太阳能在汽车上的应用(论文)

第一章太阳能在汽车上应用的总述

随着经济的增长和科技的进步,以及人口的增加,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。

1.1 太阳能

1.1.1 太阳能的特点

太阳能之所以受到人们如此的重视,是因为它具有许多优点:太阳能是一种巨大的能源,每天到达地球表面的太阳辐射能大约相当于215 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1。

图1 我国太阳能日照分布图

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3135 ×103 ～ 8140 ×103 MJ / m2 之间, 其平均值约为5186 ×103 MJ / 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4146 ×103 MJ / m2 ,其余绝大部分地区的年总量超过5186 ×103 MJ / m2 。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1 000 W/㎡,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0 W/ ㎡(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

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7～8 m2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“, Solar Miner Ⅲ”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。