太阳能汽车的应用

文摘

人们越来越意识到需要实现更可持续机动性,在专家和公众的意见,关于可再生能源的机会。在最后几年,增加工作投入对太阳能的应用电动和混合动力汽车,也多亏了光伏技术的进步和日益扩散的静止的植物。无论如何,这种可能性将太阳能应用到汽车仍视为可疑问题在汽车社区。本文调查研究过去,现在和未来的应用太阳能汽车提出和讨论的主要问题是,同样的基础上执行的研究作者混合太阳能汽车。

关键词:太阳能、太阳能电池、电动汽车、混合动力汽车、汽车控制

介绍

在过去的几年,可持续流动问题是获得越来越多的关注在专家和公众的意见,由于汽车系统的重大影响二氧化碳生产、气候变化和化石燃料的消耗。更一般来说,越来越意识到实现更可持续发展的需要,允许满足现代人的需求又不损害后代人满足其需求的能力,(《京都议定书》,1997)。关于个人移动性问题,最紧迫的参数对新的解决方案如下:

-燃烧生成的二氧化碳过程发生在传统的热引擎大大加剧了温室效应与危险,也许戏剧性的全球变暖和气候变化的影响;

图1所示。石油价格趋势(oilnergy.com)

-全球个人移动性的需求快速增长,尤其是中国和印度,世界人口的三分之一住在哪里;因此,能量消耗和二氧化碳排放相关的汽车和交通预计将增加;

-化石燃料,主要用于汽车推进,注定要损耗;他们的价格仍在增长,并且受到大的和不可预测的波动(图1);

-运输有显著影响声和大气污染在城市地区:因此,有增加的趋势来创建零排放城市访问只有ULEV(超低排放车辆)或泽(零排放车辆)。

《京都议定书》,随后的政治各级决策,强调了求助于可再生能源作为一种最有效的解决此类问题。因此自然地会想到可能使用太阳能汽车应用程序。

广义上说,今天所有的能量用于燃料汽车来自太阳,已经积累了数百万年化石燃料的化学能。但是,当然,日益增长的兴趣向太阳能相关特性作为可再生来源。也是在这个意义上,太阳能用于汽车以不同的方式推进:我在1）间接方式,生产生物燃料(传统汽车)或(氢燃料电池汽车,或者车辆与冰了与氢气或甲烷和氢气的混合);2)间接的方式,作为可再生发电来源,充电电动汽车(EV)或混合动力电动汽车(HEV)插件;3)在直接的方式,通过光伏板安装在汽车(热板的使用被认为是为汽车应用程序:为了达到可接受的转换效率,集中注意力应采用的技术,看起来相当不可行的在一辆车)。

本文主要研究直接利用太阳能光伏板在车上，打开更详细和最新的调查研究，就最近的论文的作者 (Arsiegrave; et al，2006;Rizzo et al.，2010年）。审查后的某些方面以太阳能为能源，介绍光伏能源太阳能汽车、 电动汽车和混合动力汽车的应用，讨论他们的潜力和其局限性。一些有关其用于汽车应用的主要方面论述了，所以作者的直接经验，基于混合太阳能汽车。

光伏板:效率和成本

从光转换成直流电电力基于在 50 年代，在那里由法国物理学家亚历山大-爱德蒙 · 贝克勒尔 (1820年-1891年) 适用于第一次发现的原则在贝尔实验室进行的研究。太阳能电池板，由于半导体硅及材料性能的其他工作，第一次被用于空间应用。这项技术的扩散有已呈指数级增长 (图 2)，近几年由于迫切需要为可再生能源和无碳能源 (REN21，2009年)。

图2所示。太阳能光伏、世界产能1995 - 2008

太阳能的数量是令人印象深刻的:阳光到达地球表面的89兆瓦几乎6000倍人类所食用的15太瓦的平均电力(Smil,2006)。图3中给出了光伏发电的潜力,在定义的区域黑暗磁盘可以提供超过世界一次能源总需求(假设8%的转换效率)。应用范围从电站、卫星、农村电气化、太阳能道路和建筑,当然,还有交通工具。

图3所示。平均太阳辐照度(W / m2)水平面(维基百科)。

在图4中光伏电池效率的趋势显示。今天大多数的光伏电池板,multicrystalline硅技术,效率在11%和18%之间,而使用单晶的硅允许增加大约4%的转换效率。多接点的追索权砷化镓电池,使用的材料(Thilagam等,1998),集中技术(西格尔et al .,2004),可以达到40%的细胞效率。不管怎样,仍然是这些后者的成本解决方案过高的大量应用在汽车上。

图4所示。趋势为光伏电池的效率。

关于太阳能电池组件的价格,市场经历了长时间的跌倒的价格自2002年1月-2004年5月。后来,价格又开始上涨,直到2006 - 2007。这种反演已被归因于超过全球需求的供应,所以所需的硅光伏制造商生产不能提供足够的原材料来填补制造工厂的需求增加的能力生产(Arsie et al .,2006;参见www.backwoodssolar.com)。2008年之后,价格开始下降,在美国和欧洲(图5)。

图5所示。趋势为光伏组件的成本。

太阳能汽车:优点和缺点

太阳能的潜在优势是显而易见的:它是免费的,丰富而均匀分布(图3),更多其他能源作为化石燃料、铀、风和水电。它一直认为太阳能事件在美国一天相当于能量消费的国家一年半,这图可能达到最尴尬的高值发展中国家。与此同时,这种能源的局限性似乎已经明朗:它是断断续续的,由于相对的影响地球和太阳之间的运动,和时间变量,由于天气条件(前者效果可以预测准确地说,后者只能部分和预见短期内)。但最直接的严重限制汽车用担忧它的能量密度:的数量在地球表面辐射理论上事件大约有1360W / m2(Quaschning,2003),只有一小部分的能量可以转换为电能用于推进。考虑到光伏的可用空间板正常车是有限的(约1平方米的板装备“正常”汽车大约6平方米太阳能汽车),他们发现一个太阳能的净功率可以实现的面板小两个数量级的力量今天大多数的汽车。

图6所示。太阳能电池板功率在一天,不同的技术。

但这个简单的观察,解释了怀疑关于太阳能的大多数汽车社区,基于权力的误导习惯考虑,相反的能量。事实上,一个典型的使用在城市驾驶(每天不超过一个小时,根据最近的统计数据公路运输,7和10之间的平均功率千瓦,考虑到部分回收制动能量),净牵引所需能量可以每天大约8 kWh。在另一方面,一个光伏面板的峰值功率300 W不远的最大功率运行几个小时,尤其是先进的跟踪技术将被采用(图6)。在这种情况下,太阳能的贡献可以代表一个相当重要的一部分,占20 - 30%所需的能量。

如下图(图7)显示了平均太阳贡献,开车时间h和的函数平均牵引力,车辆3平方米的光伏电池板@ 24%的效率水平位置(地点:圣安东尼奥,TX)。可能观察到的“连续”用(h = 10),太阳能可以完全满足所需的能源只有在非常低(约1千瓦),当然不符合“正常”使用一辆汽车。

图7所示。太阳能的贡献和力量每天在不同的驾驶时间

另一方面,如果在间歇方式和使用的汽车平均功率有限,一个重要的比例,约20 - 40%,可以提供所需的能量由太阳(Arsie等,2006)。因此,太阳能的好处可以最大化使用汽车时大多在城市环境,以间歇方式,大部分的支出时间停在户外,当然在国家“足够”的太阳能辐射。

屋顶板的位置和使用移动的影响

在大多数的太阳能汽车,太阳能电池板固定和位于几乎水平位置。这个解决方案,尽管最实际的几个观点,不允许来自太阳的净功率最大化。下一个图的意思每年的入射能量对应不同的位置太阳能电池板,为不同的纬度的数据获得,基于数据库的数据覆盖了大约30年,不同的地方在美国。它可以观察到,采用自动定向太阳能屋顶(2轴跟踪)是入射能量的增加,从800到不同吗600千瓦时/平方米/年,从低到高的纬度而言,相对增加,会增加太阳能移动面板的贡献约为46%,在低纬度地区,高78%,高纬度地区。当然,采用移动面板只能是可行的停车阶段,另一方面在哪里手花大部分的许多汽车在城市环境时间。将低于那些真正的好处图中表示,由于能源用于移动面板和可能的运动学约束防止完美取向。同时,为了最大化太阳能的贡献,透明的面板可以在windows中,和一辆车的侧面也可以由太阳能面板,。一个估计入射能量的增加通过考虑平均垂直入射能量表面,用随机取向:关于能量事件在水平位置,他们的贡献45%,在低纬度地区,但在高纬度地区高达65%。

图8所示。面板和纬度位置对入射能量的影响

因此出现,采用移动屋顶停车阶段,利用windows和侧表面,可以显著增加入射能量对汽车的唯一利用屋顶。此外,这种增量高纬度地区有特别重要的意义,所以导致扩大太阳能辅助车辆的潜在市场。

研究的好处：一个移动的太阳能屋顶停车阶段混合太阳能汽车最近提(Coraggio et al .,2010)。并联机器人的运动学模型和三个自由度一直在开发和验证实验数据通过一个小规模的真正的原型。屋顶设计变量的影响进行了分析,和福利的净可用能源评估每小时通过模拟太阳能数据在不同个月和纬度(图9)。太阳能汽车几个原型的太阳能汽车,只有太阳供电,建立和测试,因为70年代。这些车辆

无意日常运输设备,但而示范车辆和工程训练刺激学生和研究人员对节能和汽车应用程序(惠灵顿,1996;小泽et al .,1998;Pudney Howlett,2002;德席尔瓦和戈麦斯Svenson,1993)。由于这些原因,他们的发展由政府机构。

图10所示。太阳能汽车的照片,由蒂姆bull;治疗1976年由一家美国报纸报道。除了一些前业余原型(图10,图11),花了相当多的技术努力构建非常先进的汽车,像Nuna 3(图12),开发的代尔夫特大学和世界太阳能汽车大赛得主2005年,在大约95 km / h的平均速度,和最新的模型Nuna 5(图13)。

图11所示。太阳能汽车Solectria我,1984年由詹姆斯·沃顿。

图12所示。代尔夫特大学开发的Nuna 3,在2005年世界太阳能汽车大赛的冠军。

图13所示。Nuna5,最新的太阳能汽车荷兰代尔夫特理工大学开发的

Nuna5相比,其进一步改善前辈车的顶部,重量只有160公斤,满6平方米的特殊的太阳能电池。额外的能量存储在一个电池,用于当超车或多云天气。此外,由于新的比赛规则,这个模型采用与一个合适的轮胎胎面像那些正常的汽车,导致额外的滚动摩擦。

世界太阳能汽车大赛,整个太阳能汽车竞赛澳大利亚3000公里,是最著名的事件之一类别,吸引来自世界各地的竞争对手(www.wsc.org.au)。太阳能汽车比赛是另一个值得注意的北美太阳能挑战(最近跑从德克萨斯州的达拉斯发来的2008年8月13-21,卡尔加里,阿尔伯塔省)。技术在太阳能汽车上花费的精力了相关技术的进步:在年最后版本的北美太阳能挑战,组织者被迫改变比赛的规则,为了避免这个团队可能克服监管速度限制。但是,尽管这些壮观的进步,成本高,需要减少重量、摩擦和气动损失和缺乏,在大多数情况下,存储系统足够的能力能够保证正常操作没有太阳辐射使这些车辆不同于当前的汽车的想法。

太阳能电动和混合动力汽车

对太阳能汽车(HSV)和混合车辆综合照片伏打(VIPV)一直在增长近年来由于工业和商业上的成功混合动力汽车和扩散的光伏来源。

对混合动力太阳能汽车的关注可以追溯到90年代,当一些开创性的典型的应用程序出现了。创新型汽车(维京23,图14)了在西华盛顿大学(密封和坎贝尔,1995),采用先进解决方案材料,气动减阻和峰值功率跟踪光伏功率最大化。

图14。维京23日在华盛顿西部开发大学

太阳能板控制

太阳能电池板的表面在车上是有限的,对大多数固定应用程序。因此,重要的是最大化他们的权力提取,通过分析和解决的问题可能会降低他们的效率。的一部分方面在静止的植物也很常见,但是一些的他们非常具体的汽车应用程序。为例子中,连接不同类型的细胞的需要(技术以及电气和制造业)在同一个数组通常会导致特征失配条件。这可能是使用的情况标准为屋顶和透明的光伏电池,的眼镜,串联连接。再一次,即使是很小的差异太阳的入射角度辐射对不同的细胞/板组成面板/字符串可能导致失配效应很大影响产生的光伏发电机整体效率。这样可能会变得更加重要,高细胞减少温度,估值下调约0.5% /°C水晶细胞,约0.2%为非晶硅/°C细胞(Gregg,2005)

这些影响更可能在一辆车,由于紧急事件覆盖曲面,在不同太阳辐射和温度可以高于静止的植物。所有这些方面当然是增强和复杂的驾驶期间,由于取向变化和阴影。在光伏电站必须匹配负载的光伏来源/电池/网格为了画出最大功率在当前太阳能辐照度水平。

优化设计的混合太阳能汽车

尽管他们的潜在利益,太阳能混合动力汽车收到了在文学直到几个相对较少的关注年前(Letendre et al .,2003),特别是如果比较的努力在最后几年对其他解决方案,氢动力汽车,其观点受到重要影响问题对氢气生产、分销和存储。

研究混合太阳能汽车的优化设计萨勒诺大学的执行,考虑性能、油耗、重量和成本组件(Arsie et al .,2007年,2008年

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