新型太陽(yáng)能汽車的探索與思考

陳 屹 孫錫紅

（上海理工大學(xué) 中國(guó) 上海 200093）

節(jié)能減耗、提高效率、使用清潔能源一直是汽車行業(yè)的創(chuàng)新方向，但由于配套技術(shù)的限制，使得這個(gè)方向始終發(fā)展緩慢。太陽(yáng)能汽車由于太陽(yáng)能電池的效率不足，受環(huán)境天氣影響巨大，和續(xù)航能力，爬坡能力的限制，使其成為少數(shù)掌握此類技術(shù)的大專院校或汽車公司的實(shí)驗(yàn)品。本文從以下幾方面，探討新型民用太陽(yáng)能汽車的發(fā)展與未來。

1 當(dāng)前太陽(yáng)能汽車發(fā)展的瓶頸

太陽(yáng)能汽車的發(fā)展主要受制于其動(dòng)力來源和動(dòng)力輸出，即太陽(yáng)能的收集和轉(zhuǎn)換效率，及電動(dòng)汽車的能量?jī)?chǔ)備和續(xù)航能力。

1.1 太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率低

太陽(yáng)能電池的發(fā)電原理是利用光伏技術(shù)，即愛因斯坦所提出的光電效應(yīng)為主要理論依據(jù)，當(dāng)太陽(yáng)光照射在當(dāng)這些射線照射在不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體上，光子于導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的自由電子作用產(chǎn)生電流。射線的波長(zhǎng)越短，頻率越高，所具有的能量就越高，例如紫外線所具有的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紅外線。但是并非所有波長(zhǎng)的射線的能量都能轉(zhuǎn)化為電能，值得注意的是光電效應(yīng)于射線的強(qiáng)度大小無(wú)關(guān)，只有頻率達(dá)到或超越可產(chǎn)生光電效應(yīng)的數(shù)值時(shí)，電流才能產(chǎn)生。絕大部分的導(dǎo)體，半導(dǎo)體只能對(duì)頻率超過黃光的射線產(chǎn)生光電效應(yīng)。眾所皆知，太陽(yáng)光以橙黃色為主，因而太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率并不高。

1.2 太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算

圖1 某太陽(yáng)能車車速與功率比較

現(xiàn)階段普遍的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率約在17%-20%的區(qū)間。比如，覆蓋車身的太陽(yáng)能電池板的面積約為2.5m2，其峰值功率（STC情況下測(cè)試的功率，也就是在：溫度 25°，輻照度 1000W/m2,光譜AM1.5時(shí)。）

如進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，可以得到：

其中：EI為本征費(fèi)米能級(jí)[1]；

A為太陽(yáng)能電池板的面積；

即在日照良好的情況下，該車的太陽(yáng)能電池所能提供的功率僅為500W。若整車以復(fù)合材料為主要材料，滿載重量約300kg。則正常車速（10km/h）、最高車速（15km/h）以及最大爬坡度工況行駛，其所需的功率分別為86W、141W和393W。若整個(gè)系統(tǒng)的輸出效率為70%，見圖1。

1.3 常規(guī)光伏系統(tǒng)的組成

在低速狀態(tài)下的太陽(yáng)能汽車，其輸出功率和適應(yīng)能力尚且不盡如人意，在爬坡時(shí)，不足的功率部分當(dāng)然需要依靠人力或者蓄電池完成。常規(guī)光伏系統(tǒng)見圖2。車的輔助動(dòng)力來源。

2 太陽(yáng)能車?yán)m(xù)航能力的局限及汽車儲(chǔ)能器的性能比較

太陽(yáng)能電池所運(yùn)用的光伏技術(shù)是瞬間產(chǎn)生電流，如果失去陽(yáng)光，或者陽(yáng)光條件不好的陰天，或是進(jìn)入隧道等，會(huì)造成汽車動(dòng)力來源失效，所以必須配有儲(chǔ)能系統(tǒng)。新能源汽車的常用儲(chǔ)能原件有蓄電池、燃料電池、飛輪電池和超級(jí)電涌，又是也將它們混合起來使用。其中，蓄電池包括鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鈉硫蓄電池、鈉氯化鎳蓄電池和鋰電池；燃料電池包括堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池 （PAFC）、氫離子固體聚合物電解質(zhì)燃料電池（SPEFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）。

圖2 常規(guī)光伏系統(tǒng)組成

圖3 2010年上海工博會(huì)上太陽(yáng)能車

正常情況下，即民用普通車輛的情況下，太陽(yáng)能或許僅僅只能被用作概念的一部分或者混合動(dòng)力汽

表1 各種儲(chǔ)能器件性能比較

衡量?jī)?chǔ)能器件的常用指標(biāo)有比能量、能量密度、比功率、功率密度、循環(huán)壽命、快速充電性能、充放電時(shí)間以及價(jià)格。各種汽車儲(chǔ)能器的性能比較，如表1所示。

由于傳統(tǒng)蓄電池的質(zhì)量較大，比能量較小，循環(huán)壽命不盡如人意，所以在新能源汽車，特別是太陽(yáng)能電動(dòng)車的引用上一般不予以考慮。以輕量化，比能量大，循環(huán)壽命長(zhǎng)為出發(fā)點(diǎn)的新能源汽車一般可以選用：鎳氫電池 （64%）、鋰離子電池（15%）、燃料電池、飛輪電池等。而在不考慮輕量化的大型民用新能源車輛上一般使用超級(jí)電容。

在2010年上海工業(yè)博覽會(huì)上，上海汽車集團(tuán)，推出了一款概念車（見圖3），該車外形小巧可人，其車頂和車前蓋覆有薄膜太陽(yáng)能電池，約1.5m2，其轉(zhuǎn)換效率低于太陽(yáng)能電池板。但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員介紹，此車型僅為概念車型，該車主要的動(dòng)力來源是上海汽車集團(tuán)新研發(fā)的鋰電池，放棄了原先主推在大型公交車上的超級(jí)電容。此舉大大降低了整車重量，但太陽(yáng)能電池板只是輔助動(dòng)力來源。

3 新型混合能源汽車的思考

鋰離子電池的比能量一般可以達(dá)到100Wh/kg，比功率則可以高達(dá)1500W/kg，這一點(diǎn)是鉛酸電池和鎳氫電池?zé)o法比擬的。鋰離子單元電池的平均電壓為3.6V，相當(dāng)于三個(gè)鎳鎘電池串聯(lián)起來的電壓值，因此可以減少蓄電池組的數(shù)目，從而降低因單元蓄電池電壓差造成的電池故障發(fā)生率，可以延長(zhǎng)電池組的壽命。且鋰離子電池?zé)o記憶效應(yīng)，充點(diǎn)前可以不需要放電。大大提高使用方便性。同時(shí)鋰離子電池的自放電率低，不含重金屬等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，但鋰離子電池在過充或電流過大的情況下極易發(fā)生短路或保障，其安全性是應(yīng)用鋰電池于汽車中最重要的問題。尤其是在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)（汽車起步）的過程中，瞬間電流會(huì)加大，對(duì)鋰離子電池的安全性產(chǎn)生巨大的考驗(yàn)。

圖4 鋰離子電池太陽(yáng)能汽車結(jié)構(gòu)示意圖

飛輪電池，又稱為電動(dòng)機(jī)械電池，他的主要特性是儲(chǔ)能密度大，輸出功率大，充放電時(shí)間快，使用壽命長(zhǎng)，比功率可達(dá)1000W/kg，成本介于蓄電池和燃料電池之間。尤其是他對(duì)環(huán)境不會(huì)造成任何污染，更體現(xiàn)了當(dāng)代新能源汽車的發(fā)展方向。早在20世紀(jì)50年代，瑞士Derlikon Energy公司就制造了第一輛由飛輪系統(tǒng)獨(dú)立供能的旅行車。飛輪直徑2.4m，重1500kg，轉(zhuǎn)速達(dá) 3000r/min，正常載客 70人，一次充電越能行進(jìn)500m。如今，新型飛輪每充一次電可以行使560km；加速性能優(yōu)越，時(shí)速?gòu)?-100km/h僅需6秒。飛輪使用壽命25年。一次充電僅需15分鐘。日本東北大學(xué)正在研制一種由飛輪電池，太陽(yáng)能電池，鋰離子電池和內(nèi)燃機(jī)組成的低排放的環(huán)境友好型混合動(dòng)力車。其研究結(jié)果表明，飛輪電池能夠提高鋰離子電池的使用壽命。

圖5 太陽(yáng)能飛輪電池汽車簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)設(shè)想示意圖

總之，各種現(xiàn)階段所有的儲(chǔ)能原件均不能有效的安全的可靠的單獨(dú)運(yùn)用在新能源汽車上，尤其是太陽(yáng)能動(dòng)力汽車。所以，現(xiàn)在要制造純太陽(yáng)能民用汽車還為時(shí)過早。但同時(shí)由多種儲(chǔ)能原件組合而成作為動(dòng)力來源，以太陽(yáng)能為主，或太陽(yáng)能作為輔助動(dòng)力來源的民用小型汽車的制造確實(shí)離我們不遠(yuǎn)了。

［1］伊建華，等，主編.半導(dǎo)體硅材料基礎(chǔ)：太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)——硅材料系列教材[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2009,7.