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1、第九章 太阳能汽车,太阳能电池发电原理 太阳能电池的发电原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P型硅和N型硅是电中性的。如果将P型硅或N型硅放在阳光下照射，光的能量通过电子从化学键中被释放，由此产生电子空穴对，但在很短的时间内（在微秒范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。,概 述,太阳能电池发电原理 对不同材料的太阳能电池，尽管光谱响应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。如图所示，在P-N结的内静电场作用下，N区的空穴向P区运动，而P区的电子向N区运动，最后造成在太阳能电池受光面（上表面）有大量负电荷（电子）积累，而在
2、电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。如在电池上、下表面引出金属电极，并用导线连接负载，在负载上就有电流通过。只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过。,概 述,太阳能电池发电原理,概 述,太阳能电池的特点 单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟，转换效率为15%17%。 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其转换率为12%14%。 硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高；成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染。,概 述,太阳能电池的特点 砷化镓化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较
3、高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单体电池。但是砷化镓材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了砷化镓电池的普及。 铜铟硒薄膜电池适合光电转换，不存在光衰退问题，转换效率和多晶硅一样，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。,概 述,太阳能电池的结构 在N型半导体的表面形成P型半导体，构成P-N结，即形成太阳能电池，形成的P区仅仅有13m，太阳光照射到它的表面，透过P区达到P-N结处就能够产生电动势，产生的电压约为0.5V。太阳能电池电流的大小与太阳光照射强度的大小，和太阳能电池面积的大小成正比。,概 述,太阳能电池的结构,概 述,车身和
4、底盘 1车身 太阳能汽车最具魅力的部分就是车身，光滑而又具有异域风情的外观是吸引人们眼球的重要部分。太阳能汽车是由若干主体部件组成的，由于没有统一的标准，每一辆太阳能汽车都各具特色。除了车子长度强制性要求的限制外，当我们设计太阳能汽车的主体时要让阻力达到最小值，而使太阳能与阳光的接触比达到最大值，且质量要尽量小，但安全系数尽量达到最高。,太阳能汽车的结构与原理,车身和底盘 2底盘 最初的挑战是如何制造出一个高效的太阳能汽车底盘，从而使其强度和安全度达到最佳，并且质量最小。每千克的质量都需要足够大的能量使其在路面上移动，这就意味着要力求使车子的质量减到最小，而这个关键部位就是汽车的底盘。然而，安
5、全是一项基本的要求，底盘必须具有严格的强度和安全系数要求。,太阳能汽车的结构与原理,车身和底盘 2底盘 太阳能汽车的底盘通常有3种类型：空间框架结构、半单体横造或碳纤维和单体横造。 （1）空间框架太阳能汽车的底盘，使用一个焊接或保护管结构用于支撑装载或车体。这种车体质量小，但不能装载，合成的外壳可以将分离的底盘组装起来。,太阳能汽车的结构与原理,车身和底盘 2底盘 （2）半单体横造或碳纤维太阳能汽车的底盘，使用合成横梁和空间隔开达到支撑装载的能力，而整合就不能支撑装载并承受一个整体的腹部底盘。 （3）单体横造太阳能汽车的底盘，使用躯体结构并用来支撑装载。,太阳能汽车的结构与原理,车身和底盘 3
6、所用材料 太阳能汽车中的复合材料得到广泛的应用。这种复合材料是由像三明治夹层一样的结构材料构成。碳纤维、凯夫拉(KEVLAR) 纤维和玻璃是普通的合成建筑材料，蜂窝状和泡沫塑料是常用的合成填充材料，这些材料用环氧基树脂保护起来，组合在具有KEVLAR和碳纤维的材料里，能够获得人们需要的强度材料（相当于钢的强度），且是非常轻质的材料。,太阳能汽车的结构与原理,驾驶控制系统 1发动机控制器 发动机控制器控制发动机的启动，而发动机启动信号来自驾驶员的加速装置。对发动机控制器的电力管理是通过程序来完成的。发动机的启动需要配备不同型号的发动机控制器。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
7、的电力系统，其中包括太阳能光伏阵列、蓄电池组、发动机控制器和发动机。,太阳能汽车的结构与原理,驾驶控制系统 2其他控制 大多数太阳能汽车是单座，这对驾驶员来说没有多少乐趣可言，但有的太阳能汽车也可搭乘一位乘客。驾驶员和乘客必须有安全装备，主要有护腕和头盔。另外，驾驶汽车时，驾驶员更为重要的职责是注意汽车的系统安全和观察仪表是否出现异常问题。,太阳能汽车的结构与原理,电力、驱动及机械系统 1电力系统 太阳能汽车的心脏部位是电力系统，它由蓄电池和太阳电能组成。电力系统控制器管理全部电力的供应和收集工作。 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
8、。电力系统最基本的功能是控制和管理整个系统中的电力。,太阳能汽车的结构与原理,电力、驱动及机械系统 1电力系统 （1）蓄电池。蓄电池是一种最轻便的电力资源，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。太阳能汽车启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，再充到蓄电池组内的。由于各种原因，大量的蓄电池作为能量被使用是有限的。,太阳能汽车的结构与原理,电力、驱动及机械系统 1电力系统 （2）太阳电能。人们生活中对电力的需求是有限的，但电力却是生活的必需品。太阳能汽车通过太阳能光伏组件给蓄电池充电。高效的电力经太阳能汽车阵列，
9、通过蓄电池的储存，可获得最大的能量。由一个及多个太阳能光伏电板串联起来，即可将电能转变成化学能储存电力，按照同样的方式可将所有光伏电池板连起来。,太阳能汽车的结构与原理,电力、驱动及机械系统 1电力系统 （2）太阳电能。 1）太阳能光电板。一个太阳能光电板能将太阳能转变为电能。光子在目光下产生能量带动电子从一个半运动金属粒子的一层转移到另一个层面，电子的运动产生了通用的电力。,太阳能汽车的结构与原理,电力、驱动及机械系统 1电力系统 （2）太阳电能。 2）太阳能阵列。太阳能阵列是太阳能汽车的一种资源，阵列由许多PV光电池板（通常有好几百个）组成。太阳能光电池板通过电线连接，由若干个电线串、并联
10、在一起，连接光电池片，从而达到蓄电池规定的电压。,太阳能汽车的结构与原理,电力、驱动及机械系统 2驱动器系统 在太阳能汽车里使用什么类型的发动机没有限制，一般额定的是25HP （1HP=0.75kW）。大多数太阳能汽车使用的发动机是双线圈交流无刷机，这种交流无刷机是相当轻质材料的机器，在额定转速（r/min）下达到98% 的使用效率。太阳能汽车有3种基本驱动类型：单减引导式驱动、变频履带式驱动、轴式驱动。,太阳能汽车的结构与原理,电力、驱动及机械系统 3机械系统 机械系统在太阳能汽车概念里是很简单的，但是我们在设计中，应尽量减少摩擦力和质量，根据不同的路况来设计需要的强度。轻质金属如铝合金和合
11、成金属是最常用的，可使质量和强度达到最优。一般针对质量和强度的比例制造高效率的组件。机械系统包括制动、转向盘和轮胎等。,太阳能汽车的结构与原理,太阳能汽车实例,太阳能汽车的典型结构 在太阳能汽车上，太阳能电池组收集太阳能，并通过光电转换器把它转换成电能。功率跟踪器监视太阳能采集格板和负荷之间的阻抗，使得在不同的天气或不同的负荷等各种情况下，汽车的驱动系统始终能工作在最佳效率。能量从功率跟踪器输入电动机，电动机通过直接减速驱动后轮，把那些剩余的能量存储于蓄电池中。,太阳能汽车实例,太阳能汽车的典型结构,太阳能汽车实例,太阳能汽车的典型结构,太阳能汽车实例,太阳能汽车的关键技术 1.太阳能采集格板
12、 多选用热塑料制成的太阳能采集格板，形状如图所示，太阳能电池就布置在格子中。目前在太阳能汽车上使用的太阳能电池一般有非晶态电池、地面硅电池、太空级硅电池和砷化锡电池等。由于太阳能汽车对能量的采集是有限的，必须严格控制能量的损失，所以在选择太阳能电池时应该考虑的是效率最大的那种。,太阳能汽车实例,太阳能汽车的关键技术 1.太阳能采集格板,太阳能汽车实例,太阳能汽车的关键技术 2.蓄电池 由俄罗斯里姆施塔特高等技术学校研制的太阳能汽车，蓄电池组采用10个串联的12V铅酸蓄电池，容量为40Ah，能量储备为4.8kWh，质量为125kg。由于比能量大的电池即便是隔热措施再好，也会释放出较多的热量，所以
13、一般在太阳能汽车上不予采用。,太阳能汽车实例,太阳能汽车的关键技术 3.电动机 为了实现所需的牵引功率和保证太阳能汽车能够在25%的坡道上行驶，要求电动机的最大功率不低于2kW。电动机的效率取决于所采用异步牵引电动机的功率和转速。当转速低于3000r/min时，相应的功率低于2kW。在功率范围为26kW、转速大于3000r/min的情况下，电动机的效率高于80%。在回收制动能量的再生工况下，异步电动机是作为发电机使用的。,太阳能汽车实例,太阳能汽车的关键技术 4.车身轻量化 减小质量对于太阳能汽车动力性的提高是至关重要的，太阳能汽车车身材料的选择原则是轻量并能吸收碰撞能量。如Sun runner汽车的车架用铝合金制成，车身外覆盖件使用碳纤维玻璃钢，它的密度为0.93kg/m2，表面覆盖层是光滑的精细织物；采用结实的织物用作内饰；在外覆盖件和内饰之间是厚度为9.512.7mm的蜂窝状夹层，其密度为28.9kg/m2。,太阳能汽车实例,
