f231361d58f5f61fb63666b3
第２７卷，总第１５３期２００９年１月，第１期《节能技术》ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡｒｌｌＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶ０１．２７，Ｓｕｍ．Ｎｏ．１５３Ｊａｎ．２００９，Ｎｏ．１绿色环保汽车——太阳能汽车史玉茜（同济大学交通运输工程学院，上海２０００９２）摘要：目前国家对能源紧缺情况十分重视，文章介绍了一种新的可再生能源——太阳能。它取之不尽，用之不竭，将它与汽车结合，制成绿色环保汽车。文章阐述了利用太阳能电池板驱动汽车，实现清洁能源；并且实现制动能量回收的利用，即当汽车在刹车时，电动机转化为发电机发电，给蓄电池充电。这种清洁汽车对环境保护作出了贡献。关键词：太阳能；汽车；驱动；转化；环保中图分类号：１１＆５１ｌ文献标识码：Ａ文章编号：１００２—６３３９（２００９）０１—００７８—０５Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ—ｆｒｉｅｎｄｌｙＶｅｌｌｉｄｅ——ＳｏｌａｒＣａｒＳＨＩＹｕ—－ｑｉａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９２）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｃｏｕｎｔｒｉｅｓａｔｔａｃｈｅｄｇｒｅａｔｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｔｏｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｅｎｅｒｇｙｓｈｏｒｔａｇｅ．Ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｐｒｅ－ｓｅｎｔｓａｎｅｗｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ—ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ．Ｉｔｉｓｉｎｅｘｈａｕｓｔｉｂｌｅ．Ｉｔｗｉｌｌｂｅｍａｄｅｏｆａｇｒｅｅｎｖｅｈｉｃｌｅｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃａｌ＂．Ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈａｔｔｈｅｃａｌ＂ｃａｎｂｅｄｗｖｅｄｂｙｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｉｎｏｎ｜ｅｒｔｏａｃｈｉｅｖｅｃｌｅａｎｅｎｅｒｇｙｃａｒｖｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔａｌｓｏｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｒｅｃｙｃｌｉｎｇｏｆｂｒａｋｉｎｇｅｎｅｒｇｙ．Ｗｈｅｎｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｔｏｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｂｒａｋｅｓ，ｍｏｔｏｒｔｕｒｎｓｉｎｔｏａｃｈａｒｇｅ．Ｔｈｅｃｌｅａｎｃａｒｍａｋｅｓａｇｒｅａｔｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｏｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ；ｄｒｉｖｅ；ｃｏｎｖｅｒｓｅ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ１引言随着经济的增长和科技的进步，以及人口的增再生能源中长期发展规划》的出台，各级地方政府不断加大促进循环经济发展的力度，进一步提高资源利用率，保护和改善环境，实施可持续发展。在这种情况下，必须重视再生能源的利用和发展，其中最突出的是太阳能的研究和应用。随着科学技术的发展，太阳能的利用在某些方面已显示出其经济性，因而引起许多国家对太阳能研究的重视。加，人们对能源的需求越来越大。目前，世界上能源消费的增长率远高于人口增长率，石油、天然气、煤炭等常规能源已不能满足人们日益增长的需要。世界各国都感到化石燃料的蕴藏量正在日益减少，甚至有用竭的可能。我国《可再生能源法》于２００６年１月１日起实施，《节约能源法》于２００８年４月１日起施行，随着国家“十一五”能源发展规划的规定，《可收稿日期２００８—１１—２７修订稿日期２００８—１２—０３２太阳能２．Ｉ太阳能的特点太阳能之所以受到人（ｆ－１女Ｈ此的重视，是因为它具有许多优点：太阳能是一种巨大的能源，每天到达作者简介：史玉茜（１９８８～），女，大学本科。?７８?万方数据 地球表面的太阳辐射能大约相当于２．５亿万桶石油；太阳能可以再生；在工业越来越发达而环境污染越来越严重的今天，太阳能却是清洁能源；太阳能可以在当地取得，大大节省了在使用矿物燃料时所需的运输费用。我国幅员辽阔，有着丰富的太阳能资源如图Ｉ，根据全国７００多个气象站长期观测和积累的资料表明，中国各地的太阳能辐射资源总量大致在３．３５×ｉ０３～８．４０×１０３Ｍ．１／ｍ２之间，其平均值约为５．８６×１０３Ｍ．Ｊ／ｍ２，该等值线从大兴安岭西麓、内蒙东北部开始，向南京北京西北侧，朝西偏南至兰州，然后径直朝南至昆明，最后沿横断山脉转向西藏南部。在该等值线以西和以北的广大地区，除天山北面的新疆小部分地区年总量约为４．４６×１０３ＭＪ／ｍ２，其余绝大部分地区的年总量超过５．８６×１０３ＭＪ／ｍ２。图１我国太阳能日照分布图来自太阳的能量在整个白天期间传到地球。不过，能量的大小随着时间的变化，天气情况和地理位置的不同而变化。在北美洲，明亮晴朗的下午太阳能密度将在大约ｌ０００Ｗ／ｍ２，但是在早上和晚上或者天空阴暗的时候，太阳能密度将降至０Ｗ／ｍ２（参阅图２）。为了获取尽可能大部分的可得到的能量，必须了解可得到的太阳能密度变化规律。图２晴天日照量曲线图２．２太阳能利用过程中的问题太阳能是一种低密度、间歇性能源，这就对太阳万 方数据能的收集与应用提出了更高的要求，成本问题也是太阳能推广应用中的重要障碍之一。同时，太阳能应用是一门综合性的科学技术，因为受到各种条件的限制，目前还有许多课题等待解决。总的来说，需要解决三个问题：提高太阳能的收集效率与集光比的问题；降低太阳能应用装置成本与提高使用寿命的问题；解决低成本、高效率的贮能手段问题。就集热效率而言，应从太阳能的光热转换、光电转换、光化学转换三种转换形式分别考虑。光热转换所用的平板集热器，提高收集效率的潜力不大，目前最高热效率已经很高，若能将成本降低一半及使用寿命延长一倍，效果是可观的。光电转换是太阳能利用中非常有发展前途的一种形式。当前的工作是提高转换效率和降低光电转换器的成本。如果能像科学家们预言的那样，向太空发射贴有大量太阳能电池片的人造卫星太阳能电站，把光能转换为电能，然后用微波形式将电能输送到地球上，那么太阳能作为一种巨大而廉价的能源将有美好的前景。在光化学转换方面，植物的光合作用就是一种形式，一直为人类提供生活和生产资料。太阳能的贮存是解决太阳能间歇性的不可缺少的手段。由此可见，太阳能在非常规能源中很有发展前途，包括用于生产和生活方面。但是关于能量转换和贮能的技术以及提高经济性的研究，无论作为空间电源还是地面应用，都有待进一步探讨，并为继续扩大应用范围而努力。３太阳能汽车汽车的发明改变了人们的生活。在为我们带来方便的同时，汽车排出的尾气也成为空气污染的主要来源。汽车尾气中主要含有一氧化碳、氧化氮以及对人体产生不良影响的其他一些固体颗粒，尤其是含铅汽油燃烧后的尾气，对人体的危害更大。这些有害物质会引起头晕、失眠、食欲不振、恶心、贫血等多种疾病。汽车制造厂商进行了大量研究，进行“清洁燃料”汽车的研制，如电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车等。太阳能汽车由于其零污染、能源丰富，代表了汽车发展的新水平，因此被人们称为“未来汽车”。和传统汽车不同，太阳能汽车已经没有发动机、底盘、驱动、变速箱等构件，而是由电池板、储电器和电机组成，但因其造价昂贵、动力受太阳照射时间限制及?７９?承载能力差等特点而无法普及。这些太阳能汽车普遍采用质轻价贵的航空、航天材料，力求达到车体轻、速度快。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；其次是制价太高。由于太阳能电池板大多采用宇航材料，造价昂贵，例如在２００２年８月南京理工大学承办的南京“国际大学生太阳能汽车友谊赛”中，参赛的３辆汽车中，“追日”号造价７．８万美元，“ＳｏｋＭｉｎｅｒｍ”号造价９．５万美元，而“Ｒａ”号造价高达１００万美元。不过，科技的发展日新月异。目前已在海南省三亚市亚龙湾热带森林公园使用太阳能能量补偿电动车。美国能源部国家可再生能源实验室（ＮＲＥＬ）的科学家于近日宣布，已使太阳电池光电转换效率达到４０．８％，这是迄今被证实的最高效率。３．１太阳能汽车的基本原理图３给出了能量怎样在一辆太阳能汽车内流动的一种一般的想法。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。圈３一衲太阳能汽军的能量沉程图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。?８０?万 方数据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。还有一种方法可以收回用来推进汽车的一些能量。当汽车被减速时，不使用正常的机械刹车，电动机被变成一台发电机，能量向后通过电动机控制器流进蓄电池贮存起来。这被称为可再生刹车。虽然返回蓄电池的能量的数量是小的，但是完全有所帮助。３．２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在以后的某一时间将被使用的能量。太阳汽车使用充满电的蓄电池启动，但是在开始之后，只有太阳能电池产生的能量能用来给蓄电池再充电。能使用的蓄电池的最大数量被每种类型电池的重量所限制。一般使用的电池类型是：ｋａｄ—Ａｃｉｄ铅酸Ｎｉｃｋｅｌ—ＭｅｔａｌＨｙｄｒｉｄ（ＮｉＭＨ）镍金属Ｎｉｃｋｅｌ—Ｃａｄｍｉｕｍ（ＮｉＣａｄ）镍镉“ｔ｝ｌｉｕｍＩｏｎ锂离子ＬｉｔｈｉｕｍＰｏｌｙｍｅｒ锂聚合物图４太阳能电池板图５蓄电池ＮｉＣａｄ，ＮｉＭＨ和锂电池提供改进的动力重量比率在更普通的铅酸电池之上，但是它们是需要仔细的维修并且更昂贵的技术。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。通常，使用在８４～１０８Ｖ之间的体制电压，取决于他们的电力系统。一辆太阳能汽车里的一些最复杂的零部件是动力电子。它们包括峰值功率追踪器，电动机控制器和数据获取系统。动力电子的主要功能是在系统内监控并且控制电。峰值功率追踪器决定由太阳能电池阵列所致使动力最大化并且递送它给电池贮存或者给电动机控制器产生推进力的电。当太阳能电池阵列给电池充电时，峰值功率追踪器帮助保护电池以防过载而损坏。追踪器在一辆太阳能汽车里使用的峰值功率的数量随各队的设计而变化。峰值功率追踪器可能非常轻便并且通常效率超过９５％。电动机控制器处理来自驱动加速器的基于信号的被送往电动机的电。不同类型的电动机控制器与不同的电动机相配合工作。购买电动机时，通常也买被用于与那台电动机配合的一个控制。有多种类型的电动机控制器，最好的一个效率超过９０％。３．３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。柔顺而奇特的形状是很能引起注意的太阳能汽车的车身由几个部分所组成，但是每一辆车都是独特的，因为没有成文的标准除了空间的限制条件之外。在设计车身时，主要目标将使空气动力学的阻力减到最小，使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。一个合理的车辆形状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过程中的主要挑战是使可靠和安全最大化，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。通常，有三类底盘在太阳能汽车里使用：ｓｐａｃｅｆｒａｍｅ使用焊接或者联结的管状结构支持负荷和身体。车身是一个轻便的，不承受载荷的组合式壳体，被分别安装在底盘上；ｓｅｍｉ—ｍｏｎｏｃｏｑｕｅｏｒ车身组合片；ｍｏｎｏｃｏｑｕｅｃｈａｓｓｉｓ使用车身部份结构支持负荷。以上三类底盘都能形成高强度低重量的车辆。很多太阳能汽车使用上述种类底盘的结合。图６太阳能汽车车身３．４太阳能电池板阵列太阳能电池阵列在越野的Ｒａｙｃｅ期间是车辆的唯一的能源。阵列由把太阳能转变成电的许多（经常是几百）光电的太阳能电池组成。一般使用多种太阳能电池技术建造他们的阵列。图７太阳能汽车底盘图８太…能电池板阵列的电池类型和空间尺寸被规则限制，取决于车辆的尺寸和种类。电池被导线连接形成线。几根线经常被导线连接形成一个部分或者小组，其电压在名义上接近于电池的电压。有一些用于将电池联系在一起的方法，但是主要目标是在提供的有限空间内获得尽可能多的多的太阳能电池。太阳能电池非常脆弱并且很容易被损坏。通过密封保护电池免受天气影响和?８１ｃａｒｂｏｎｂｅａｍ使用合成梁和舱壁承受载荷并且和一个不承载的组合式ｂｅｌｌｙｐａｎ结合在一起，汽车的顶级部分通常是安装于ｂｅｌｌｙｐａｎ的万方数据 其他破坏而破损。有几种方法被用来密封电池，目标是在增加最小重量的前提下保护电池。太阳能电池阵列产生的能量依据天气，太阳在天空的位置，和太阳能电池阵列本身的不同而不同。在明亮晴朗的中午，一个完善的太阳能汽车电池阵列将生产超过１０００瓦特（１．３ｈｐ）的动力。电池阵列的能量被用来为电动机提供动力或者储存在蓄电池内供以后使用。３．５太阳能汽车的驱动太阳能汽车的驱动和传动系统和传统的汽车有很大不同。太阳能汽车的驱动和传动系统由电动机和将动力传到驱动轮的传动零部件组成。由于产生的动力较小（少于５ｈｐ）通常只有一个汽车后面的车轮被电动机驱动。太阳能汽车使用的电动机的类型没有什么限制。其动力一般在２～５ｈｐ之间。在太阳能汽车中使用的最普遍的是无刷式双弯曲的直流电动机。直流无刷式电动机相当轻便并且在一定的转速下能达到９８％的效率，但是它比典型的刷子类型直流电动机昂贵的多。因为多齿轮的变速器很少在太阳能汽车里使用，双向的电动机有时被作为一种电子变速器使用。在双向旋转之间的选择改变电动机的速度等级。低速的旋转为启动和通过提供高的转矩，而高速的旋转有更高的效率并且最适合巡航行驶（正常运行）。４结束语随着非可再生资源的枯竭，世界范围内亟待解决的问题是新能源的开发和利用。汽车主要消耗的是石油产品，其排放物造成严重的环境污染。因此使用清洁燃料的汽车的开发和研制备受世人瞩目。本文以太阳能作为车辆的主要能源，研究新型动力系统的太阳能电动车。重点研究太阳能汽车能量管理系统的协调匹配，达到最大限度的节能。通过对前面的材料分析，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，太阳能作为可再生的能量及环保且储藏丰富，是一个非常有前途的汽车能源。参考文献［１］钱伯章，等．国内可再生能源新闻［Ｊ］．太阳能，２００８，（９）：５９—６０．［２］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，（７）：１—４．［３］国家发改委能源研究所．世界可再生能源发展趋势解读［Ｊ］．中国新能源，２００８，（７）：２１．（４］陶建军．太阳能电池组件的综合应用（Ｊ］．能源技术，２００８，２９（５）：２６８—２７０．（５］康健．浅谈可再生能源的合理开发和利用［Ｊ］．太阳能．２００８，（７）：６１—６２．［６］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．［７］陈军，陶占良．能源化学［Ｍ］．北京：化学工业出版社．２００４．［８］左然，施明恒，王希麟．可再生能源概论［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００７．［９］郝勇．汽车排气污染现状及防治对策［Ｊ］．环境保护科学，２００３，２９（８）：１５—１６．（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，（１）：２５—２７．（１１］吴琦．小型太阳能电动车的开发（Ｊ］．电池工业，图９牟载太阳能电池板２００４。（２）：８６—８６．涨洛涨溉洛?８２?万方数据