Ювелирное обозрение

Постоянное развитие и увеличение производства автомобилей, рано или поздно приведет к тому, что имеющихся запасов нефти будет недостаточно для нормального обеспечения горюче-смазочными материалами. В связи с этим проводятся исследования с целью решения этой проблемы, и одним из таких направлений с недавних пор стал автомобиль на солнечных батареях. Для того чтобы выяснить перспективы его широкого внедрения, необходимо знать принцип действия, конструктивные особенности, достоинства и недостатки электромобильных устройств.

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.

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.

Особенности конструкции

Электромобили, работающие на солнечных батареях, существенно отличаются от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Прежде всего, это конструктивные особенности и специфический внешний вид. Благодаря такой конструкции, на корпусе машины удается разместить максимальное количество панелей, повышая тем самым производительность и эффективность агрегата.

Основным элементом электрокара служат фотоэлектрические солнечные батареи. В настоящее время их КПД в среднем составляет примерно 12%, накладывая серьезные ограничения на возможность внедрения тех или иных конструктивных решений. Как показали исследования, для серийного выпуска солнечных авто необходимы панели с эффективностью не менее 50%.

В настоящее время уровень технологий не позволяет создавать такие энергетические установки. Некоторое улучшение параметров и технических характеристик возможно за счет снижения веса автомобиля, улучшения его аэродинамических качеств, применения новейших систем управления на базе микропроцессоров. Большую роль в повышении КПД машины играют электродвигатели, созданные по современным инновационным технологиям.

Стандартная машина на солнечной батарее включает в себя следующие составные части и компоненты:

• Солнечные панели с фотоэлементами.
• Аккумулятор, накапливающий энергию, которая расходуется при слабом солнечном свете и в темное время суток.
• Электрический двигатель, соединяющийся с ведущими колесами. Уменьшение трансмиссионных компонентов позволяет максимально снизить потери мощности в промежуточных звеньях. Как правило, в электромобилях используются агрегаты постоянного тока с низкими оборотами и КПД до 98%.
• Блок управления, перераспределяющий электричество, полученное от действия солнечной энергии. Часть тока затрачивается на движение, а другая часть поступает в аккумуляторную батарею и накапливается в ней. Кроме того, данный блок регулирует сами панели, их параметры и функциональность, ориентирует относительно солнца, обеспечивает своевременное охлаждение.
• Современное шасси включает в себя инновационные колеса с минимальным коэффициентом сопротивления качению.

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 Просмотров: 6214

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.

Срок службы солнечных модулей составляет около 30 лет. Производители традиционных солнечных панелей, как правило, предоставляют 10-летнюю гарантию на свою продукцию. Однако, загвоздка эффективного использования данных элементов в электротранспорте заключается в том, что большая часть фотоэлектрических панелей предназначена для стационарной установки, и не способна противостоять вибрациям. Кроме того, солнечные батареи довольно габаритные и значительно утяжеляют конструкцию транспортного средства.

КПД большей часть солнечных элементов составляет 10 %, и только некоторых – 15 %. Поэтому, солнцемобили смогут конкурировать с бензиновыми автомобилями только после выпуска более совершенных и менее дорогих солнечных батарей с КПД не ниже 50 %.

Принцип работы солнечных батарей, используемых в солнечных транспортных средствах, заключается в производстве постоянного тока при попадании солнечного светового излучения на их кремниевые пластины. При конструирование массива солнечных батарей используют десятки таких пластин, поскольку единичная кремниевая пластина не способна производить значительных токов. Логично, что суммарная мощность солнечных батарей зависит от общего количества используемых в ней кремниевых пластин и площади создаваемой ими поверхности. Производительность работы солнечных батарей прямо зависит от интенсивности излучения солнца и угла размещения солнечных модулей.

Вырабатываемый солнечными батареями электрическая энергия накапливается в дневное время в дополнительных, установленных в транспортном средстве, аккумуляторах, и в последующем используется в целях его перемещения.
Применение фотоэлектрических элементов позволяют существенно повысить запас хода электрического транспорта без подзарядки его тяговых аккумуляторов от электросети.

Типы солнечных транспортных средств

Солнечные автомобили (электромобили на солнечных батареях)

В солнечных автомобилях применяются фотоэлектрические элементы для преобразования солнечной энергии в электричество, которое в последующем питает электрический двигатель. Как правило, солнечные автомобили передвигаются благодаря солнечному свету днем, и в ночное время используют энергию стандартных аккумуляторных батарей.

Конструкция солнечных автомобилей отличается от традиционной. Практически весь их внешний корпус покрыт солнечными панелями. Поскольку солнечные панели довольно габаритные, производители данных транспортных средств делают все возможное для улучшения аэродинамики и уменьшения общей массы солнцемобилей. Большинство практических моделей солнечных автомобилей рассчитаны для перевозки одного или двух пассажиров.

Первая модель солнечного автомобиля, разработанная Уильямом Кообом, была представлена на международной выставке в Чикаго ещё в 1955 году. Создатель данного транспортного средства уверял всех, что солнцемобили ждет светлое будущее, и в скором времени ими будут насыщены все мировые автомагистрали. Казалось, Кооб бы прав, но почему-то все сложилось не так, как предполагалось. Финансирование проекта развития солнечных автомобилей было закрыто под воздействием крупной автомобилестроительной компании «Ford». И только в 80-х гг., когда мировая общественность реально обеспокоилась состоянием экологии, к идеи производства солнечных автомобилей вновь возвратились.

Первый серийный солнцемобиль Venturi Astrolab был выпущен в 2006 году. Модель оснастили асинхронным электрическим двигателем, мощностью в 16 кВт и крутящим моментов 50 Нм, 7 кВт∙ч никель-металл-гибридным акумулятором и 600 Вт панельной солнечной батареей.

Как уже говорилось ранее, солнечные батареи могут состоять из десятков фотоэлектрических элементов, способных преобразовывать солнечный свет в электричество. С отдельных фотоэлементов формируют модули, при размещении которые вместе образуется массив солнечной панели. Большие массивы солнечных панелей способны производить более 2 кВт электроэнергии.

Размещение солнечных батарей в солнцемобилях может быть:

• горизонтальным. Это наиболее распространенный тип рассположения солнечных панелей в солнцемобилях. Как правило, они интегрированы в данных транспортных средствах в виде свободного навеса.
• вертикальным. Такое расположение массива фотоэлектрических элементов встречается намного реже горизонтального. Обычно, размещение такого плана свойственно транспортным средствам, которые для обеспечения своей работы помимо солнечной энергии используют энергию ветра.
• с регулируемым наклоном.
• интегрированным по всей внешней поверхности транспортного средства. В некоторых видах автомобилей производители покрывают фотоэлектрическими элементами каждый сантиметр внешней корпусной конструкции, при этом одни фотоэлементы всегда находятся под воздействием солнца, а другие – в тени.
• удаленным

Типичный солнцемобиль может проехать около 400 км на энергии, выработанной на протяжении дня солнечной батареей. Рекордсменом по скоротным характеристикам среди солнечных автомобилей является модель Sunswift IV, которая была разработана группой студентов Университета Нового Южного Уэльса. Данный солнцемобиль способен разгоняться до 88,8 км/ч. Рекордные показатели скорости проекта Sunswift IV были зафиксированы и занесены в Книгу рекордов Гиннеса 7 января 2011 года, а самим студентам-создателям был вручен сертификат, подтверждающий уникальность их разработки. Мощность солнечной панели, установленной на автомобиле, составляла 1200 Вт, что равно потребляемой мощности обычного фена для сушки волос.

Солнцемобиль Sunswift IV побил рекорд скорости, ранее установленный автомобилем Sunraycer компании General Motors.

Солнечными являются электрические автобусы, двигатели которых в значительной степени питаются от солнечных панелей, установленных на крыше. Применения в автобусах солнечных панелей позволяет уменьшить уровень потребнения энергии и продлить жизненный цикл их тяговых аккумуляторных батарей.

Солнечные автобусы не имеют ничего общего с обычными автобусами, в которых солнечные элементы используются для обеспечения дополнительного питания транспортных аксессуаров (системы отопления, кондиционера и т.д.). Такая дополнительная комплектация автобусов на сегодняшний день наиболее расспространена.

Солнечные велосипеды и мотоциклы

Мало кому известно, что первыми транспортными средствами, которые начали оснащать солнечными элементами, были электрические велосипеды, при чем, в большинстве разработок применялись трехколесные конструкции велосипедов. Солнечные фотоэлементы устанавливали в данных транспортных средствах в виде навесной, довольно габаритной крыши, небольшой панели в задней, багажной части, в прикрепляемом к трициклу прицепе, или же по всей внешней поверхности обтекаемой крыши (последняя комплектация характерна только для закрытых моделей). Немного позже была создана модель солнечного велосипеда с портативной складной солнечной панелью, с помощью которой можно было заряжать тяговые аккумуляторы во время стоянок.

Солнечные велосипеды представляют собой гибриды электрических моделей, в них наряду с традиционным электрооборудованием велосипедов используются солнечные панельные элементы. Солнечные батареи, преобразующие световой поток в электроэнергии, обеспечивают подзарядку тяговых аккумуляторов как во время движения, так и на стоянках. Аналогичная система подзарядки от солнечного света применяется и в солнечных мотоциклах.

Первый полностью солнечный велосипед, способный передвигать исключительно за счет солнечных лучей, был разработан в 2006 году канадцем Питером Сандлером. Изобретение получило название E-V Sunny Bicycle. В данной модели солнечные батареи были интегрированы в колеса. Вырабатываемая солнечными батареями энергия позволяла велосипеду разгоняться до 30 км/ч.

Использование солнечных элементов в железнодорожном, водном транспорте

В настоящее время ряд стран практикует установку систем солнечных батарей вдоль определенных электрофицированных участков железной дороги. Тоннели из солнечных батарей обеспечивают электроэнергией поезда, проносящиеся мимо даже на сверхскоростях. Такие солнечные установки способны производить тысячи мегаватт-часов электроэнергии. Подобный тоннель из солнечных батарей длиной в 3,4 км успешно функционируют, к примеру, между Парижем и Амстердамом.

Солнечными панелями снабжают также и сами поезда. Ярким примером является курсирующий в Индии локомотив под названием «Королева Гималаев» между станциями Калка и Шимла. Этот поезд оснащен 100 Вт солнечными панелями, позволяющими ему ездить на одной подзарядке около двух суток.

Донедавна солнечные лодки ограничивались лишь реками и каналами, но в 2007 году, солнечная лодка «Sun 21» совершила первый экспериментальный длительный рейс. Она пересекла Атлантический океан всего за 29 дней, благодаря чему попала в Книгу рекордов Гиннеса за совершение самого быстрого в мире трансатлантического перехода, только благодаря солнечной энергии. Солнечная лодка была оснащена солнечными батареями, энергия которых позволяла двигаться с стабильной скоростью 10-12 км/ч круглосуточно.

В мае 2012 года завершилось кругосветное путешествие солнечного катера Turanor PlanetSolar. Солнечное судно, длиной в 30 метров, и шириной – 15,2 метра, вышло из порта Монако в сентябре 2010 года. Это первое кругосветное путешествие, совершенное исключительно на солнечной энергии. Turanor PlanetSolar – крупнейшее водное транспортное средство из когда-либо построенных.

Воздушные транспортные средства

Инженеры всего мира работают над созданием воздушных транспортных средств, оснащенных солнечными батареями. На сегодняшний день среди солнечного воздушного транспорта наиболее распространены солнечные и гибридные дирижабли.
Особый интерес представляют разработка беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Солнечная энергия могла бы позволить им оставаться в воздухе даже в течении нескольких месяцев. Такие воздушные транспортные средства могли бы решать некоторые задачи, аналогичные спутниковым.

Первый успешный экспериментальный 48 часовый полет солнечного беспилотника был совершен в сентябре 2007 года.

В 2010 году в Швейцарии солнечный самолет совершил 26-часовый испытательный полет, который начался в 7 утра 8 июля и закончился в 9 утра следующего дня. Самолет вначале поднялся на высоту около 8500 метров, и в течении вечера опустился на высоту 1500 метра, где и остался на всю ночь. Спустя всего 15 дней, 23 июля 2010 года британская оборонная компания QinetiQ организовала експериментальный полет своей модели солнечного сверхлегкого беспилотного летательного апарата Zephyr-6. Этот полет стал рекордным – беспилотный летательный аппарат, весом в 30 кг, провел в воздухе больше двух недель (336 часов), летая в небе Аризоны.

Солнечная энергия для космических аппаратов

Солнечная энергия часто используется в питании спутников и космических аппаратов, функционирующих внутри солнечной системы, поскольку она может служить энергетическим источником в течении довольно длительного периода времени без избытка массы топлива.

Спутники имеют на своем борту несколько радиопередатчиков, которым необходимо работать в постоянном режиме. Солнечная энергия, как правило, не используется для регулировки положения спутника, однако, применяется для поддержания процесса подачи топлива.

© Сергей Вольтер 2013
Любое копирование, перепечатка и распространение материалов статей без разрешения правообладателя запрещены и преследуются по закону. Нарушение авторских прав будет рассматриваться согласно статьи 52 Закона Украины «О авторском праве и смежных правах», статьи 176 Криминального Кодекса Украины, статьи 432 Гражданского кодекса Украины, статьи 51-2 Кодекса Украины об административных правонарушениях.