Солнечное транспортное средство или солнечный электромобиль — это электромобиль, полностью или в значительной степени питающийся от прямой солнечной энергии . Обычно фотоэлектрические (PV) элементы, содержащиеся в солнечных панелях, преобразуют солнечную энергию непосредственно в электрическую энергию .
Термин «солнечное транспортное средство» обычно подразумевает, что солнечная энергия используется для питания всей или части силовой установки транспортного средства . Солнечная энергия также может использоваться для обеспечения электропитанием средств связи, управления или других вспомогательных функций.
В настоящее время солнечные автомобили не продаются как практичные повседневные транспортные средства, а представляют собой в основном демонстрационные автомобили и инженерные учения, часто спонсируемые государственными учреждениями. Тем не менее, автомобили с косвенной солнечной зарядкой широко распространены, а солнечные лодки доступны коммерчески.
Солнечные автомобили — это электромобили , в которых используются фотоэлектрические (PV) элементы для преобразования солнечного света в электроэнергию для зарядки аккумулятора автомобиля и питания электродвигателей автомобиля.
Солнечные автомобили были разработаны для гонок на солнечных батареях и для общественного использования. Солнечные транспортные средства должны быть легкими и эффективными, чтобы обеспечить максимальную дальность полета за счет ограниченной мощности. Транспортные средства массой 1400 кг (3000 фунтов) или даже 1000 кг (2000 фунтов) были бы менее практичными, поскольку ограниченная солнечная энергия не позволила бы им продвинуться так далеко. Большинству автомобилей, построенных студентами на солнечных батареях, не хватает функций безопасности и удобства, присущих обычным транспортным средствам, и поэтому их нельзя использовать на улице.
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 оснащен солнечной батареей мощностью 1,5 кВтч.
Stella Lux , преемница Stella, побила рекорд, проехав 1500 км (932 мили) на одном заряде. Во время гонок Stella Lux способна проехать 1100 км (700 миль) в светлое время суток. На скорости 72 км/ч (45 миль в час) Stella Lux имеет бесконечный запас хода. Это опять-таки связано с высокой эффективностью, включая коэффициент лобового сопротивления 0,16.
Среднестатистической семье, которая никогда не проезжает более 320 км (200 миль) в день, никогда не понадобится заряжать аккумулятор от сети. Они подключались бы к сети только в том случае, если бы хотели вернуть энергию в сеть. [2] [3] [4] [5]
Гоночные автомобили на солнечной энергии часто оснащаются датчиками и/или беспроводной телеметрией для тщательного мониторинга энергопотребления автомобиля, улавливания солнечной энергии и других параметров. Обычно предпочтительнее использовать беспроводную телеметрию, 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 низкопрофильным солнечным модулем, изготовленным по индивидуальному заказу, дополнительным аккумуляторным блоком и системой контроля заряда.
Некоторые из студентов, создавших Стеллу Люкс, 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 клиентов ожидается в 2024 году. [6]
В Германии компания Sono Motors работала над солнечным электромобилем Sono Motors Sion , который должен был появиться на рынке в 2023 году. Однако в феврале 2023 года Sono Motors прекратила программу Sion и объявила, что сосредоточится исключительно на том, чтобы стать Компания «Солнечные технологии».
Обратите внимание, что все электромобили с батарейным питанием также могут использовать для подзарядки электричество от внешних солнечных батарей. Такие массивы также могут быть подключены к общей распределительной электрической сети.
Squad Solar — это электромобиль, расположенный по соседству, с солнечной крышей, который можно относительно быстро заряжать 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 от стационарных солнечных батарей. Автобус Tindo — это автобус, полностью работающий на солнечной энергии, который работает в качестве бесплатного общественного транспорта в городе Аделаида по инициативе городского совета. [8] В Китае были созданы автобусные маршруты, в которых используются электрические автобусы , частично питающиеся от солнечных батарей, установленных на крыше автобуса, с целью снижения энергопотребления и продления срока службы аккумуляторной батареи электрического автобуса. [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 о борьбе с холостым ходом , действующие в нескольких штатах США, и могут быть модифицированы для существующих автомобильных аккумуляторов без замены обычного двигателя.
Первые солнечные «автомобили» на самом деле представляли собой трехколесные велосипеды или квадрациклы , построенные с использованием велосипедной технологии. На первой солнечной гонке Тур де Соль в Швейцарии в 1985 году их называли солнечными мобильными. 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: с большой солнечной крышей, небольшой задней панелью или прицепом с солнечной панелью.
Позже были созданы более практичные солнечные велосипеды со складными панелями, которые можно было устанавливать только во время парковки. Даже позже панели остались дома, питаясь от электросети, а велосипеды заряжались от сети. Сегодня доступны высокоразвитые электрические велосипеды , и они потребляют так мало энергии, что покупка эквивалентного количества солнечной электроэнергии обходится недорого. «Солнечная энергия» превратилась из реального оборудования в систему косвенного учета. Та же система работает и для электрических мотоциклов, которые также были впервые разработаны для Тур де Соль .
Venturi Astrolab, выпущенный в 2006 году, был первым в мире коммерческим электросолнечным гибридным автомобилем, выпуск которого первоначально должен был состояться в январе 2008 года. [10]
В мае 2007 года партнерство канадских компаний во главе с Hymotion переоборудовало Toyota Prius, чтобы использовать солнечные батареи для выработки до 240 Вт электроэнергии при ярком солнечном свете. Сообщается, что это позволяет увеличить запас хода до 15 км в солнечный летний день [11] при использовании только электродвигателей.
В 2005 году изобретатель из Мичигана, США, построил разрешенный для уличного движения, лицензированный, застрахованный электросамокат, заряжаемый от солнечной энергии. Его максимальная скорость составляла чуть более 30 миль в час, а для зарядки аккумуляторов во время парковки использовались складные солнечные панели. [12]
Фотоэлектрические модули применяются в промышленности в качестве вспомогательных силовых агрегатов на легковых автомобилях [13] для вентиляции автомобиля, снижения температуры салона во время его стоянки на солнце. Такие автомобили, как Prius 2010 года , Aptera 2 , Audi A8 и Mazda 929, имели люк на крыше с солнечной батареей для целей вентиляции.
Площадь фотоэлектрических модулей, необходимая для питания автомобиля традиционной конструкции, слишком велика, чтобы ее можно было перевозить на борту. Был построен прототип автомобиля и прицепа под названием Solar Taxi. Согласно веб-сайту, он способен проезжать 100 км/день, используя 6 м 2 стандартных элементов из кристаллического кремния. Электричество хранится с помощью никель-солевой батареи . Однако стационарную систему, такую как солнечная панель на крыше, можно использовать для зарядки обычных электромобилей.
Также возможно использовать солнечные панели для расширения запаса хода гибридного или электромобиля, как это заложено в Fisker Karma , доступном в качестве опции для Chevy Volt , на капоте и крыше модификаций Destiny 2000 Pontiac Fieros , Italdesign Quaranta, Free Drive EV Solar Bug и множество других электромобилей, как концептуальных, так и серийных. В мае 2007 года партнерство канадских компаний во главе с Hymotion установило фотоэлементы на Toyota Prius, чтобы расширить модельный ряд. [14] SEV заявляет, что проезжает 32 км (20 миль) в день благодаря комбинированному модулю мощностью 215 Втч, установленному на крыше автомобиля, и дополнительной батареей емкостью 3 кВтч.
9 июня 2008 года президенты Германии и Франции объявили о плане предоставления скидки на выбросы CO 2 в размере 6–8 г/км для автомобилей, оснащенных технологиями, «еще не принятыми во внимание во время стандартного цикла измерения выбросов автомобиля». ". [15] Это породило предположения, что фотоэлектрические панели могут получить широкое распространение в автомобилях в ближайшем будущем. [16]
Также технически возможно использовать фотоэлектрическую технологию (в частности, термофотоэлектрическую (TPV) технологию) для обеспечения движущей силы автомобиля. Топливо используется для нагрева излучателя. Генерируемое инфракрасное излучение преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрического элемента с узкой запрещенной зоной (например, GaSb). Был даже построен прототип гибридного автомобиля TPV. «Викинг 29» [17] был первым в мире автомобилем с термофотоэлектрическим двигателем (TPV), спроектированным и построенным Научно-исследовательским институтом транспортных средств (VRI) Университета Западного Вашингтона. Чтобы сделать TPV конкурентоспособным по сравнению с топливными элементами или двигателями внутреннего сгорания, необходимо повысить эффективность и снизить стоимость.
Некоторые концепции персонального скоростного транспорта (PRT) включают фотоэлектрические панели.
Железные дороги представляют собой вариант с низким сопротивлением качению, который будет полезен для плановых поездок и остановок. [18] Фотоэлектрические панели были протестированы в качестве APU на итальянском подвижном составе в рамках проекта ЕС PVTRAIN. Прямое питание в сеть постоянного тока позволяет избежать потерь за счет преобразования постоянного тока в переменный. [19] Сети постоянного тока можно встретить только на электрическом транспорте: железных дорогах, трамваях и троллейбусах. По оценкам, преобразование постоянного тока фотоэлектрических панелей в сетевой переменный ток (AC) приводит к потерям около 3% электроэнергии. [20]
Компания PVTrain пришла к выводу, что наибольший интерес к фотоэлектрическим системам на железнодорожном транспорте вызывают грузовые вагоны, где бортовая электроэнергия обеспечит новые функциональные возможности:
На узкоколейной линии Кисмарош – Киралирет недалеко от Будапешта построен вагон под названием «Вили», работающий на солнечной энергии. При максимальной скорости 25 км/ч «Вили» приводится в движение двумя двигателями мощностью 7 кВт, способными к рекуперативному торможению, и питается от фотоэлектрических панелей площадью 9,9 м2. Электричество хранится в бортовых батареях. [21] Помимо бортовых солнечных батарей, существует возможность использования стационарных (внебортовых) панелей для выработки электроэнергии специально для использования на транспорте. [22]
В рамках проекта «Гелиотрам» также было построено несколько пилотных проектов, таких как трамвайные депо в Ганновере, Лейнхаузене [23] и Женеве (Баше-де-Песай). [24] Женевский участок мощностью 150 кВт на пике подавал напряжение 600 В постоянного тока непосредственно в трамвайно-троллейбусную электрическую сеть, обеспечивая около 1% электроэнергии, используемой транспортной сетью Женевы на момент ее открытия в 1999 году. 16 декабря 2017 года поезд, полностью работающий на солнечной энергии, был запущен в Новом Южном Уэльсе, Австралия. [25] Поезд питается от бортовых солнечных батарей и бортовых аккумуляторных батарей. Он вмещает 100 сидячих пассажиров на расстояние 3 км.
Недавно Имперский колледж Лондона и экологическая благотворительная организация 10:10 объявили о проекте возобновляемой тяговой энергии, целью которого является исследование использования солнечных панелей на путях для питания поездов. [26] Тем временем индийские железные дороги объявили о своем намерении использовать бортовые фотоэлектрические системы для работы систем кондиционирования воздуха в железнодорожных вагонах. [27] Кроме того, Индийские железные дороги объявили, что проведут пробный запуск к концу мая 2016 года. [28] Они надеются, что в среднем на поезд будет экономиться 90 800 литров дизельного топлива в год, что, в свою очередь, приведет к сокращение выбросов CO 2 на 239 тонн .
Лодки, работающие на солнечной энергии, в основном использовались только для рек и каналов, но в 2007 году экспериментальный 14-метровый катамаран Sun21 проплыл по Атлантике из Севильи в Майами, а оттуда в Нью-Йорк. [29] Это было первое пересечение Атлантики, работающее только на солнечной энергии. [30]
Крупнейшая японская судоходная компания Nippon Yusen KK и Nippon Oil Corporation заявили, что солнечные панели, способные генерировать 40 киловатт электроэнергии, будут размещены на крыше корабля -автовоза водоизмещением 60 213 тонн , который будет использоваться Toyota Motor Corporation . [31] [32] [33]
В 2010 году была представлена яхта -катамаран Tûranor PlanetSolar длиной 30 метров и шириной 15,2 метра, оснащенная солнечными батареями площадью 470 квадратных метров. На данный момент это самая большая лодка, работающая на солнечной энергии, когда-либо построенная. [34] В 2012 году PlanetSolar стал первым в истории солнечным электромобилем, совершившим кругосветное путешествие . [35]
Были созданы различные демонстрационные системы. Любопытно, что ни один из них еще не использует преимущества огромного прироста мощности, который принесет водяное охлаждение.
Низкая удельная мощность современных солнечных панелей ограничивает использование судов, работающих на солнечных батареях; однако лодки, использующие паруса (которые не генерируют электроэнергию, в отличие от двигателей внутреннего сгорания), используют энергию аккумулятора для электроприборов (таких как охлаждение, освещение и связь). Здесь солнечные панели стали популярными для подзарядки батарей, поскольку они не создают шума, не требуют топлива и часто могут быть легко добавлены к существующему пространству палубы. [36]
Солнечные корабли могут относиться к дирижаблям на солнечной энергии или гибридным дирижаблям. [37]
Существует значительный военный интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА); Солнечная энергия позволит им оставаться в воздухе месяцами, став гораздо более дешевым средством выполнения некоторых задач, выполняемых сегодня спутниками. В сентябре 2007 года сообщалось о первом успешном полете БПЛА продолжительностью 48 часов на постоянной мощности. [38] Вероятно, это будет первое коммерческое использование фотогальваники в полете.
Было построено множество демонстрационных солнечных самолетов, некоторые из которых наиболее известны AeroVironment . [39]
Канадский стартап Solar Ship, Inc. разрабатывает гибридные дирижабли, работающие на солнечной энергии, которые могут работать только на солнечной энергии. Идея состоит в том, чтобы создать жизнеспособную платформу, которая сможет путешествовать в любую точку мира, доставляя холодные медикаменты и другие предметы первой необходимости в места Африки и Северной Канады, не нуждаясь в каком-либо топливе или инфраструктуре. Есть надежда, что технологических разработок в области солнечных батарей и большой площади поверхности гибридного дирижабля будет достаточно, чтобы создать практичный самолет на солнечных батареях. Некоторые ключевые особенности Солнечного корабля заключаются в том, что он может летать только на аэродинамической подъемной силе без какого-либо подъемного газа, [ проверка не удалась ] , а солнечные элементы вместе с большим объемом оболочки позволяют переконфигурировать гибридный дирижабль в мобильное укрытие, которое можно перезаряжать. аккумуляторы и другое оборудование. [42]
Hunt GravityPlane (не путать с наземным гравитационным самолетом ) — планер с гравитационным приводом, предложенный компанией Hunt Aviation в США. [43] Он также имеет крылья с аэродинамическим профилем, что улучшает его подъемную силу 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 построен. [44] В отличие от планера с двигателем , GravityPlane не потребляет энергию во время фазы набора высоты. Однако он потребляет энергию в тех точках, где его плавучесть меняется между положительными и отрицательными значениями. Хант утверждает, что это, тем не менее, может повысить энергоэффективность корабля, аналогично повышению энергоэффективности подводных планеров по сравнению с традиционными методами движения. [44] Хант предполагает, что низкое энергопотребление должно позволить кораблю собирать достаточно энергии, чтобы оставаться в воздухе неопределенно долго. Традиционным подходом к этому требованию является использование солнечных панелей в самолетах, работающих 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. [44]
Солнечная энергия часто используется для питания спутников и космических кораблей, работающих во внутренней части Солнечной системы, поскольку она может поставлять энергию в течение длительного времени без избыточной массы топлива. Спутник связи содержит несколько радиопередатчиков, которые работают непрерывно в течение всего срока службы. Было бы нерентабельно 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, а срок службы спутника связи будет ограничен запасом топлива на борту станции.
Несколько космических кораблей, работающих на орбите Марса, использовали солнечную энергию в качестве источника энергии для своей двигательной установки.
Все современные космические корабли, работающие на солнечной энергии, используют солнечные панели в сочетании с электрическими двигателями , обычно ионными двигателями , поскольку это дает очень высокую скорость истечения и уменьшает количество топлива по сравнению с ракетой более чем в десять раз. Поскольку топливо обычно имеет самую большую массу на многих космических кораблях, это снижает затраты на запуск.
Другие предложения по космическим кораблям на солнечной энергии включают солнечный тепловой нагрев топлива, обычно предлагается водород или иногда вода. Электродинамический трос можно использовать для изменения ориентации спутника или корректировки его орбиты.
Другая концепция солнечной энергии в космосе — это световой парус ; для этого не требуется преобразование света в электрическую энергию, вместо этого используется небольшое, но постоянное радиационное давление света.
Возможно, наиболее успешными транспортными средствами на солнечных батареях были «вездеходы», используемые для исследования поверхностей Луны и Марса. Программа «Луноход» 1977 года и «Марсовый следопыт» 1997 года использовали солнечную энергию для приведения в движение аппаратов с дистанционным управлением. Срок службы этих марсоходов намного превысил пределы выносливости, которые были бы установлены, если бы они работали на обычном топливе. Два марсохода также использовали солнечную энергию.
Швейцарский проект под названием «Solartaxi» совершил кругосветное путешествие. Это был первый в истории случай, когда электромобиль (не самодостаточный солнечный автомобиль) проехал вокруг света, преодолев 50 000 км за 18 месяцев и пересек 40 стран. Это был дорожный электромобиль, буксирующий прицеп с солнечными панелями и солнечной батареей площадью 6 м 2 . Solartaxi оснащен аккумуляторами Zebra , которые позволяют проехать 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 производиться за 16 000 евро.
Solartaxi совершила поездку по миру с июля 2007 года по декабрь 2008 года, чтобы показать, что существуют решения, способные остановить глобальное потепление, и побудить людей искать альтернативы ископаемому топливу . [50] Палмер предполагает, что наиболее экономичным местом для установки солнечных батарей для электромобиля являются крыши зданий, [51] сравнивая это с помещением денег в банк в одном месте и снятием их в другом. [52]
Компания Solar Electrical Vehicles [53] добавляет выпуклые солнечные элементы на крышу гибридных электромобилей. [54]
Интересным вариантом электромобиля является тройной гибридный автомобиль — PHEV , который также оснащен солнечными батареями.
Модель Toyota Prius 2010 года имеет возможность установки солнечных батарей на крышу. Во время стоянки они питают систему вентиляции, обеспечивая охлаждение. [55] Существует множество применений фотогальваники на транспорте либо в качестве движущей силы, либо в качестве вспомогательных силовых установок , особенно там, где требования к топливу, техническому обслуживанию, выбросам или шуму исключают использование двигателей внутреннего сгорания или топливных элементов. Из-за ограниченной площади, доступной на каждом транспортном средстве, скорость или дальность полета, или и то, и другое, ограничены при использовании в качестве движущей силы.
Существуют ограничения на использование фотоэлектрических (PV) элементов для транспортных средств:
приземлился в 15:04 BST... в пятницу... взлетел... в 14:40 BST (06:40 по местному времени) в пятницу, 9 июля
