Автомобили на солнечных батареях и солнечная панель на крышу машины

В середине прошлого века на одной из выставок автомобильной техники компании General Motors впервые был представлен первый автомобиль на солнечных батареях, движущей силой которого служил электродвигатель, питанием которого служила селеновая батарея с питанием от солнца. Длина его составляла всего около полуметра, а чуть более десяти батарей располагались на крыше транспортного средства.

Конструктором автомобильчика был инженер компании Уильям Кобб, исследования которого в то время усиленно финансировались компанией, обещая большой скачок в развитии автомобилей на солнечных батареях. Однако исследования в скором времени были свернуты, а их результаты забыты почти на тридцать лет.

Как это работает?

Солнечный автомобиль использует для передвижения не привычный двигатель внутреннего сгорания, а электродвигатель, питающийся от аккумуляторов.

Первые автомобили на солнечных батареях были сконструированы в США, в середине прошлого века. Сама идея была чрезвычайно заманчивой, особенно, если учесть обилие солнечных дней в большинстве американских штатов. Проблемой стало отсутствие достаточно мощных АКБ, что на тот момент не позволило развивать создание солнцемобиля. Новые попытки изготовления авто на солнечных батареях датируются девяностыми годами прошлого века, когда появились более эффективные аккумуляторы. Необходимо понимать, какова была цель разработки солнечных автомобилей.

Основная причина — топливный кризис, начавшийся в связи с увеличением количества автомобилей. Рост цен на горючее, загрязнение окружающей среды и прочие отрицательные моменты вынудили инженеров искать альтернативные виды конструкции машин. Солнечные автомобили являются обычным средством передвижения, хотя широкого распространения они пока не получили.

Для того, чтобы понять, что такое солнечный автомобиль, надо рассмотреть его конструкцию. Прежде всего, рассмотрим, какой источник энергии используется в солнечных автомобилях. Это солнечный свет, падающий на крышу автомобиля, на которой размещены фотоэлектрические элементы — солнечные батареи. Они преобразуют свет в электрический ток, который накапливается в аккумуляторных батареях и расходуется на питание бесколлекторного электродвигателя. Управляет работой системы контроллер, который следит за режимом зарядки аккумуляторов, переключает их при необходимости и выполняет другие функции.

Автомобиль на солнечных батареях как изобретение ХХ века

История создания автомобилей, работающих на солнечных батареях, начала свое начало в середине ХХ века в США, однако в связи с тем, что технологии того времени не позволяли изготовить мощную солнечную батарею не больших размеров, и выпускаемые аккумуляторы не были энергоемкими, то и развитие этой отрасли автомобилестроения было приостановлено. Лишь в 90-е годы, к этой теме вернулись и работы продолжились.

Увеличение КПД солнечных батарей позволило увеличить количество вырабатываемого ими электричества, а энергоемкие аккумуляторы нового поколения, позволили создавать необходимый запас энергии, при перемещении на дальние расстояния.

Применение новых материалов, при изготовлении кузова, новых систем трансмиссии и типов электродвигателей, также отразились на развитии данного типа автомобилей. Сейчас элементы кузова изготавливаются из прочного и легкого пластика, в трансмиссии используются детали с наименьшим уровнем сопротивления качению, а в качестве двигателей применяют устройства бесколлекторного типа использующие в своей конструкции полюса из редкоземельных магнитных материалов.

Еще одним из изобретений, которое стало использоваться на солнце автомобилях, стали мотор-колеса. В этом случае электрический двигатель расположен на каждом из ведущих колес автомобиля, что позволяет увеличить общий КПД передаточного механизма.

На увеличение мощности устанавливаемой на автомобиль солнечной батареи, повлияло и то, что подобные устройства теперь можно выпускать гибкими, следовательно, размещать на всех элементах кузова, что увеличивает площадь поглощающую солнечную энергию.

Основные концепции солнцемобиля

Солнцемобиль обычно включает в себя:

Солнечную батарею;
Накопитель энергии, позволяющий перемещаться ночью или в условиях сильной облачности, когда уменьшается и без того малая удельная мощность солнечного излучения;
Электродвигатель, который устанавливается чаще непосредственно на ведущие (-ее) колеса (-о), чтобы исключить потерю мощности при трансмиссии. Чаще задействуют низкооборотные моторы постоянного тока, у которых КПД равен 98%;
Управляющий блок, который занимается распределением полученной энергии (излишек накапливается в аккумуляторе) и регулированием параметров работы солнечной батареи (охлаждение, ориентирование на солнце);
Шасси.

Для максимально эффективного преобразования солнечного света в скорость, питания некоторых узлов и запаса хода необходимы:

Хорошая аэродинамика;
Большая площадь для размещения фотогальванических элементов;
Малая масса электромобиля.

Первые два пункта обусловливают причудливую форму кузова, напоминающую насекомое или крыло самолета. В некоторых концепциях колеса прикрыты обтекателями. О солидном клиренсе солнцемобиль может и не мечтать. Крыша обычно выполнена как единое целое с капотом и багажником. Некоторые концепты напоминают гольф-кары – двухместные, без стекол и дверей. А полноценная крыша над головой и вовсе подразумевается не у всех (пример – француз Venturi Astrolab).

Ради легкости конструкции, помимо прочих, используются такие материалы, как углепластик, композиты с карбоновыми включениями.

Солнцемобиль также требователен к шинам. Ему лучше подходят те, у которых низкий коэффициент сопротивления качению. Лучшим их производителем признан Michelin.

Гонки на солнцемобилях

С появлением солнцемобилей возник и новый вид спорта — брейнспорт. Это — гонки на машинах, перемещающихся на солнечной энергии.

Уже проводились соревнования в разных странах. Широко известны гонки, которые проводятся между австралийскими городами Дарвин и Аделаида. Общая протяженность трассы составляет 3000 км. Замысел организаторов подобных мероприятий — пропагандирование и способствование развитию исследований и производства солнечных автомобилей в разных странах.

Происходит тестирование техники в условиях реальной нагрузки, позволяющее производителям находить и устранять недоработки в конструкции. Относиться к подобным соревнованиям как к серьезным спортивным мероприятиям пока рано, но процесс идет и развивается.

Преимущества

Машины на солнечных батареях готовы похвастаться рядом преимуществ перед обычными авто:

Экологичность. Гелиомобиль не оказывает на экосистему пагубного влияния. Главным недостатком авто, работающих на традиционном топливе, является повышенный выброс СО₂ в атмосферу Земли. Это один из вреднейших парниковых газов. Его избыток в воздухе приводит к необратимой смене климата на планете и образованию дыр в озоновом слое. Автомобиль, работающий на солнечных батареях, не образует вредных выбросов.
Бесплатная доступная энергия. Энергия, черпаемая от солнца, совершенно бесплатна. Гелиомобиль – удачный пример использования этой энергии.
Нет потребности в формировании сети АЗС.
Большой срок службы. Фотоэлементы, которыми оснащены солнцемобили, способны исправно функционировать в течение 25–30 лет.

На некоторые из перечисленных достоинств можно посмотреть двояко. Многие из этих «плюсов» стали причиной невостребованности подобных авто на широком рынке.

Плюсы и минусы

К достоинствам автомобилей на солнечных батареях следует отнести:

экологическая безопасность, отсутствие вредных выбросов
источник энергии бесконечен и неиссякаем
в отличие от электромобилей, которым требуется подзарядка на специальной станции
длительные сроки службы автомобилей
отсутствие платы за пользование солнечной энергией

Недостатками этого вида транспорта можно считать:

высокие цены, вызванные штучным производством автомобилей
солнечные батареи для автомобиля на крышу не изготавливаются специально, что требует подгонки параметров ходовой части под возможности фотоэлементов
отсутствуют ремонтные станции и сети обслуживания подобной техники
скорость и запас хода значительно уступают существующим моделям на двигателях внутреннего сгорания

Производители стремятся усилить положительные стороны солнцемобилей, параллельно работая над устранением недостатков.

Достоинства и недостатки солнечных электромобилей

Электромобили, работающие на солнечной энергии, считаются перспективными разработками, которые могут получить широкое применение уже в ближайшем будущем.

Экологически чистый электромобиль на солнечных батареях не наносит какого-либо ущерба окружающей среде. У него отсутствуют выбросы, способствующие возникновению парникового эффекта.
Солнечная энергия доступна и абсолютно бесплатна. В отличие от нефти, она не требует организации специальной добычи и дорогостоящей переработки.
Отпадает необходимость в организации сети АЗС.
Значительный срок эксплуатации солнечных элементов, которые при соблюдении правил обращения способны прослужить не менее 25-30 лет.

Поскольку эти системы еще до конца не доработаны, они имеют ряд недостатков, в основном из-за несовершенства своей конструкции.

Среди минусов отметим следующие:

Незначительный КПД, составляющий в среднем, от 15 до 20%. В связи с этим, мощность используемых двигателей также невысока – в пределах 2-3 лошадиных сил.
В темное время суток для передвижения требуются дополнительные источники энергии, поскольку аккумуляторы не обладают достаточной емкостью для питания двигателя в течение длительного времени.
Высокая стоимость фотоэлементов и других компонентов, из-за чего и весь автомобиль получается очень дорогим.
Солнечные панели требуют большой площади, чтобы обеспечить требуемую мощность. В результате, общая масса авто возрастает и приводит к дополнительным потерям его общей мощности.

Таким образом, автомобиль на солнечных батареях – это не миф, а реальность, и работы в этом направлении активно ведутся. Современные технологии развиваются настолько быстро, что создание серийного авто – вопрос не слишком далекого будущего.

Солнечная энергия на автомобилях (на транспорте) – интересное направление исследований для всех автомобильных концернов. Ведь солнечная энергия для тяговых систем автомобилей неисчерпаема.

Хоть от солнца большую мощность для автомобиля и пока не удается получить, достаточную для его эксплуатации, многие автопроизводители пытаются находить применение батарей на солнечной энергии в качестве альтернативного источника. Ведь, даже дополнительная энергия от солнца в один киловатт в течение 12 часов способна дать автомобилю пробег примерно в 60 км и съэкономить целую канистру бензина.

Сейчас разработано множество способов преобразования солнечной энергии на автомобилях в электрическую энергию. К тому же использование солнечной энергии для энергоснабжения различных объектов – это популярная область исследований по всему миру.

Существует множество способов и теорий преобразования солнечной энергии, наиболее перспективные для автомобилестроения из них это:

использование фотоэлементов на транспорте и стационарно;
использование различных тепловых машин для преобразования солнечной энергии (двигатель Стирлинга, паровые машины, различные вариации двигателей внешнего сгорания и др. );
использование солнечных электростанций (термовоздушные, различной вариации наземного базирования и др.);

Масштабное использование солнечной энергии затруднено несовершенством преобразователей солнечной энергии и их низким КПД, особенно при установке на автомобилях. При довольно высокой стоимости на производство и эксплуатацию.

В настоящее время наиболее популярно использование фотоэлементов для накопления и преобразования солнечной энергии, в виду их надежности, простоты обслуживания и технологичности производства, в т.ч. для автомобилей и другого транспорта. Как правило, фотоэлементы («солнечные батареи») устанавливают на открытых поверхностях имеющих хорошее местоположение для попадания солнечных лучей, например, внутри крыши автомобиля.

Солнечную энергию в качестве альтернативного источника энергии уже используют автомобили, например BMW, Toyota, Fisker. Ввиду малой мощности и высокой стоимости преобразования солнечной энергии фотоэлементы пока не нашли массового применения, однако, перспектива их использования в автомобилестроении достаточно велика.

Опубликовано в Источники энергии

В последнее десятилетие такой неисчерпаемый источник энергии, как солнечный свет, все больше и больше привлекает внимание мирового сообщества. Применение солнечной энергии для движение транспорта является перспективным направлением в сфере развития транспортных технологий. К группе солнечного транспорта относятся все наземные, водные и воздушные виды транспортных средств, которые для передвижения используют энергию солнца. Такие машины, как правило, комплектуются солнечными батареями, фотоэлементы которых преобразуют видимый солнечный свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение в

электрическую энергию, которая в последующем используется для питания их электродвигателей.

Несмотря на то, что использование солнечных батарей в качестве энергетических элементов транспортных средств является довольно перспективным, существуют группа факторов, негативно влияющих на скорость развития и внедрения солнечных технологий в мировую инфраструктуру. В то время, когда применение солнечных батарей обеспечивает высокую эффективность работы электрических транспортных средств в ясную, солнечную погоду, в вечернее и ночное время, а также в дни сумрачной погоды, использование данных фотоэлектрических элементов совершенно не практично. Выходя из этого, в большинстве современных видов электрического транспорта более целесообразно использовать солнечные батареи исключительно в качестве дополнительных элементов питания электродвигателей, наряду со стандартными аккумуляторными батареями.

Хотя солнечный свет можно использовать совершенно бесплатно, создание солнечных панельных элементов обходиться довольно дорого. К тому же, 90 процентов солнечных панелей изготавливается из кремния, что делает их производство экологически небезопасным. Этот фактор является одной из главных причин торможения быстрого развития в мире солнечных транспортных технологий.

Перспективы развития

Часто возникает вполне резонный вопрос — кто водит солнечные автомобили и когда, на дорогах их не видно. Необходимо понимать, что на данном этапе разработок подобные модели являются штучными изделиями и в промышленное производство пока не идут. Для инженеров важно определить уровень возможностей подобной техники и создать конкурентоспособные образцы по доступным ценам.

Электромобиль на солнечных батареях — экспериментальная, во многом «сырая» конструкция, которая находится в стадии активной разработки. Пока еще ни солнечная панель для автомобиля, ни электродвигатели не могут соперничать с двигателями внутреннего сгорания в отношении мощности и скорости.

Существуют разные варианты конструкции, от общего двигателя до мотор-колес, обеспечивающих самостоятельный привод для каждого колеса. Высокие перспективы не позволяют конструкторам отказываться от работы, а полученные результаты демонстрируют успех и стимулируют дальнейшие исследования.

История развития

Впервые на широкое обозрение такой агрегат был представлен еще в середине 20 века. Однако из-за своего несовершенства, он недолго продержался на пике популярности и был забыт на долгие годы.

Повторные исследования в этой области начались только в 90-е годы, поскольку КПД солнечных панелей удалось поднять до 15%. Вначале эксперименты ставили одиночные изобретатели, а затем подключились и представители крупных автомобильных компаний. Благодаря современным разработкам, удалось получить солнечные панели с коэффициентом полезного действия до 36%. Это позволило сделать настоящий прорыв в сфере их практического применения.

Использование солнечных батарей в автомобилестроении повлекло за собой развитие новых технологий, направленных на снижение механических потерь, уменьшение массы автомобиля, повышение их эффективности в целом. Кузова таких автомобилей изготавливаются из легких и высокопрочных композитных материалов, а установленные шины имеют самое низкое сопротивление силе качения. На новых электрокарах отрабатываются последние новинки и достижения автомобильной промышленности.

Современные электромобили оснащаются облегченными электродвигателями, работающими на постоянном токе. В них используется бесколлекторная конструкция, а для изготовления полюсов применяются редкоземельные магнитные металлы. Чтобы максимально исключить механические потери, в некоторых моделях трансмиссии оборудуются так называемыми мотор-колесами, когда каждое колесо работает от собственного мотора.

Серьезным достижение являются тонкие солнечные панели, которые могут устанавливаться на любых поверхностях автомобиля, увеличивая тем самым площадь приема солнечной энергии. Подобные конструкции стали применяться и в обычных автомобилях как дополнение к основной системе энергообеспечения.

Солнечная панель на крышу автомобиля

Солнечные панели используются не только для соответствующих автомобилей, перемещающихся на солнечной энергии. Они используются и обычными автолюбителями для подзарядки аккумуляторов, питания ноутбуков, мобильных устройств или походной бытовой техники. Широко распространены солнечные батареи для автодома, обеспечивающие энергией все устройства во время стоянки и получающие заряд в светлое время суток. Они могут работать и во время движения, что расширяет возможности и позволяет эффективнее использовать световой день.

Существуют специальные разработки, предназначенные для монтажа на крышу автомобиля. Это гибкие фотоэлектрические панели, повторяющие форму крыши машины и не ухудшающие аэродинамику автомобиля. Исчезает риск срыва панелей от сильного встречного потока или порыва бокового ветра. Существуют и другие разработки, обладающие различными характеристиками и эксплуатационными особенностями.

Как преобразуется солнечная энергия

Действие электромобилей, питающихся энергией от солнечных панелей, основывается на превращении светового потока в электрический ток. Полученная таким образом электроэнергия, используется в качестве источника питания для двигателя, приводящего в движение автомобиль.

Непосредственное превращение энергии солнца в электрическую осуществляется за счет р-п проводимости, возникающей в солнечных фотоэлементах. Они производятся из кремния, расположенного в два слоя, к которым добавляются различные активные вещества.

Принципиальная схема солнечной панели включает в себя следующие компоненты и составные части:

В процессе изготовления верхний слой кремния покрывается фосфором. Это приводит к образованию п-слоя. Поверхность нижнего слоя покрывается бором, образующим р-слой. На участке соприкосновения обоих слоев возникает р-п-переход, определяющий степень проводимости тока в фотоэлементе. Определенное количество таких фотоэлементов объединяются в солнечную панель.
Под влиянием световой энергии, верхний слой кремния начинает производить дополнительные электроны с отрицательным зарядом, а в нижнем слое образуются положительно заряженные элементы – дырки. Эти дополнительные частицы с разноименными зарядами создают между слоями электрическое поле, что, в свою очередь, приводит к образованию разности потенциалов. Если каждый слой соединить с электродами, а к ним подключить нагрузку, то в образовавшейся цепи начнется течение электрического тока. Частицы с отрицательным зарядом начнут перемещаться вверх, а с положительным зарядом – вниз.

В данной системе можно подключить любую подходящую нагрузку, в том числе и электрический двигатель. Нормальная работа при любых режимах обеспечивается специальными электронными устройствами. В обязательном порядке потребуются аккумуляторы с определенной емкостью, способные выдавать установленную электрическую мощность. Подобная конструктивная схема может быть подключена к разным механическим агрегатам, в том числе и к приводу электромобиля.