1、太陽能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨問題摘要：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。文章從太陽能汽車優(yōu)越性入手，對太陽能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀、構(gòu)造及其面臨的問題進行闡述，為未來的研究提供了一定的參考依據(jù)。關(guān)鍵字：太陽能汽車環(huán)保未來能源電力系統(tǒng)太陽能電池0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

2、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150200種不同的化合物，其中對人危害最大的有一氧化碳、碳氫化合物、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%1。所以說，從未來世界的汽車發(fā)展來看，太陽能汽車將成為未來汽車行業(yè)的發(fā)展潮流。1太陽能汽車的優(yōu)越性1 .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6X1010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3.3X1010到8.6X1010kJ/m2a之間，其總量相當(dāng)于24

3、000億噸煤，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3.75X1026w,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5.6X1012kW-h,相當(dāng)于目前全世界能耗的40彳t20可見，太陽能是一個極其巨大的、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。2 .太陽能汽車，無污染，無噪音。因為不用燃油，太陽能電動車不會排放污染大氣的有害氣體；沒有內(nèi)燃機，太陽能電動車在行駛時聽不到燃

4、油汽車內(nèi)燃機的轟鳴聲。如果由太陽能汽車取代燃氣車輛，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1。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到95%2。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。3 .太陽能汽車耗能少，只需采用3-4平方米的太陽電池組件便可使太陽能電動車行駛起來。燃油汽車在能量轉(zhuǎn)換過程中要遵守卡諾循環(huán)的規(guī)律來作功，熱效率比較低，只有1/3左右的能量消耗在推動車輛前進上，其余2/3左右的能量損失在發(fā)動機和驅(qū)動鏈上；而太陽能汽車的熱量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)規(guī)律的限

5、制，90%的能量用于推動車輛前進3,4。4 .易于駕駛。無需電子點火，只需踩踏加速踏板便可啟動，利用控制器使車速變化。不需換擋、踩離合器，簡化了駕駛的復(fù)雜性，避免了因操作失誤而造成的事故隱患，特別適合婦女和老年人駕駛。5 .太陽能汽車結(jié)構(gòu)簡單，除了定期更換蓄電池以外，基本上不需日常保養(yǎng)，省去了傳統(tǒng)汽車必須經(jīng)常更換機油，添加冷卻水等定期保養(yǎng)的煩惱。6 .在都市行車，為了等候交通信號燈，必須不斷的停車和啟動，既造成了大量的能源浪費，又加重了空氣污染，使用太陽能汽車，減速停車時，可以不讓電動機空轉(zhuǎn)，大大提高了能源使用效率和減少了空氣污染。2太陽能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀2.1 國外太陽能汽車的發(fā)展世界上第一輛

6、太陽能汽車早在1978年便在英國研制成功，時速達到13公里。1982年墨西哥研制出三輪太陽能車，速度達到每小時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公里的新世界紀錄6,7,8。2.2 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。我國的太陽能汽車事業(yè)起步較晚，多數(shù)太陽能汽車的研制工作主要由各院校和科研院所進行

7、。在我國國家知識產(chǎn)權(quán)局與太陽能相關(guān)的專利中，有很大一部分是與太陽能并網(wǎng)發(fā)電和太陽能熱水器相關(guān),直接與太陽能汽車相關(guān)的專利不多。總體來說，有以下特點：(1)太陽能在汽車上應(yīng)用一般只涉及汽車的輔助電源系統(tǒng)。太陽能電池所提供的能量只能用于車輛的電器、儀表等，或是對車載蓄電池進行充電。現(xiàn)今有部分量產(chǎn)車在其天窗頂部添加了太陽能電池，經(jīng)控制器、逆變器驅(qū)動車載空調(diào)工作。所有以太陽能作為驅(qū)動能源的專利產(chǎn)品中，太陽能所占的能源比例份額太少。國內(nèi)有把太陽能用于電動自行車，也有用于微型車的例子，但太陽能所能提供的能量只占到所需驅(qū)動能量的30%以下。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

8、湖北省金屬學(xué)會新技術(shù)開發(fā)公司的黃純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80公里每小時，造價為7.8萬美元。具采用的電池板是我國第五代產(chǎn)品。該車使用轉(zhuǎn)換效率為14%的矩形單晶硅電池陣列，在光照條件良好的狀況下(地面日照強度為1000W/m2),向直流永磁無刷電機提供800W的動力。結(jié)構(gòu)上采用前二后一的三輪式布置，后輪驅(qū)動。最高車速達80km/h。“追日”號是我國第一代參加國際大賽的太陽能賽車。2001年，上海交通大學(xué)設(shè)計制造了“思源”號太陽能電動車。該車長、寬、高分別為2100mm、8

9、60mm、800mm，滿載質(zhì)量400kg。具結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)與“追日”號相仿。但由于使用的是用聯(lián)電阻的調(diào)速方式，其能量利用率低，車速僅2036km/h,續(xù)航能力也有限9。在2005年舉辦的第九屆全國大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”賽上，上海交通大學(xué)的又一太陽能車參加了比賽。這些嘗試都預(yù)示著太陽能汽車正逐漸走向成熟到目前為止，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。3太陽能汽車的構(gòu)造太陽電池方陣太陽電池方陣是太陽能汽車

10、的能源。方陣是由許多PV光電池板（通常有好幾百個）組成。方陣類型受到太陽能汽車尺寸和部件費用等的制約。目前，主要有兩種類型的光電池板：硅電池和神化合物電池。環(huán)繞地球衛(wèi)星使用的太陽電池使用的是典型的神化合物電池，而硅電池則更為普遍的為地面基礎(chǔ)設(shè)備所使用。一般等級的太陽能汽車通常使用硅電池板。許多獨立的硅片（接近1000個）被組合，形成太陽電池方陣。依靠光伏電源供電動發(fā)動機驅(qū)動太陽能汽車。這些方陣的通常工作電壓在50V200V之間，并能提供1O00W的電力。方陣輸出功率的大小受到太陽、云層的覆蓋度和溫度的影響。超級太陽能汽車也能使用通常類型的太陽能光電板。但更多的是使用太空級光電板。這種板很小，但

11、是比普通的硅片電池板要昂貴得多，然而它們的使用效率非常高1011。一般情況下，車子在運動時，被轉(zhuǎn)換的太陽能光被直接送到發(fā)動機控制系統(tǒng)。但有時提供的能量要大于發(fā)動機需求的電力，那么多余的能量就會被蓄電池儲存以備后用。當(dāng)太陽電池方陣不能提供足夠的能量來驅(qū)動發(fā)動機時，蓄電池內(nèi)的被儲存的備用能量將會自動補充。當(dāng)然，當(dāng)太陽能汽車不運動時，所有能量都將通過太陽能光伏陣列儲存在蓄電池內(nèi)。也可以利用一些回流的能量來推動汽車。當(dāng)太陽能汽車開始減速時，換用通用的機械制動，這時發(fā)動機將變成了一個發(fā)電機，能量通過發(fā)動機控制器反向進入蓄電池內(nèi)進行儲存。回充到蓄電池中的能量是非常少的，但是卻非常實用。電力系統(tǒng)太陽能汽車的

12、心臟部位就是電力系統(tǒng)，它由蓄電池和電能組成，電力系統(tǒng)控制器管理全部電力的供應(yīng)和收集工作。蓄電池組就相當(dāng)于普通汽車的油箱。一個太陽能汽車使用蓄電池組來儲存電能以便在必要時使用，太陽能汽車啟動裝置控制著蓄電池組，但是當(dāng)太陽能汽車開動后，是通過太陽能陣列提供能量，從而再充到蓄電池組內(nèi)。由于重要的原因，大量的蓄電池作為能量被使用是有限的。目前在太陽能汽車上所用的蓄電池主要有如下幾種：1.鉛酸蓄電池，2.鍥鎘蓄電池，3.鋰電池,4.鋰聚合物電池。鍥鎘、鍥氫和鋰電池比普通的鉛酸蓄電池遠遠提高了蓄電能力，重量比普通電池要輕的多。但是他們很少在太陽能汽車中被廣泛使用，主要是維護起來很小心，并且很昂貴。另外一種

13、蓄電池能夠提供強勁能量的就是鋰電池，在今后蓄電池的儲存能力將會更高。電池組是由幾個獨立的模塊連接起來，并形成系統(tǒng)所須的電壓。比較有代表性的系統(tǒng)電壓一般是在84-108V。蓄電池組由幾個獨立的模塊連接起來，并形成系統(tǒng)所須的電壓。我們可以使用的系統(tǒng)電壓在84V-108V5。電力控制系統(tǒng)在太陽能汽車里最高級的組件部分就是電力系統(tǒng)。它們包括峰值電力監(jiān)控儀、發(fā)動機控制器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。電力系統(tǒng)最基本的功能就是控制和管理整個系統(tǒng)中的電力。峰值電力監(jiān)控儀條件電力來源于太陽能光伏陣列，光伏陣列把能量傳遞給另外的蓄電池用于儲存或直接傳遞給發(fā)動機控制器用于推動發(fā)動機。當(dāng)太陽能光伏陣列正在給蓄電池充電的時候，電池組

14、電力監(jiān)控儀會保護蓄電池組因過充而被損壞。電池組電力監(jiān)控儀的號碼數(shù)值隨我們的設(shè)計而被使用在太陽能汽車里。峰值電力監(jiān)控儀是由輕質(zhì)材料構(gòu)成，并且一般效率能達到95%以上。發(fā)動機控制器控制發(fā)動機的啟動，而發(fā)動機啟動信號是來自駕駛員的加速裝置。對發(fā)動機控制器電力管理是通過程序來完成的。發(fā)動機的啟動需要配備不同型號的發(fā)動機控制器，使用的工作效率一般超過90%。很多太陽能汽車使用精確數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)來管理整個太陽能汽車的電力系統(tǒng)，其中包括，太陽能光伏陣列、蓄電池組、發(fā)動機控制器和發(fā)動機。在有些時候，我們需要掌控電池的電壓和電流。從監(jiān)控系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)常常用來判斷太陽能汽車的狀況，并用來解決太陽能汽車出現(xiàn)的問題60

15、電動機在太陽能汽車里使用什么類型的發(fā)動機沒有限制。大多數(shù)太陽能汽車使用的發(fā)動機是雙線圈直流無刷電機，這種直流無刷電機是相當(dāng)輕質(zhì)的材料機器，在額定的RPM（每秒轉(zhuǎn)速）達到98%的使用效率。但是它們的價格比普通有刷型交流發(fā)動機要貴一些7。4發(fā)展太陽能汽車面臨的問題太陽能汽車真正走進大眾生活，還有很多難題需要解決：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)換率只能達到20%左右，難以滿足汽車高速行駛所需要的足夠動力，而78m2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

16、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3o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SolarMiner田、美國普林學(xué)院的“RaIV”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

17、能轉(zhuǎn)化率只能達到14%,造價很高，為得到lW的電量需要花費100元人民幣4。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。驅(qū)動電機有三種：直流電機、交流誘導(dǎo)電機和永磁同步電機。交流誘導(dǎo)電機存在效率滑落的缺點，永磁電機太貴，目前多用直流電機。但直流電機效率不高。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。5結(jié)論太陽

18、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，利用太陽能驅(qū)動汽車完全可行，太陽能汽車可以應(yīng)用于高爾夫球場，露天游樂場觀光車，大型野外動物園觀光車，園林草坪修剪服務(wù)車。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。參考文獻1郝勇汽車排氣污染現(xiàn)狀及防治對策J環(huán)境保護科學(xué),2003,29(8):15-162康健淺談可再生能源的合理開發(fā)和利用J太陽能2008,(7):61-623陳哲艮降低晶體硅太陽能電池和組件制造成本的探討J中國新能源，2008,(7):1-44陶建軍太陽能電池組件的綜合應(yīng)用J能源技術(shù),2008,29(