太阳能在汽车上的应用论文Word格式文档下载.docx
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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
1.1.2 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。
1.2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718万美元“,SolarMinerⅢ”号造价915万美元,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4018%,这是迄今被证实的最高效率。
1.2.1 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。
图3 一辆太阳能汽车的能量流程图
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。
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。
1.2.2 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:
Lead-Acid 铅酸
Nickel-MetalHydrid（NiMH）镍金属
Nickel-Cadmium（NiCad）镍镉
LithiumIon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%。
1.2.3 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-monocoqueorcarbonbeam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
1.2.4 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 太阳能电池板
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（113hp）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。
1.2.5 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）。
图9 车载太阳能电池板
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。
1.3太阳能在汽车上的应用
太阳不断地向宇宙空间辐射出巨大的能量，人类完全可以将太阳能充分利用在汽车上，太阳能汽车的能源利用率可以达到95％。
文章介绍了太阳能天窗和太阳能汽车的结构特点和节能原理，指出了轿车环保节能太阳能天窗以及太阳能在汽车上的应用前景，得出环保节能的理念必将推动太阳能在汽车上的应用日渐普及。
1.3.1太阳能天窗让车内舒适和惬意
说到汽车的太阳能天窗，很多人都有所了解，并不像其他高深科技那样离我们如此遥远。
目前在很多高档轿车上，太阳能天窗已经开始使用，可以说它是应用在量产汽车上最“平易近人’的新科技。
汽车太阳能天窗带给消费者的最直接好处是，在夏天高温天气里，汽车在烈日下停车熄火，完全没有能源供给时，能自动调节车内温度，达到降温的目的。
这样，当驾驶者及乘员再次上车的时候，就不必忍受在阳光暴晒下车内犹如蒸笼一般的酷热，因此，空调系统可以在最短时间内将车内温度降至舒适的程度，打造出一个舒适的车内环境，同时可以改善车内的空气状况。
另外，这项功能还可以在冬天减少车内前挡风玻璃的结霜，相当实用。
1.3.2太阳能天窗的结构原理
太阳能天窗的原理是：
在汽车停车熄火的情况下，安装在天窗里的太阳能集电板产生电力，将车厢外的冷空气导入车内，驱除车内热气，达到降温目的；
同时，太阳能天窗能吸入室外空气并排除车内废气。
在外观上看，太阳能天窗与普通玻璃天窗有较大区别，太阳能天窗上安装了格栅状的太阳能电池板，在天窗开启后，通风透气的效果与普通天窗一样，但在天窗关闭的时候，从车内看不到天空。
太阳能天窗的结构是在汽车天窗的玻璃下方设置太阳能电池，太阳能电池与设置的控制单元输入端相连接，输入端连接车辆空调系统的温度传感器，同时输入端还与蓄电池和点火器相连接。
点火开关打开后，用此选装开关可使太阳能天窗移动到需要的位置。
当您驻车时或在无人看管汽车的情况下离开汽车时，一定要将太阳能天窗完全关闭。
阳光充足时，鼓风机在关闭点火开关之后自动切换为太阳能运行模式。
此后鼓风机电机由太阳能电池驱动，并为汽车内部空间提供新鲜空气。
夏季时最多可使车内温度降低到20℃，这样空调器工作后很快便能够达到所选温度。
遮阳板与太阳能天窗以固定方式连在一起，不能单独移动。
为使气流产生的风滞噪声降至最小，导流板根据车速和天窗开度自动移动到最佳的外翻高度。
此外还能明显降低车内空气的振动噪声。
玻璃下方的太阳能电池吸收太阳能，经汽车天窗控制单元可对蓄电池进行充电，保证蓄电池的电能充足，同时延长蓄电池的使用寿命。
1.3.3环保节能太阳能天窗充满商机
装备了太阳能天窗的车型，一定程度上降低了空调的使用频率，除了能为驾乘者提供舒适的用车环境以外，也有利于节省燃油，更加环保。
目前，配备天窗的车型在国内已十分流行，如果能在原有天窗的基础上加上太阳能的功能，虽然会增加一定的造车成本，但从长远来看，有助于节省燃油以及保护环境，同样也是未来轿车的发展趋势。
资料显示，与没有通风降温的车型相比，太阳能天窗降低室内温度的效果明显，安装了太阳能天窗的汽车驾驶室内的温度最高降低至20℃，利用太阳能供电，节能降温，十分有效地减少了汽车内由热所产生的“孤岛”效应。
并且太阳能天窗产生的风量，随太阳光照的增强而增大。
同时，太阳能天窗吸入室外空气并排除车内废气，使车内环境更环保、更健康。
尤其南方地区的车友对阳光暴晒后车厢内的高温都有深刻体验，使用了太阳能天窗后，夏日里就不必花时间来“凉车”了。
这就是厂家要在我国南方地区投放这一系列车型的商机。
目前，配备太阳能天窗的只有奔驰E级轿车以及奥迪A8等高级别的车型，中级车型很少配备，但考虑到要渡过漫漫酷暑，装备这样的天窗还是很值得的。
新奥迪A6L太阳能天窗可以在阳光充足时利用太阳能将鼓风机运转，将车内外空气进行交换，不消耗电能和其他能量，但驻车通风和驻车加热则需要消耗电瓶电能，驻车加热还要消耗部分燃油。
而奥迪A4的太阳能天窗只是将一部分能源供给天窗系统，驻车时太阳能天窗不需给予其他额外的支持。
辉腾轿车的太阳能天窗在车顶天窗上整合了28个太阳能电池板，总共可提供24w的能量，还可以在车辆静止的状态下为电扇供电，减少蓄电池能量消耗。
从节能环保的角度来说，太阳能天窗是使用太阳能蓄电驱动，完全不会给汽车增加额外的负担，这很符合高油价时代的用车理念。
太阳能作为清洁无污染的可再生能源，已经在各行各业上得到了广泛地应用。
可以预见，汽车太阳能天窗将随着科技的不断进步而将自身功能越发完善和提升。
而在未来的汽车上，我们看到的将不只是太阳能天窗，或许还有太阳能车顶以及太阳能车身等等，而且这一汽车新科技的运用也将从豪华轿车逐步走向普通家庭用车，也许在不久的将来，我们自家的汽车上也能出现更多更好的太阳能科技。
1.3.4太阳能在汽车上的应用前景
不久前，一辆特殊的的士出现在北京街头，这正是人类历史上第一个以太阳能为动力环游世界的交通工具一一瑞士太阳能汽车（名为“太阳能的士”）。
“太阳能的士”50％的动力来自装载了O．Cells公司提供的高效太阳能电池片的挂车，其动力心脏一—ZEBRA电池可以保证在没有阳光的情况下行驶300km，其50％的动力需求将会在瑞士的太阳能发电站补充。
“太阳能的士”向人们展示当今无碳排放的动力性的可能。
驾驶“太阳能的士”不产生尾气和CO，，这种能源100％可再循环，不含任何有害物质。
太阳不断地向宇宙空间辐射出巨大的能量，其内部的热核反应据现在统计，足以延续很多年，对于人类来说它是“取之不尽，用之不竭”的巨大能源。
而且，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％。
所以可以充分将其利用在汽车上。
太阳能在汽车上的应用前景：
一是太阳能主要在传统汽车车身上做辅助电池用，而不是作为汽车的驱动力。
因为它不能带动空调里面的压缩机，空调里的压缩机上千瓦，太阳能只可以带动空调里的电扇，作为辅助动力使用；
二是太阳能可以做充电站，比如在房子上搭很多的太阳能板，把太阳能收集起来给电动汽车充电；
三是利用太阳能制氢，太阳能先发电，电解水的电把氢气制出来以后，存在一个大罐子里，给汽车里的燃料电池加氢，氢和氧气再化合生成水同时放出电，这样供汽车使用。
太阳能车代替燃油车在目前还不能实现，主要是因为太阳能电池能量密度小，转化效率低，价格昂贵，技术还不成熟，所以目前还不能广泛推广使用。
但是太阳能电动车是最清洁和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。
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，这也是汽车企业一项任重而道远的责任。
第二章太阳能汽车发展现状及其实用化对策研究
随着光伏电池技术以及电子技术的不断进步,太阳能汽车作为一种新能源汽车已经崭露头角。
然而由于太阳能电池的转换效率有限,并受气候、环境等外界条件影响较大,太阳能汽车在实际应用中仍存在一定的局限性。
文中基于同济大学某太阳能汽车项目,从国内外光伏技术和太阳能汽车的发展现状入手,对太阳能汽车的实用化对策进行阐述,为未来的研究与发展提供了一定的参考依据。
传统的石油资源日益枯竭,人们对石油资源的依赖性和石油储量的不断锐减形成了鲜明的反差。
汽车产业的蓬勃发展也给社会环境带来了一定的压力。
因此电动汽车应运而生,并在近几年迅速得到发展。
纯电动、混合动力以及燃料电池汽车等相关技术已相对成熟。
相比之下,太阳能汽车还很年轻。
所谓太阳能汽车就是利用太阳能电池将太阳能转换为电能,并利用该电能驱动车辆行驶。
太阳能汽车清洁、环保,可以说是真正“零排放”的交通工具。
近年来,光伏产业发展迅速,国内外对太阳能汽车的研究方兴未艾,这都为太阳能汽车的实用化奠定了基础。
2.1光伏技术的发展现状
太阳是一个巨大的能源,它以光辐射的形式向太空发射能量。
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t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。
2.1.1 太阳能电池技术
将太阳能转换为电能是大规模利用太阳能的重要手段。
而太阳能电池则是实现这一过程的主要部件。
1954年,美国贝尔实验室研制出世界上第一块太阳能电池,揭开了太阳能电力开发利用的序幕。
在70年代以前,由于太阳能电池效率低下、造价昂贵,一般只应用于空间技术。
70年代以后,人们在世界范围内对太阳能电池的材料、结构和工艺等进行了深入研究,在提高效率和降低成本方面取得了较大进展,其应用规模逐渐扩大。
但与常规发电相比,成本仍然偏高。
从90年代开始,太阳能电池技术不断走向成熟,并逐渐向商用化、民用化领域渗透。
根据材料不同,太阳能电池可分为:
硅太阳能电池;
以无机盐如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的太阳能电池;
功能高分子材料制备的大阳能电池;
纳米晶太阳能电池等。
其中,硅太阳能电池以其在宽度、转换效率、环境友好性、稳定性等方面性能优越,成为最理想的太阳能电池材料。
硅系列太阳能电池按晶体结构的不同可分为单晶硅和多晶硅太阳能电池。
其中单晶硅电池转换效率最高,技术也最为成熟,在光伏产品家族中占主导地位。
转换效率是太阳能电池一个非常重要的指标,它表示太阳能电池将光辐射转化为电能的效率和能力。
对于晶体硅电池而言,世界最高水平为:
单晶硅电池24%（4cm2）,多晶硅电池1816%（4cm2）。
我国太阳电池转换效率的最高水平为:
单晶硅电池20.4%（2cm2）,多晶硅电池1415%（2cm2）、12%（10cm2）。
从80年代开始,尤其是进入21世纪以后,全球的光伏产量出现了爆发性增长。
在2004年,太阳能组件的年产量突破了1200MW。
另外,太阳能电池的发电成本也不断下降,现阶段的单位功率发电成本已降至3～4美元,与传统能源的差距正在不断缩小,如图1所示。
图1 光伏电池产量及其发电成本
由此可见,太阳能电池转换效率的不断提高及其成本的不断下降为未来发展提供了可能,同时也为太阳能汽车的实用化奠定了基础。
2.1.2 光伏电控技术
常规光伏系统的主要组成部分见图2。
图2 常规光伏系统的组成
太阳能电池阵列是整个系统中的能量转换部件。
它根据光强和温度等条件,以一定的输出特性对外输出功率。
DC2DC控制器是控制系统中的核心部件,其最大功率点跟踪控制（MPPT）,实现快速、准确跟踪最优工作点,可以使系统最大程度地利用太阳能,而且还能根据事先设定的控制策略实现对能源的管理。
MPPT弥补太阳能电池本身性能和使用条件的不足。
蓄电池的充放电控制器则能按照一定模式对蓄电池进行充放电管理,以提高其工作性能,延长工作寿命。
负载则是光伏系统的用电终端。
太阳能电池最大功率跟踪控制的方法有很多。
从比较简单的控制方法如:
功率比较法、扰动观察法等发展到具有智能化的控制方法,如:
模糊控制、神
经网络控制等。
在实现过程中,调节依据的变量会有不同:
有依据电
升级会员 