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太阳能汽车

太阳能汽车

太阳能汽车，是指将太阳能转化成电能作为空气动力汽车，用电动机驱动车轮行驶的车辆。它实际上也是一种电动汽车，具有节能、安全、环保的特点。由于其零污染，能源用之不尽，被人们称为“未来汽车”。

1978年，世界上第一辆太阳能汽车在英国研制成功。1984年9月，中国研制的“太阳号”太阳能三轮汽车试验成功。1996年，清华大学研制出“追日号”太阳能汽车。2001年，中国高校首辆可载人的太阳能电动汽车“思源号”在上海交通大学诞生。2003年，澳大利亚太阳能汽车赛上，由荷兰制造的“NunaⅡ”太阳能汽车取得了冠军。2011年，奔驰发布smart forvision concept太阳能概念车。2014年，福特发布C-MAXSolar Energi Concept太阳能概念车，该款车由福特、太阳能源科技公司和佐治亚州理工大学联合开发。2016年7月，汉能移动能源控股集团有限公司（薄膜太阳能发电企业）发布4款全太阳能动力汽车试图解决新能源车所面临的诸多难题。2022年6月，中国首款完全依靠纯太阳能驱动，不使用任何化石燃料和外部电源，真正实现零排放，引领前沿技术的智能网联汽车“天津号”在世界智能大会上展出。2023年9月，瑞典车辆制造商斯堪尼亚公司推出了一款由太阳能驱动的混合动力卡车。2024年8月，美国GoSun公司推出一款电动汽车太阳能充电盒，其不仅能够在行驶过程中为电动汽车充电，还能在停车时展开，覆盖整个车顶和前后风挡玻璃，大幅提升充电效率。

太阳能汽车动力系统主要由太阳能电池组、自动阳光跟踪系统、驱动系统、控制系统和蓄电池组等部分组成。由于太阳能汽车的诸多优点，世界各国都在加紧开发步伐。但太阳能功率较小，一般太阳辐射功率至多1kW/平方米，光电转换效率小于30%，因此全部用太阳能驱动传统的汽车难以达到。作为传统汽车的辅助动力，减少常规燃料的消耗，已经得到较多应用。

发展历史

早期的太阳能汽车是在墨西哥制成的。这种汽车，外形像一辆三轮摩托车，在车顶上架有一个装太阳能电池的大棚。在阳光照射下，太阳能电池供给汽车电能，使汽车的速度达到每小时40公里，由于这辆汽车每天所获得的电能只能行40分钟，所以它还不能跑远路。

1978年，世界上第一辆太阳能汽车在英国研制成功，速度为13km/h。1982年，墨西哥研制出太阳能汽车，速度达到40km/h，由于这辆汽车每天所获得的电能只能行驶40min，所以它还不能跑远路。1984年9月，中国研制的“太阳号”太阳能三轮汽车试验成功，在当时曾引起广泛关注。它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用时56天研制成功，车顶上安装了2808块单品硅片、组成10m的硅板，车速为20km/h，遇阴雨或晚上，靠两个高效蓄电池供电，可连续行驶100km。1996年，清华大学研制出“追日号”太阳能汽车，搭载中国自主研发的第五代太阳能电池板、转化率达14%，最高时速为80km/h，造价7.8万美元。这在中国的太阳能汽车发展史上是一个标志性事件。

2001年，全国高校首辆可载人的太阳能电动汽车“思源号”在上海交通大学诞生。它无须任何助动燃料，只要在阳光下晒3~4个小时就能轻松行驶10多km。但它的缺点是电池容量偏小、续航能力有限、敞开式车体设计使迎风阻力较大等。2003年，澳大利亚太阳能汽车赛上，由荷兰制造的“NunaⅡ”太阳能汽车取得了冠军，它以30h54 min的时间跑完了3010km的路程，创造了太阳能汽车最高速度170km/h的世界纪录。

2011年，奔驰发布smart forvision concept太阳能概念车，车顶多处六角形空洞下方为太阳能电池夹层，只需电池来储存电能，无须内燃机或外接电源的介人。2014年，福特发布C-MAXSolar Energi Coneept太阳能概念车，该款车由福特、太阳能源科技公司和佐治亚州理工大学联合开发。C-MAX使用了双电能系统的设计形式（插电式混合动力），既可以从车载电池中获得能量，也可以通过放置在车顶的太阳能电池板发电获得能量。C-MAXSolar能够获得总的续航里程为998km，而纯电模式下续航里程为38km。

2016年7月，汉能移动能源控股集团有限公司（薄膜太阳能发电企业）发布4款全太阳能动力汽车试图解决新能源车所面临的诸多难题。汉能全太阳能动力汽车在5~6个小时的光照条件下，日均发电量8~10度，可以驱动汽车行驶80km左右，每年行驶2万km以上，从而满足城市常规交通需要。汉能全太阳能动力汽车的高效得益于砷化镓薄膜发电技术的高转化率(经美国国家可再生能源实验室认证达31.6%)，在同类技术中列全球第一。同年，丰田汽车推出了搭载太阳能充电系统的普锐斯插电式混合动力汽车，处于熄火停车状态时太阳能电池板继续为汽车充电，电能可直接用于驱动电动机、延长了续航里程，搭载了该电池板后，普锐斯动力效能将提高10%。2017年，特拉斯与日本松下大规模生产光伏电芯和储能电池，倾力打造光伏发电、储能、电动汽车乃至新能源家庭应用的闭环。

2022年6月，中国首款完全依靠纯太阳能驱动，不使用任何化石燃料和外部电源，真正实现零排放，引领前沿技术的智能网联汽车“天津号”将在世界智能大会上展出，并开启在中国内地的巡展。2023年9月，瑞典车辆制造商斯堪尼亚公司推出了一款由太阳能驱动的混合动力卡车，车身覆盖了总面积达100平方米的太阳能电池板，白天利用阳光进行充电，晚间通过储能系统进行供电。2024年8月，美国GoSun公司推出一款电动汽车太阳能充电盒，其不仅能够在行驶过程中为电动汽车充电，还能在停车时展开，覆盖整个车顶和前后风挡玻璃，大幅提升充电效率。这款充电盒重约32公斤，高12.7厘米，自带200瓦太阳能电池板，总输出功率可提升至1200瓦。

工作原理

在阳光下，汽车上的太阳能电池板进行光伏发电。产生的电流经过DC/DC变换器由低压电转换为高压电。此高压电有三部分流向。一部分高压电经过DC/AC变换器电流由直流电变为交流电供电机使用，从而驱动汽车运动。另一部分电流输入动力蓄电池，给动力蓄电池充电。还有一部分电流经过DC/DC变换器，由高压电转换为低压电供汽车内部电器使用。同时，光伏数据、电池数据、负荷数据输入BMS，BMS接收到这些信号后，判断汽车所处的工作状态，向DC/DC变换器和DC/AC变换器输出控制信号来控制动力蓄电池的状态。当光伏发电的电能不足以提供汽车所需运行的能量时此时，动力蓄电池来提供汽车电机和内部电器所需要的能量。

类型

其实太阳能汽车，从某种意义上讲，也是电动汽车，不同点在于电动车的动力电池是靠工业电网充电的，太阳能汽车用的则是太阳能电池，而太阳能电池的作用就是将太阳能转化为电能，这个定义其实包含两种太阳能汽车的类型：一种是以装在车身表面的太阳能电池所得的电能为驱动能源的车辆；另一种是通过装在车身外部的太阳能电池得到的电源给车载动力电池充电，再利用动力电池上的电源作为驱动能源的汽车。

基本构造

太阳电池方阵

太阳电池方阵是太阳能汽车的能源。方阵是由许多PV光电池板(通常有好几百个)组成。方阵类型受到太阳能汽车尺寸和部件费用等的制约。截至2010年，主要有两种类型的光电池板：硅电池和砷化合物电池。环绕地球卫星使用的太阳电池使用的是典型的砷化合物电池，而硅电池则更为普遍的为地面基础设备所使用。一般等级的太阳能汽车通常使用硅电池板。许多独立的硅片(接近1000个)被组合，形成太阳电池方阵。依靠光伏电源供电动发动机驱动太阳能汽车。这些方阵的通常工作电压在50V~200V之间，并能提供1O00W的电力。方阵输出功率的大小受到太阳、云层的覆盖度和温度的影响。超级太阳能汽车也能使用通常类型的太阳能光电板。但更多的是使用太空级光电板。这种板很小，但是比普通的硅片电池板要昂贵得多，然而它们的使用效率非常高。一般情况下，车子在运动时，被转换的太阳能光被直接送到发动机控制系统。但有时提供的能量要大于发动机需求的电力，那么多余的能量就会被蓄电池储存以备后用。当太阳电池方阵不能提供足够的能量来驱动发动机时，蓄电池内的被储存的备用能量将会自动补充。当然，当太阳能汽车不运动时，所有能量都将通过太阳能光伏阵列储存在蓄电池内。也可以利用一些回流的能量来推动汽车。当太阳能汽车开始减速时，换用通用的机械制动，这时发动机将变成了一个发电机，能量通过发动机控制器反向进入蓄电池内进行储存。回充到蓄电池中的能量是非常少的，但是却非常实用。

电力系统

太阳能汽车的心脏部位就是电力系统，它由蓄电池和电能组成，电力系统控制器管理全部电力的供应和收集工作。蓄电池组就相当于普通汽车的油箱。一个太阳能汽车使用蓄电池组来储存电能以便在必要时使用，太阳能汽车启动装置控制着蓄电池组，但是当太阳能汽车开动后，是通过太阳能阵列提供能量，从而再充到蓄电池组内。由于重要的原因，大量的蓄电池作为能量被使用是有限的。截至2010年在太阳能汽车上所用的蓄电池主要有如下几种：1.铅酸蓄电池，2.镍镉蓄电池，3.锂电池，4.锂聚合物电池。镍镉、镍氢和锂电池比普通的铅酸蓄电池远远提高了蓄电能力，重量比普通电池要轻的多。但是他们很少在太阳能汽车中被广泛使用，主要是维护起来很小心，并且很昂贵。另外一种蓄电池能够提供强劲能量的就是锂电池，在今后蓄电池的储存能力将会更高。电池组是由几个独立的模块连接起来，并形成系统所需的电压。比较有代表性的系统电压一般是在 84-108V。蓄电池组由几个独立的模块连接起来，并形成系统所需的电压。我们可以使用的系统电压在84V-108V。

电力控制系统

在太阳能汽车里最高级的组件部分就是电力系统。它们包括峰值电力监控仪、发动机控制器和数据采集系统。电力系统最基本的功能就是控制和管理整个系统中的电力。峰值电力监控仪条件电力来源于太阳能光伏阵列，光伏阵列把能量传递给另外的蓄电池用于储存或直接传递给发动机控制器用于推动发动机。当太阳能光伏阵列正在给蓄电池充电的时候，电池组电力监控仪会保护蓄电池组因过充而被损坏。电池组电力监控仪的号码数值随我们的设计而被使用在太阳能汽车里。峰值电力监控仪是由轻质材料构成，并且一般效率能达到95%以上。发动机控制器控制发动机的启动，而发动机启动信号是来自驾驶员的加速装置。对发动机控制器电力管理是通过程序来完成的。发动机的启动需要配备不同型号的发动机控制器，使用的工作效率一般超过 90%。很多太阳能汽车使用精确数据检测系统来管理整个太阳能汽车的电力系统，其中包括，太阳能光伏阵列、蓄电池组、发动机控制器和发动机。在有些时候，我们需要掌控电池的电压和电流。从监控系统获得的数据常常用来判断太阳能汽车的状况，并用来解决太阳能汽车出现的问题。

电动机

在太阳能汽车里使用什么类型的发动机没有限制。大多数太阳能汽车使用的发动机是双线圈直流无刷电机，这种直流无刷电机是相当轻质的材料机器，在额定的RPM(每秒转速)达到98%的使用效率。但是它们的价格比普通油刷型交流发动机要贵一些。

特有优势

太阳能电动车以光电代油，可节约有限的石油资源。白天，太阳电池把光能转换为电能自动存储在动力电池中，在晚间还可以利用低谷电(220V)充电。无污染，无噪音。因为不用燃油，太阳能电动车不会排放污染大气的有害气体。没有内燃机，太阳能电动车在行驶时听不到燃油汽车内燃机的轰鸣声。与燃油汽车的比较优势。实用型太阳能动力车除行驶速度远低于燃油汽车外，与燃油汽车相比，还是有诸多优势的。首先，太阳能电动车耗能少，只需采用3-4平方米的太阳电池组件便可使太阳能电动车行驶起来。燃油汽车在能量转换过程中要遵守卡诺循环的规律来作功，热效率比较低，只有1/3左右的能量消耗在推动车辆前进上，其余2/3左右的能量损失在发动机和驱动链上；而太阳能电动车的热量转换不受卡诺循环规律的限制，90%的能量用于推动车辆前进。其次，易于驾驶。无需电子点火，只需踩踏加速踏板便可启动，利用控制器使车速变化。不需换挡、踩离合器，简化了驾驶的复杂性，避免了因操作失误而造成的事故隐患，特别适合妇女和老年人驾驶。另外，太阳能动力车采用创新前桥和转向系统，前后独立悬挂，四轮鼓式制动从时速30公里到突然刹车，刹车线不超过7.3米。

由于太阳能电动车结构简单，除了定期更换蓄电池以外，基本上不需日常保养，省去了传统汽车必须经常更换机油，添加冷却水等定期保养的烦恼。小巧的车身，灵便转向，可以轻而易举的将车泊入拥挤不堪的都市停车场。在都市行车，为了等候交通信号灯，必须不断的停车和启动，既造成了大量的能源浪费，又加重了空气污染，使用太阳能电动车，减速停车时，可以不让电动机空转，大大提高了能源使用效率和减少了空气污染。再次，太阳能电动车没有内燃机、离合器、变速箱、传动轴、散热器、排气管等零部件，结构简单，制造难度降低。

缺点

1.能量小驱动力不足，不能重负荷。2.太阳能汽车的首要资源是太阳，如果碰到阴雨天气或者晚上就不能出行，受天气和时间的限制。3.太阳能辐射强度较弱，光伏电池板造价昂贵。

特点

主要应用

根据太阳能电池板转化能在汽车应用中的不同比例，可分为汽车主要能量源、混合驱动太阳能汽车以及汽车辅助能源三种类型。

作为汽车主能量源

贴在车体外表的太阳能电池板将阳光直接转换成电能，驱动车辆行驶，汽车行驶快慢通过输入电动机的电流控制。截至2020年，此类太阳能汽车的车速能达到100km/h，无阳光的天气下最大续航里程也在100km左右。

混合驱动太阳能汽车

装有两套动力系统，车辆外观与传统汽车相似，只是部分表面加装了太阳能吸收装置，如车顶电池板可给蓄电池充电或直接作为动力源。车上还装有汽油发动机和电动机；电动机用于低速行驶，当车辆达到某一速度后，汽油发动机启动、电动机脱离驱动轴，汽车与普通汽车一样行驶。

汽车辅助能源

①太阳能用作汽车蓄电池的辅助充电能源；②用于驱动风扇和汽车空调等较小的系统。

参考资料

中国首辆纯太阳能车“天津号”将亮相世界智能大会.中国新闻网.2022-06-10

“太阳能汽车”研制热度蹿升.腾讯网.2024-10-13

太阳能汽车.科学网.2020-05-15

太阳能汽车:用太阳的光照亮洁净的未来.新浪汽车.2024-10-13

太阳能汽车：用太阳的光照亮洁净的未来.新浪汽车.2020-05-15