太陽能已成為能源領(lǐng)域的重要角色。事實(shí)上，太陽能是增長最快的可再生能源，目前占2022年全球發(fā)電量的4.5%。
最普遍的太陽能技術(shù)是太陽能光伏(PV)電池，也就是通常所說的太陽能組件。光伏電池由半導(dǎo)體材料組成，可吸收入射光子并接收相互作用產(chǎn)生的電子。
由于單個(gè)光伏電池在這一過程中產(chǎn)生的電量微乎其微，因此光伏組件通常會(huì)連接數(shù)百個(gè)這樣的電池，光伏陣列則由連接光伏組件的網(wǎng)絡(luò)組成。如圖1所示，數(shù)以百計(jì)的光伏組件排列成網(wǎng)格狀并朝向太陽，這種陣列被稱為太陽能電站。
隨著氣候變化危機(jī)繼續(xù)威脅全球，許多國家都在爭分奪秒，想方設(shè)法減輕危機(jī)影響。化石燃料和其他破壞生態(tài)的燃料正被逐步淘汰，取而代之的是可再生替代品。因此，太陽能自然而然地引起了公眾的關(guān)注。隨著越來越多的太陽能組件的出現(xiàn)，研究人員進(jìn)一步思考了太陽能可以攔截的其他市場。
運(yùn)輸業(yè)不可避免地成為焦點(diǎn)。汽車是現(xiàn)代社會(huì)不可替代的一部分，但卻嚴(yán)重依賴化石燃料。目前，汽車行業(yè)正在經(jīng)歷一場革命，向電氣化方向發(fā)展；這一轉(zhuǎn)變的一部分就是將重點(diǎn)放在可再生能源上。值得注意的是，太陽能汽車已成為一條值得探索的道路。太陽能汽車并非全新事物；有史以來第一輛太陽能汽車是在1955年由12個(gè)光伏電池和一個(gè)輕木底座制成的。
當(dāng)然，這輛名為Sunmobile的汽車只是一輛手持模型車。然而，從那時(shí)起，真正的公路汽車已經(jīng)出現(xiàn)，從1976年第一輛上街行駛的汽車，到目前正在開發(fā)的一系列未來主義車型，不一而足。概念很簡單，汽車中的集成太陽能電池利用太陽光發(fā)電，并將電能儲(chǔ)存在電池中，為汽車的其他部分供電。
然而，仍有許多需要改進(jìn)的地方，即太陽能組件和車輛的經(jīng)濟(jì)性和效率。此外，還必須考慮到太陽能組件增加的重量，要么減少重量，要么繞過這個(gè)問題。過去五年來，太陽能領(lǐng)域出現(xiàn)了無數(shù)創(chuàng)新，其中許多直接或間接促進(jìn)了太陽能汽車的發(fā)展。
由于體積龐大，汽車所能收集的能量有限，這可能是太陽能汽車面臨的最大挑戰(zhàn)。出于安全和耐用性考慮，太陽能組件只能安裝在最大面積為4平方米的汽車頂部。在理想情況下(晴朗的天空、赤道、晴朗陽光下的靜止車輛)，汽車頂部表面的太陽能輻照總量為每天34kWh。
然而，現(xiàn)代光伏電池的效率僅為20%，因此每天約為7kWh。對于現(xiàn)代電動(dòng)汽車(如日產(chǎn)聆風(fēng))來說，這么多的電量可以提供25英里的續(xù)航里程。雖然續(xù)航里程很短，但對于大多數(shù)駕駛者來說已經(jīng)足夠。遺憾的是，太陽輻照度會(huì)因季節(jié)和緯度的不同而大大降低。例如，一輛冬季行駛在紐約的汽車在晴天的續(xù)航里程只有4英里，在陰天的續(xù)航里程可能不到1英里。因此，車輛及其動(dòng)力系統(tǒng)必須具有令人難以置信的效率，才能最大限度地利用這些能源。
本文列舉了其中幾項(xiàng)進(jìn)展，包括太陽能技術(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)組件方面的進(jìn)展，這些進(jìn)展將支持太陽能汽車的整體可行性。事實(shí)上，要使太陽能汽車切實(shí)可行，就必須提高太陽能組件的效率和成本，同時(shí)必須優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)部件，使其適合使用太陽能。
AFPM電機(jī)
一種可簡化太陽能汽車的設(shè)計(jì)，并將對汽車性能的影響降至最低的新型電機(jī)。2018年，一篇研究文章引起了人們對軸向磁通永磁(AFPM)機(jī)器的關(guān)注，這種機(jī)器的結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)子和定子組成，兩者之間有間隙，轉(zhuǎn)子和定子之間的磁通力與旋轉(zhuǎn)軸一致。由此產(chǎn)生的電機(jī)如圖2所示，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)能產(chǎn)生高扭矩，非常適合需要較小電機(jī)而又不影響性能的太陽能汽車型號(hào)。
此外，文章還提出了一種不同的設(shè)計(jì)，即用額外的轉(zhuǎn)子和定子磁盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鐵磁磁芯。這種無鐵芯設(shè)計(jì)以更大的電磁氣隙為代價(jià)以減少扭矩?fù)p失。通過這些電機(jī)的比較，研究人員試圖找出適合太陽能汽車的最佳AFPM電機(jī)。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員考慮了兩種太陽能汽車模型：帶有一個(gè)后驅(qū)動(dòng)輪的三輪模型和帶有兩個(gè)后驅(qū)動(dòng)輪的四輪模型。電機(jī)嵌入在驅(qū)動(dòng)輪中，去除了機(jī)械部件并簡化了整個(gè)系統(tǒng)?？紤]使用的兩種機(jī)器是傳統(tǒng)的單轉(zhuǎn)子-單定子鐵芯模型(如圖2所示)，以及繞組集中在氣隙周圍的無鐵芯多盤結(jié)構(gòu)。隨后，研究人員對這兩種機(jī)器的數(shù)千個(gè)候選設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，優(yōu)先考慮在保持所需扭矩的前提下，質(zhì)量最小的設(shè)計(jì)方案。
經(jīng)過研究，研究人員得出結(jié)論：無鐵芯設(shè)計(jì)更適合兩輪驅(qū)動(dòng)的汽車模型，而單輪驅(qū)動(dòng)的汽車模型則更適合傳統(tǒng)的AFPM電機(jī)。雖然由于無芯模型的扭矩限制較低，電機(jī)的效率略低，但四輪模型質(zhì)量分布的改善抵消了這一限制，同時(shí)使汽車更緊湊，設(shè)計(jì)更簡單。雖然這種設(shè)計(jì)還需要更多的測試，但將電機(jī)放置在車輪中可以大大提高未來太陽能汽車模型的簡易性，在保持高效的同時(shí)，降低維修成本。
太陽能玻璃
其次，太陽能電池的創(chuàng)新推動(dòng)了半透明光伏技術(shù)的發(fā)展，使透明太陽能組件成為可能。有機(jī)太陽能電池(OSC)利用有機(jī)聚合物或其他分子來吸收光線和傳輸電子。由于其成分，這些電池比傳統(tǒng)太陽能電池更輕、更靈活，同時(shí)生產(chǎn)成本更低，并具有半透明性。這些特性使得OSC在太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用相當(dāng)普遍。特別是其半透明特性在窗戶上的應(yīng)用引起了人們的關(guān)注，這種材料在發(fā)揮太陽能電池功能的同時(shí)，還能保持透過它所看到的景物的清晰度。
雖然從理論上講，OSC可用作窗戶，但在實(shí)踐中，這種結(jié)構(gòu)由于能見度低和透光率差而表現(xiàn)不佳。為了解決這一問題，中國的一組研究人員于2022年開展了一項(xiàng)研究，在打印出OSC的同時(shí)，還在供體層和受體層引入了偽平面異質(zhì)結(jié)(PPHJ)結(jié)構(gòu)，用于提高平均可見光透過率(AVT)和功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。
然后，在玻璃封裝層上涂上一層疏水層，以便在不影響可見度的情況下實(shí)現(xiàn)長期防水性能。研究人員將實(shí)驗(yàn)性O(shè)SC與傳統(tǒng)的不透明OSC進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)性電池的效率略低于不透明電池。
如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常顯著。與之前迭代的相同概念相比，實(shí)驗(yàn)中的OSC玻璃有了明顯改善，這表明PPHJ結(jié)構(gòu)相當(dāng)成功。此外，疏水層也相當(dāng)成功，這可以使玻璃在長期降雨條件下表現(xiàn)出最佳性能。AVT性能也相當(dāng)顯著，約為20.42%。典型的汽車玻璃的視覺清晰度約為70-85%，雖然汽車的前窗、后窗和前側(cè)窗需要更高的清晰度，但后側(cè)窗可以自由使用這種材料，這將進(jìn)一步提高整車的轉(zhuǎn)換效率。要提高一致性和清晰度，還需要進(jìn)一步的測試，但就目前而言，PPHJ層在未來的太陽能玻璃型號(hào)中可能會(huì)變得司空見慣。
MPPT
為了解決天氣突變帶來的問題，日本的一個(gè)研究小組發(fā)表了一份研究報(bào)告，詳細(xì)介紹了適合安裝在太陽能汽車模型上的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)電路的構(gòu)造。安裝在移動(dòng)物體，尤其是像汽車這樣的快速移動(dòng)物體上的太陽能電池，其發(fā)電量會(huì)因方向或陰影變化等條件帶來的陽光照射的變化而大幅波動(dòng)。最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法解決了這一常見的太陽能難題。該算法可從組件中提取最大可用功率，并優(yōu)化次優(yōu)條件下的發(fā)電量。MPPT電路對靜止的固定裝置很有效，但在運(yùn)動(dòng)過程中，急劇波動(dòng)發(fā)生得太快，任何傳統(tǒng)機(jī)器都無法跟上。此外，對于太陽能汽車而言，太陽能電池的排列通常是為了優(yōu)化汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能，這意味著太陽能電池沒有排列整齊，陣列的特性也不均勻。
結(jié)果取得了巨大成功。MPPT電路為車輛的3000公里電路提供了充足的電力，大約持續(xù)了36小時(shí)22分鐘。對于每個(gè)功率為140W的太陽能電池組件，MPPT電路只需要機(jī)器輸出功率的0.17%。事實(shí)證明，這種電路是應(yīng)對太陽輻射突變的一種實(shí)用的低耗電解決方案，MPPT電路在太陽能汽車中的應(yīng)用似乎相當(dāng)可行。由于這項(xiàng)研究主要關(guān)注的是賽車MPPT電路的實(shí)施，因此所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)必須輕巧且符合空氣動(dòng)力學(xué)要求，因此這項(xiàng)技術(shù)的未來迭代可以在不符合這些規(guī)范的情況下加以改進(jìn)。MPPT技術(shù)在太陽能汽車中的前景一片光明。
碳中和汽車
在荷蘭，Eindhoven理工大學(xué)的一個(gè)學(xué)生研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種太陽能汽車，這種汽車?yán)碚撋显谄湔麄€(gè)使用壽命期間都將保持碳中和。如圖3所示，這輛名為“Zem”的原型車在車頂和引擎蓋上安裝了太陽能組件，用于最大限度地實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換。此外，這輛汽車還包含一個(gè)能夠捕獲二氧化碳的獨(dú)特過濾系統(tǒng)，從而有效捕捉自身和周圍環(huán)境的碳排放。
根據(jù)團(tuán)隊(duì)的估算，假設(shè)汽車每年行駛20000英里，Zem就可以吸收2kg的二氧化碳。雖然這個(gè)數(shù)字看起來很小，但團(tuán)隊(duì)希望能在更大范圍內(nèi)實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)。由于全球現(xiàn)有超過10億輛乘用車，因此這些車輛的大范圍使用將減少數(shù)十億公斤的碳排放。
此外，團(tuán)隊(duì)還確保這些汽車的生產(chǎn)周期保持碳中和。汽車的底盤和車身面板都是3D打印的，這樣就不會(huì)產(chǎn)生殘余廢物，而且生產(chǎn)出來的循環(huán)塑料還可以回收用于其他用途。雖然這輛汽車還只是一種概念驗(yàn)證，但這項(xiàng)技術(shù)和這些車型的清潔生產(chǎn)周期表明，環(huán)保技術(shù)的發(fā)展勢在必行。如果進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明是成功的，未來的太陽能汽車和一般汽車都可能擁有類似的碳捕集技術(shù)。
太陽能微型汽車
盡管許多公司已經(jīng)推出了全尺寸太陽能汽車模型，但有一家公司特別將太陽能汽車的發(fā)展方向轉(zhuǎn)向了微型汽車。荷蘭公司Squad Mobility于2019年發(fā)布了理想城市汽車計(jì)劃：一種價(jià)格合理的小型太陽能電動(dòng)汽車。這些計(jì)劃最終促成Squad Solar City Car于2022年在歐盟的上市，這是一款雙座太陽能汽車，在歐洲市場的售價(jià)僅為6250歐元。這輛車重約350千克(771磅)，由兩個(gè)后輪內(nèi)置電機(jī)和四個(gè)可更換的鋰離子電池組提供動(dòng)力。
雖然這意味著在充滿電的情況下，該車只能以每小時(shí)45公里的速度行駛100公里，但這種車輛主要用于城市周邊的短途而非長途旅行。附帶的太陽能組件設(shè)計(jì)輕巧、高效，可為電池組提供大量太陽能，并能在陽光下為電池組充電。
除了私人所有外，Squad Mobility還為這種汽車制定了更多計(jì)劃。除了可以隨時(shí)更換空電池組并為空電池組充電的公共電池架外(如圖5所示)，公司還計(jì)劃推出一款共享移動(dòng)應(yīng)用，讓用戶可以在閑暇時(shí)使用公共太陽能汽車。此外，公司還計(jì)劃在2024年之前在美國推出這種汽車，不過，這種汽車在美國被歸類為低速車輛，因此在使用上比在歐盟18國受到更多限制。
盡管如此，這一項(xiàng)目的大面積可應(yīng)用性和相對實(shí)惠的價(jià)格對于城市地區(qū)的許多潛在買家來說仍具有重要意義。雖然里程數(shù)讓一些人失望，但公司還在開發(fā)一種全尺寸的四座車型，以滿足那些需要一輛能行駛更遠(yuǎn)路程的太陽能汽車的人的需求。如果項(xiàng)目取得成功，這些太陽能微型車可能會(huì)在各地的城市環(huán)境中普及。盡管它們的功能有限，但其價(jià)格對許多人來說相對便宜，而且小巧的體積確保了停車，出現(xiàn)其他儲(chǔ)能相關(guān)問題的可能性也大大降低。
太陽能汽車遠(yuǎn)非新概念
太陽能汽車遠(yuǎn)非一個(gè)新概念，太陽能技術(shù)正在進(jìn)一步改進(jìn)當(dāng)中。
太陽能組件的成本更低，效率更高，太陽能玻璃等發(fā)明確保越來越多的太陽能組件可在公共設(shè)施中悄然發(fā)揮作用。許多太陽能汽車型號(hào)已經(jīng)通過測試并計(jì)劃于2023年投產(chǎn)，更多型號(hào)仍在開發(fā)中。
在過去五年里，太陽能汽車電機(jī)、太陽能電池、最大功率檢測系統(tǒng)等方面的改進(jìn)大大推進(jìn)了這一領(lǐng)域的發(fā)展，而這一行業(yè)仍有待進(jìn)一步發(fā)展。太陽能組件勢必會(huì)更加高效、更加靈活，太陽能組件將成為日常社會(huì)中不可替代的一個(gè)方面，為所有人提供清潔能源和可再生能源。
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