新能源车用太阳能板充电

太阳能汽车耗能少，只需采用3～4m2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做功，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；而太阳能汽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。

如图10-16所示，由于太阳能电池板输出的是直流电能，而蓄电源也是直流充电，两者的结合更能提高整个系统的效率；太阳能电池板在太阳光的照射下，其内部PN结会形成新的电子空穴对，在一个回路里就能产生直流电流；这个电流流入控制器，会以某种方式给蓄电池充电。蓄电池的充电完全只是通过太阳能来实现的，以确保最大限度使用太阳能。太阳能电池板进来后会首先经过一个开关MOS管连接到DC/DC转换器（蓄电池充电电路），此转换器的输出连接到蓄电池两端（实际电路里会先通过一个保险丝再连到蓄电池上）。开关管有两个作用：一是防止太阳能电池输出较低时由蓄电池过来的反充电流；二是当太阳能电池板极性接反时起到保护电路的作用。控制系统不仅考虑太阳能电池板最大功率点电压和蓄电池最大电压，而且同时得兼顾效率和成本。

图10-16　太阳能电池向蓄电池充电原理

只需踩加速踏板便可起动，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。太阳能汽车结构简单，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。在城市行车，为了等候交通信号灯，必须不断地停车和起动，既造成了大量的能源浪费，又加重了空气污染，使用太阳能汽车，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。

太阳能在汽车上应用一般只涉及汽车的辅助电源系统。太阳能电池所提供的能量只能用于车辆的电器、仪表等，或是对车载蓄电池进行充电。现今有部分量产车在其天窗顶部添加了太阳能电池，经控制器、逆变器驱动车载空调工作。

所有以太阳能作为驱动能源的专利产品中，太阳能所占的能源比例份额太少。国内有把太阳能用于电动自行车，也有用于微型车的例子，但太阳能所能提供的能量只占到所需驱动能量的30%以下。

1996年，清华大学参照日本能登竞赛规范，研制了“追日”号太阳能汽车，质量在800 kg左右，最高车速达80km/h，造价为7.8万美元，其采用的电池板是我国第五代产品。该车使用转换效率为14%的矩形单晶硅电池阵列，在光照条件良好的状况下（地面日照强度为1000W/m2），向直流永磁无刷电动机提供800W的动力。结构上采用前二后一的三轮式布置，后轮驱动。最高车速达80km/h。“追日”号是我国第一代参加国际大赛的太阳能赛车。2001年，上海交通大学设计制造了“思源”号太阳能电动车，该车长、宽、高分别为2100mm、860mm、800mm，满载质量400kg，其结构、动力系统与“追日”号相仿。但由于是串联电阻的调速方式，其能量利用率低，车速仅20～36km/h，续驶能力也有限。在2005年举办的第九届全国大学生“挑战杯”赛上，上海交通大学的又一太阳能车参加了比赛。这些尝试都预示着太阳能汽车正逐渐走向成熟。

到目前为止，太阳能在汽车上的应用技术主要有两个方面：一是作为驱动力；二是用作为汽车辅助设备的能源。作为驱动力这一应用方式，一般采用特殊装置吸收太阳能，再转化为电能驱动汽车运行。而作为汽车辅助能源，主要作为电气设备上的辅助应用。

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。目前，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是典型的砷化合物电池，而硅电池则更为普遍地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50～200V，并能提供1000W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，汽车在运动时，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，太阳能汽车起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。由于质量的原因，大量的蓄电池作为能量被使用是有限的。

目前，在太阳能汽车上所用的蓄电池主要有铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池、锂聚合物电池。镍镉、镍氢和锂电池比普通的铅酸电池远远提高了蓄电能力，质量比普通电池要轻得多。但是它们很少在太阳能汽车中被广泛使用，主要是维护起来很麻烦，并且很昂贵。另外一种能够提供强劲能量的蓄电池就是锂离子电池，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。

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着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。电动机控制器控制电动机的起动，而电动机起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。电动机的起动需要配备不同型号的电动机控制器，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、发动机控制器和电动机。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电动机是双线圈直流无刷电动机，在额定转速达到98%的使用效率。

太阳能汽车真正走进大众生活，还有很多难题需要解决，比如太阳能的采集与转换问题和造价太高。

太阳能的采集与转换问题：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。除此之外，电动机、电控也是太阳能汽车发展的关键技术。用于电动汽车的电动机有很多类型，目前太阳能车用电动机通常有直流电动机、交流诱导电动机、永磁同步电动机三种，其中交流诱导电动机存在效率滑落的缺点，永磁电动机目前价钱过高，所以目前太阳能车多用直流电动机，而直流电动机的工作效率也有待提高。

为了使车体轻、速度快，太阳能车普遍采用质轻价贵的航空、航天材料，造价昂贵，所以开发新的、经济的替代材料迫在眉睫。以清华大学的“追日”号为例，其采用的电池板是我国第五代产品，太阳能转化率只能达到14%，造价很高，为得到1W的电量需要花费100元人民币。

虽然太阳能汽车的发展仍存在着很多技术上的挑战，但不可否认的是在不可再生能源日益匮乏的今天，太阳能汽车是未来新能源应用的佼佼者。相信在不久的将来，太阳能定会在汽车上逐渐应用普及，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、大型野外动物园、园林草坪修剪服务等。

目前最可行的方式是将太阳能、风能发电用于电动汽车的充电网络中，解决电能来源于火电的问题。