Солнечный автомобиль или солнечный электромобиль — это электрическое транспортное средство, работающее полностью или в значительной степени за счет прямой солнечной энергии . Обычно фотоэлектрические элементы (PV), содержащиеся в солнечных панелях, преобразуют энергию солнца непосредственно в электрическую энергию .
Термин «солнечный автомобиль» обычно подразумевает, что солнечная энергия используется для питания всей или части тяги транспортного средства . Солнечная энергия может также использоваться для обеспечения питания для связи или управления или других вспомогательных функций.
В настоящее время солнечные транспортные средства не продаются как практичные повседневные транспортные средства, а в основном являются демонстрационными транспортными средствами и инженерными упражнениями, часто спонсируемыми государственными учреждениями. Однако косвенно заряжаемые от солнца транспортные средства широко распространены, а солнечные лодки доступны в продаже.
Солнечные автомобили — это электромобили , в которых для преобразования солнечного света в электрическую энергию используются фотоэлектрические элементы (PV) для зарядки аккумулятора автомобиля и питания электродвигателей автомобиля.
Солнечные автомобили были разработаны для гонок на солнечных автомобилях и для общественного пользования. Солнечные автомобили должны быть легкими и эффективными, чтобы получить максимальную дальность полета при их ограниченной мощности. Автомобили весом 1400 кг (3000 фунтов) или даже 1000 кг (2000 фунтов) были бы менее практичными, поскольку ограниченная солнечная энергия не позволила бы им уехать так далеко. Большинство солнечных автомобилей, построенных студентами, не обладают функциями безопасности и удобства обычных транспортных средств и, таким образом, не имеют права на использование на дорогах общего пользования.
Первый семейный автомобиль на солнечных батареях, Stella, был построен в 2013 году студентами в Нидерландах. [1] Этот автомобиль способен проехать 890 км (550 миль) на одной зарядке при солнечном свете. Он весит 390 кг (850 фунтов) и имеет солнечную батарею мощностью 1,5 кВт·ч.
Stella Lux , преемник Stella, побил рекорд, проехав 1500 км (932 мили) на одной зарядке. Во время гонок Stella Lux способна проехать 1100 км (700 миль) в светлое время суток. При скорости 72 км/ч (45 миль/ч) Stella Lux имеет бесконечный запас хода. Это снова из-за высокой эффективности, включая коэффициент лобового сопротивления 0,16.
Среднестатистической семье, которая никогда не проезжает больше 320 км (200 миль) в день, никогда не понадобится заряжать машину от сети. Они будут подключаться к сети только в том случае, если захотят вернуть энергию в сеть. [2] [3] [4] [5]
Гоночные автомобили на солнечных батареях часто оснащаются датчиками и/или беспроводной телеметрией для тщательного контроля энергопотребления автомобиля, захвата солнечной энергии и других параметров. Беспроводная телеметрия обычно предпочтительнее, поскольку она позволяет водителю сосредоточиться на вождении, что может быть опасно в таком автомобиле без функций безопасности. Система солнечного электромобиля была спроектирована и спроектирована как простая в установке (2–3 часа) интегрированная система аксессуаров с индивидуально отлитым низкопрофильным солнечным модулем, дополнительным аккумуляторным блоком и системой управления зарядом.
Некоторые из студентов, создавших Stella Lux, основали компанию Lightyear для коммерциализации этой технологии.
Американская компания Aptera Motors также была основана для производства эффективных солнечных электромобилей для населения. По состоянию на январь 2023 года, первая доступность для клиентов ожидается в 2024 году. [6]
В Германии компания Sono Motors работала над электромобилем на солнечных батареях Sono Motors Sion , который должен был появиться на рынке в 2023 году. Однако в феврале 2023 года Sono Motors закрыла программу Sion и объявила, что сосредоточится исключительно на деятельности компании в области солнечных технологий.
Обратите внимание, что все электромобили с питанием от аккумуляторов могут также использовать для подзарядки электроэнергию от внешних солнечных батарей. Такие батареи также могут быть подключены к общей электрораспределительной сети.
Squad Solar — это местный электромобиль Side-by-Side с солнечной крышей, который можно заряжать относительно быстро от обычной розетки. [7]
.jpg/1280px-Squad_Solar_Car_(Fully_Charged_2022).jpg)
Солнечные автобусы приводятся в движение солнечной энергией, которая полностью или частично собирается со стационарных установок солнечных панелей. Автобус Tindo — это полностью солнечный автобус, который работает как бесплатный общественный транспорт в городе Аделаида по инициативе городского совета. [8] Автобусные перевозки, которые используют электрические автобусы , частично работающие от солнечных панелей, установленных на крыше автобуса, призванные сократить потребление энергии и продлить жизненный цикл аккумуляторной батареи электрического автобуса, были введены в действие в Китае. [9]
Солнечные автобусы следует отличать от обычных автобусов, в которых электрические функции автобуса, такие как освещение, отопление или кондиционирование воздуха, но не сама тяга, питаются солнечной энергией. Такие системы более распространены, поскольку они позволяют автобусным компаниям соблюдать определенные правила, например, законы против холостого хода , которые действуют в нескольких штатах США, и могут быть модернизированы для существующих аккумуляторных батарей транспортных средств без замены обычного двигателя.
Солнечные панели на полуприцепах были протестированы. На 53-футовом прицепе-фургоне имеется более 100 квадратных метров или более 1000 квадратных футов поверхности для солнечных панелей, сверху и по бокам. [10] [11]
Первые солнечные «автомобили» на самом деле были трехколесными велосипедами или квадроциклами, построенными с использованием велосипедной технологии. Их называли соляромобилями на первой солнечной гонке Tour de Sol в Швейцарии в 1985 году. Из 72 участников половина использовала исключительно солнечную энергию, а другая половина использовала гибриды, работающие на солнечной энергии и энергии человека. Было построено несколько настоящих солнечных велосипедов, либо с большой солнечной крышей, либо с небольшой задней панелью, либо с прицепом с солнечной панелью.
Позже были построены более практичные солнечные велосипеды со складными панелями, которые можно было устанавливать только во время парковки. Еще позже панели оставляли дома, они подключались к электросети, а велосипеды заряжались от сети. Сегодня доступны высокоразвитые электрические велосипеды , и они потребляют так мало энергии, что эквивалентное количество солнечной электроэнергии стоит недорого. «Солнечная» система превратилась из реального оборудования в косвенную систему учета. Та же система работает и для электрических мотоциклов, которые также были впервые разработаны для Tour de Sol .
Venturi Astrolab в 2006 году стал первым в мире коммерческим электро-солнечным гибридным автомобилем, и первоначально его выпуск планировался на январь 2008 года. [12]
В мае 2007 года партнерство канадских компаний во главе с Hymotion изменило Toyota Prius , чтобы использовать солнечные батареи для генерации до 240 Вт электроэнергии при полной солнечной погоде. Сообщается, что это позволяет проехать до 15 км больше в солнечный летний день [13] при использовании только электродвигателей.
Изобретатель из Мичигана, США, построил в 2005 году разрешенный к использованию на дорогах общего пользования, лицензированный, застрахованный и работающий от солнечной энергии электрический скутер. Он развивал максимальную скорость чуть более 30 миль в час и использовал складные солнечные панели для зарядки аккумуляторов во время парковки. [14]
Фотоэлектрические модули используются в коммерческих целях в качестве вспомогательных силовых установок на легковых автомобилях [15] для вентиляции автомобиля, снижая температуру салона, когда он припаркован на солнце. Такие транспортные средства, как Prius 2010 года , Aptera 2 , Audi A8 и Mazda 929 , имели солнечные люки для вентиляции.
Площадь фотоэлектрических модулей, необходимых для питания автомобиля с обычной конструкцией, слишком велика, чтобы перевозить их на борту. Был построен прототип автомобиля и прицепа под названием Solar Taxi. Согласно веб-сайту, он способен проехать 100 км/день, используя 6 м 2 стандартных кристаллических кремниевых ячеек. Электричество хранится с помощью никель-солевой батареи . Однако для зарядки обычных электромобилей можно использовать стационарную систему, например, солнечную панель на крыше.
Также возможно использовать солнечные панели для увеличения запаса хода гибридного или электрического автомобиля, как это реализовано в Fisker Karma , доступном в качестве опции на Chevy Volt , на капоте и крыше модификаций "Destiny 2000" Pontiac Fieros , Italdesign Quaranta, Free Drive EV Solar Bug и многочисленных других электромобилей, как концептуальных, так и серийных. В мае 2007 года партнерство канадских компаний во главе с Hymotion добавило фотоэлементы к Toyota Prius, чтобы увеличить запас хода. [16] SEV заявляет о 32 км (20 миль) в день от их объединенного модуля на 215 Вт·ч, установленного на крыше автомобиля, и дополнительной батареи на 3 кВт·ч.
9 июня 2008 года президенты Германии и Франции объявили о плане предложить кредит в размере 6–8 г/км выбросов CO2 для автомобилей, оснащенных технологиями, «еще не принятыми во внимание в ходе стандартного цикла измерения выбросов автомобиля». [17] Это породило предположения о том, что фотоэлектрические панели могут быть широко распространены на автомобилях в ближайшем будущем. [18]
Также технически возможно использовать фотоэлектрическую технологию (в частности, термофотоэлектрическую (TPV) технологию) для обеспечения движущей силы для автомобиля. Топливо используется для нагрева излучателя. Генерируемое инфракрасное излучение преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрического элемента с малой шириной запрещенной зоны (например, GaSb). Был даже построен прототип гибридного автомобиля TPV. «Viking 29» [19] был первым в мире автомобилем с термофотоэлектрическим (TPV) питанием, разработанным и построенным Институтом исследований транспортных средств (VRI) в Университете Западного Вашингтона. Эффективность должна быть увеличена, а стоимость снижена, чтобы сделать TPV конкурентоспособной с топливными элементами или двигателями внутреннего сгорания.
Несколько концепций персонального скоростного транспорта (PRT) включают фотоэлектрические панели.
Железные дороги представляют собой вариант с низким сопротивлением качению, который будет полезен для запланированных поездок и остановок. [20] Фотоэлектрические панели были испытаны в качестве ВСУ на итальянском подвижном составе в рамках проекта ЕС PVTRAIN. Прямая подача в сеть постоянного тока позволяет избежать потерь за счет преобразования постоянного тока в переменный. [21] Сети постоянного тока можно найти только в электрифицированном транспорте: железных дорогах, трамваях и троллейбусах. По оценкам, преобразование постоянного тока из фотоэлектрических панелей в переменный ток сети (AC) приводит к потере около 3% электроэнергии. [22]
Компания PVTrain пришла к выводу, что наибольший интерес к использованию фотоэлектрических систем на железнодорожном транспорте представляют грузовые вагоны, где бортовая электроэнергия обеспечивает новые функциональные возможности:
На узкоколейной линии Кишмарош – Киралирет недалеко от Будапешта построили работающий на солнечной энергии вагон под названием «Вили». С максимальной скоростью 25 км/ч «Вили» приводится в движение двумя двигателями мощностью 7 кВт, способными к рекуперативному торможению, и питается от 9,9 м2 фотоэлектрических панелей. Электричество хранится в бортовых батареях. [23] В дополнение к бортовым солнечным панелям, есть возможность использовать стационарные (внешние) панели для выработки электроэнергии специально для использования на транспорте. [24]
Несколько пилотных проектов также были построены в рамках проекта «Heliotram», например, трамвайные депо в Ганновере Лейнхаузене [25] и Женеве (Баше де Песай). [26] Женевский участок мощностью 150 кВт p подавал 600 В постоянного тока непосредственно в трамвайную/троллейбусную электрическую сеть, обеспечивая около 1% электроэнергии, используемой транспортной сетью Женевы на момент ее открытия в 1999 году. 16 декабря 2017 года в Новом Южном Уэльсе, Австралия, был запущен полностью работающий на солнечной энергии поезд . [27] Поезд питается от бортовых солнечных панелей и бортовых аккумуляторных батарей. Он вмещает 100 сидячих пассажиров на расстояние 3 км.
Недавно Имперский колледж Лондона и благотворительная экологическая организация 10:10 объявили о проекте Renewable Traction Power, направленном на исследование использования солнечных панелей на рельсах для питания поездов. [28] Тем временем индийские железные дороги объявили о своем намерении использовать бортовые фотоэлектрические панели для работы систем кондиционирования воздуха в железнодорожных вагонах. [29] Кроме того, индийские железные дороги объявили о проведении пробного запуска к концу мая 2016 года. [30] Компания надеется, что в среднем будет экономиться 90 800 литров дизельного топлива на поезд в год, что, в свою очередь, приведет к сокращению выбросов CO2 на 239 тонн .
Суда на солнечных батареях в основном ограничивались реками и каналами, но в 2007 году экспериментальный 14-метровый катамаран Sun21 пересек Атлантику от Севильи до Майами, а оттуда — в Нью-Йорк. [31] Это было первое пересечение Атлантики, выполненное исключительно на солнечной энергии. [32]
Крупнейшая судоходная компания Японии Nippon Yusen KK и Nippon Oil Corporation заявили, что солнечные панели, способные генерировать 40 киловатт электроэнергии, будут размещены на крыше 60 213-тонного судна-автомобилевоза , которое будет использоваться Toyota Motor Corporation . [33] [34] [35]
В 2010 году была представлена яхта -катамаран Tûranor PlanetSolar длиной 30 метров и шириной 15,2 метра , работающая на 470 квадратных метрах солнечных панелей. На сегодняшний день это самая большая лодка на солнечных батареях, когда-либо построенная. [36] В 2012 году PlanetSolar стала первым в истории электромобилем на солнечных батареях, совершившим кругосветное путешествие . [37]
Были созданы различные демонстрационные системы. Любопытно, что ни одна из них пока не использует преимущества огромного прироста мощности, который может дать водяное охлаждение.
Низкая плотность мощности современных солнечных панелей ограничивает использование судов, работающих на солнечной энергии; однако лодки, использующие паруса (которые не генерируют электричество в отличие от двигателей внутреннего сгорания), используют аккумуляторную батарею для электроприборов (таких как охлаждение, освещение и связь). Здесь солнечные панели стали популярными для подзарядки аккумуляторов, поскольку они не создают шума, требуют топлива и часто могут быть легко добавлены к существующему пространству на палубе. [38]
Солнечные корабли могут относиться к дирижаблям, работающим на солнечной энергии, или гибридным дирижаблям. [39]
Существует значительный военный интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА); солнечная энергия позволила бы им оставаться в воздухе в течение месяцев, став гораздо более дешевым средством выполнения некоторых задач, которые сегодня выполняют спутники. В сентябре 2007 года был зарегистрирован первый успешный полет в течение 48 часов при постоянном питании БПЛА. [40] Это, вероятно, будет первым коммерческим использованием фотоэлектрических элементов в полете.
Было построено много демонстрационных самолетов на солнечных батареях, некоторые из которых наиболее известны компанией AeroVironment . [41]
Канадский стартап Solar Ship, Inc. разрабатывает гибридные дирижабли на солнечных батареях, которые могут работать только на солнечной энергии. Идея заключается в создании жизнеспособной платформы, которая может путешествовать в любую точку мира, доставляя холодные медицинские принадлежности и другие необходимые предметы в места в Африке и Северной Канаде без необходимости в каком-либо топливе или инфраструктуре. Надежда заключается в том, что технологические разработки в области солнечных батарей и большая площадь поверхности, обеспечиваемая гибридным дирижаблем, достаточны для создания практичного самолета на солнечных батареях. Некоторые ключевые особенности Solarship заключаются в том, что он может летать только на аэродинамической подъемной силе без какого-либо подъемного газа, [ проверка не пройдена ], а солнечные батареи вместе с большим объемом оболочки позволяют переоборудовать гибридный дирижабль в мобильное убежище, которое может заряжать батареи и другое оборудование. [44]
Hunt GravityPlane (не путать с наземным гравитационным самолетом ) — это планер с гравитационным приводом, предлагаемый компанией Hunt Aviation в США. [45] Он также имеет крылья с аэродинамическим профилем, что улучшает его аэродинамическое качество и делает его более эффективным. GravityPlane требует больших размеров, чтобы получить достаточно большое соотношение объема к весу для поддержки этой конструкции крыла, и ни один пример еще не был построен. [46] В отличие от планера с двигателем , GravityPlane не потребляет энергию во время фазы набора высоты полета. Однако он потребляет энергию в точках, где он меняет свою плавучесть между положительными и отрицательными значениями. Хант утверждает, что это, тем не менее, может повысить энергоэффективность аппарата , аналогично улучшенной энергоэффективности подводных планеров по сравнению с обычными методами движения. [46] Хант предполагает, что низкое энергопотребление должно позволить аппарату собирать достаточно энергии, чтобы оставаться в воздухе неограниченно долго. Обычный подход к этому требованию — использование солнечных панелей в самолете, работающем на солнечной энергии . Хант предложил два альтернативных подхода. Один из них — использовать ветряную турбину и собирать энергию из воздушного потока, создаваемого планирующим движением, другой — тепловой цикл для извлечения энергии из разницы температур воздуха на разных высотах. [46]
Солнечная энергия часто используется для питания спутников и космических аппаратов, работающих во внутренней солнечной системе, поскольку она может поставлять энергию в течение длительного времени без избыточной массы топлива. Спутник связи содержит несколько радиопередатчиков, которые работают непрерывно в течение его жизни. Было бы неэкономично эксплуатировать такой аппарат (который может находиться на орбите годами) от первичных батарей или топливных элементов , а дозаправка на орбите нецелесообразна. Однако солнечная энергия обычно не используется для корректировки положения спутника, и полезный срок службы спутника связи будет ограничен запасом топлива для поддержания станции на борту.
Несколько космических аппаратов, работающих на орбите Марса, использовали солнечную энергию в качестве источника энергии для своей двигательной установки.
Все современные космические аппараты на солнечных батареях используют солнечные панели в сочетании с электрическими двигателями , обычно ионными двигателями , поскольку это обеспечивает очень высокую скорость истечения и снижает расход топлива по сравнению с ракетой более чем в десять раз. Поскольку топливо обычно является самой большой массой на многих космических аппаратах, это снижает стоимость запуска.
Другие предложения для солнечных космических аппаратов включают солнечный тепловой нагрев топлива, как правило, водорода или иногда воды. Электродинамический трос может использоваться для изменения ориентации спутника или корректировки его орбиты.
Еще одна концепция солнечного движения в космосе — световой парус ; он не требует преобразования света в электрическую энергию, а вместо этого напрямую полагается на небольшое, но постоянное давление излучения света.
Возможно, наиболее успешными транспортными средствами на солнечной энергии были «роверы», которые использовались для исследования поверхности Луны и Марса. Программа «Луноход» 1977 года и « Марсианский следопыт» 1997 года использовали солнечную энергию для движения дистанционно управляемых транспортных средств. Срок службы этих марсоходов намного превышал пределы выносливости, которые были бы установлены, если бы они работали на обычном топливе. Два марсохода Mars Exploration также использовали солнечную энергию.
Швейцарский проект под названием «Solartaxi» совершил кругосветное путешествие. Это был первый раз в истории, когда электромобиль (не самодостаточный солнечный автомобиль) объехал весь мир, преодолев 50000 км за 18 месяцев и пересек 40 стран. Это был пригодный для дорог электромобиль, буксирующий прицеп с солнечными батареями, несущий солнечную батарею размером 6 м2 . Solartaxi оснащен аккумуляторами Zebra , которые обеспечивают запас хода 400 км без подзарядки. Автомобиль также может проехать 200 км без прицепа. Его максимальная скорость составляет 90 км/ч. Автомобиль весит 500 кг, а прицеп — 200 кг. По словам инициатора и директора тура Луи Палмера , автомобиль в серийном производстве может быть произведен за 16000 евро.
Solartaxi гастролировал по миру с июля 2007 года по декабрь 2008 года, чтобы показать, что существуют решения, которые остановят глобальное потепление, и побудить людей искать альтернативы ископаемому топливу . [52] Палмер предполагает, что наиболее экономичным местом для солнечных панелей для электромобиля являются крыши зданий, [53] сравнивая это с тем, как положить деньги в банк в одном месте и снять их в другом. [54]
Solar Electrical Vehicles [55] добавляет выпуклые солнечные элементы на крышу гибридных электромобилей. [56]
Интересным вариантом электромобиля является тройной гибридный автомобиль — PHEV , который также оснащен солнечными панелями.
Модель Toyota Prius 2010 года имеет возможность установки солнечных панелей на крыше. Они питают систему вентиляции во время стоянки, помогая обеспечить охлаждение. [57] Существует множество применений фотоэлектрических элементов в транспорте, как для движущей силы, так и в качестве вспомогательных силовых установок , особенно там, где требования к топливу, обслуживанию, выбросам или шуму исключают двигатели внутреннего сгорания или топливные элементы. Из-за ограниченной площади, доступной на каждом транспортном средстве, либо скорость, либо запас хода, либо и то, и другое ограничены при использовании в качестве движущей силы.
Существуют ограничения по использованию фотоэлектрических элементов (ФЭ) в транспортных средствах:
приземлился в 15:04 по британскому летнему времени ... в пятницу ... взлетел ... в 14:40 по британскому летнему времени (06:40 по местному времени) в пятницу, 9 июля
