汽車太陽能車頂轉化電能裝置研究

劉博　姜巖　袁雙宏

摘 要：汽車工業(yè)的快速發(fā)展給國民經濟帶來的巨大的動力，但同時帶來的環(huán)境污染等問題也不容易忽視，有關資料表明 我國汽車排放占城市重污染的比例接近35%，可見汽車尾氣對空氣和自然環(huán)境帶來的污染和破壞。城市中溫室效應也是受汽車尾氣超標排放的影響。目前，很多資源都屬于不可再生資源，資源的缺乏影響著我國的發(fā)展，因此，探索新能源的應用至關重要。本文就是針對汽車利用太陽能，在車頂安裝太陽能裝置實現(xiàn)電能的轉化，進而為汽車提供動力，旨在促進汽車行業(yè)節(jié)能技術的發(fā)展和太陽能技術的優(yōu)化。

關鍵詞：太陽能技術;車頂裝置;電能轉化

目前，全世界都面臨著資源匱乏和枯竭的問題，尋求新的環(huán)保能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能源是有效應對環(huán)境污染問題的關鍵途徑，汽車可以利用太陽能為汽車行駛提供動力，太陽能與傳統(tǒng)能源相比，其環(huán)保性能較高，且運用成本較低。太陽向宇宙輻射出巨大能量，能量來自太陽的熱核反應，我國陸地面積廣闊，太陽能資源十分豐富，每年釋放的能量相當于超過24000億噸的煤炭，將太陽能運用到汽車上具有廣闊的發(fā)展前景。

1 太陽能應用于汽車裝置的重要意義

我國各產業(yè)比較依賴傳統(tǒng)能源，例如煤炭、石油、天然氣等，這些不可再生資源目前存儲量逐漸降低，且石化類別的能源在燃燒過后對自然生態(tài)環(huán)境帶來了很大的污染和破壞，尤其是空氣污染和水源污染，逐漸會引發(fā)溫室效應，有毒氣體也會對自然環(huán)境帶來危害。汽車尾氣排放占據(jù)氣體排放量很大的比例，汽車發(fā)展的一百多年的時間里，汽車燃燒能源導致的空氣污染較為嚴重，聯(lián)合國也針對此問題提出了節(jié)能減排的對策，我國也積極響應和配合，重視新能源在汽車中的應用，其中就包括太陽能這一清潔能源。

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，無論是燃油汽車、電動汽車或混合動力汽車，在行駛過程中都會存在續(xù)航里程臨界的問題，尤其是長途駕駛之后，汽車耗油耗電量增加，這時就可以利用太陽能裝置為汽車提供充足的動力和電能。汽車上太陽能的運用多是運用在車頂裝置上，為汽車聽過應急的電力，為汽車空調等設備提供電能。

汽車太陽能裝置主要由太陽能板架、內部電路、通風散熱裝置等構成，汽車裝置使用電池板收集太陽能，蓄電池需要補充，太陽能要根據(jù)客戶的需求，通過USB接口為車上移動設備充電，可以為動力系統(tǒng)和空調系統(tǒng)等提供的電能，實現(xiàn)節(jié)能減排。

我國“十三五”發(fā)展規(guī)劃指出了到2020年要大量增加新能源汽車的銷售和使用，到2020年要建立成熟的新能源汽車產業(yè)鏈。早在“十二五”規(guī)劃時期，我國新能源汽車在研發(fā)和銷售過程中取得了顯著的成就，截止到2018年，我國新能源汽車銷量已經超越美國，成為世界上新能源汽車銷售量排第一位的國家。但目前，我國新能源汽車的發(fā)展受很多因素的限制，受很多強國的影響，目前，我國純電動汽車還存在很大的問題，汽車上充電技術和蓄電池的應用還存在一些瑕疵，汽車續(xù)航里程和電動充電時間等問題需要細致的思考，如何利用太陽能為汽車各系統(tǒng)提供應急電能至關重要。

2 汽車太陽能裝置介紹

太陽能車頂裝置系統(tǒng)具有多種功能，如發(fā)電、防雨、散熱等，利用太陽能這種清潔能源達到環(huán)保節(jié)能的目的，可以延長汽車的續(xù)航里程，為其提供充足的動力，太陽能裝置多安排在車頂，安裝在車頂行李架上，比較穩(wěn)固和安全。太陽能車頂裝置可以采用電伏電池組作為收集太陽能的裝置，實現(xiàn)將太陽光能量轉換為電能，運用MPPTM 控制器控制太陽能光伏電池組件的電能輸出，使用單晶硅材料，使用壽命接近20年，太陽能裝置可以為汽車提供能量保障。

美國研制的高性能太陽能光伏電池的光電轉換率高達30%，與光伏電池相比轉換率提高了經10%。瑞士研發(fā)太陽能的士裝載了高效太陽能電池片掛車，動力電池可以做到在無太陽能輸入的情況下續(xù)航達到300KM。太陽能裝置需要采用更新的材料和裝置，光伏電池板的太陽能轉換率逐漸提高，車身材料更加輕量化。

3 太陽能裝置工作原理

太陽能裝置最重要的就是太陽能的轉化問題，電池陣列在太陽能系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，技術人員要結合汽車實際應用需要將若干個光伏電池進行組合，形成光伏電池組件，將多個光伏組件進行并聯(lián)或串聯(lián)，進而實現(xiàn)功率的輸出。但太陽能采集與天氣有關，在研究電池裝置應用中要對天氣狀況對太陽能裝置的影響進行仿真研究。

3.1 光伏電池工作原理

太陽能光伏電池其實是一種太陽能轉換部件，刻意將能量轉化為電能，工作原理是利用光伏效應，車頂?shù)难b置中半導體勢壘電場，太陽照射后，PN結中電子得能量釋放電子，形成電子—空穴對，在結電場影響下，電子與空穴分別移向半導體的N型區(qū)與P型區(qū)，N型區(qū)電子越來越多，P型區(qū)空穴越來越多，帶負電電子使N區(qū)的電勢偏低，相反P型區(qū)的電勢相對較高，半導體兩端形成了電動勢。如果把PN結用導線與外部元件聯(lián)通在一起，外部導通電路中就會產生電流，輸出電能。我們要從太陽能系統(tǒng)出發(fā)，半導體器件經過串、并聯(lián)使用，會得到汽車需要的輸出電壓、電流和輸出功率。

3.2 光伏電池的等效電路

當有光照射到光伏電池上時，就會有電流產生，在此條件下，電池內部會生成正向偏壓，在理想光照狀態(tài)下，可以等效成一個電流恒定的二極管。因此，當電池在理想條件時，可以將其理想等效電路設計成一種高效結構，由二極管、恒流發(fā)生器和負載電阻構成。光伏電池受太陽輻射產生光電流，光電流大小與入射光強度和光伏電池面積成正比，除了光電流還會產生暗電流，共同輸出為汽車所需的電能。

4 結語

汽車太陽能裝置設計對于汽車至關重要，可以利用專業(yè)裝置收集太陽光線和輻射，將其轉化為電能，為汽車提供續(xù)駛里程需要的電能，為動力系統(tǒng)和空調系統(tǒng)提供需要的電能，促進新能源的應用，降低汽車尾氣對環(huán)境的污染。

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項目名稱：太陽能車頂裝置系統(tǒng)的研究

項目編號：GYZD-201903

項目類別：一般指導項目