汽车太阳能车顶转化电能装置研究

刘博　姜岩　袁双宏

摘 要：汽车工业的快速发展给国民经济带来的巨大的动力，但同时带来的环境污染等问题也不容易忽视，有关资料表明 我国汽车排放占城市重污染的比例接近35%，可见汽车尾气对空气和自然环境带来的污染和破坏。城市中温室效应也是受汽车尾气超标排放的影响。目前，很多资源都属于不可再生资源，资源的缺乏影响着我国的发展，因此，探索新能源的应用至关重要。本文就是针对汽车利用太阳能，在车顶安装太阳能装置实现电能的转化，进而为汽车提供动力，旨在促进汽车行业节能技术的发展和太阳能技术的优化。

关键词：太阳能技术;车顶装置;电能转化

目前，全世界都面临着资源匮乏和枯竭的问题，寻求新的环保能源代替传统的能源是有效应对环境污染问题的关键途径，汽车可以利用太阳能为汽车行驶提供动力，太阳能与传统能源相比，其环保性能较高，且运用成本较低。太阳向宇宙辐射出巨大能量，能量来自太阳的热核反应，我国陆地面积广阔，太阳能资源十分丰富，每年释放的能量相当于超过24000亿吨的煤炭，将太阳能运用到汽车上具有广阔的发展前景。

1 太阳能应用于汽车装置的重要意义

我国各产业比较依赖传统能源，例如煤炭、石油、天然气等，这些不可再生资源目前存储量逐渐降低，且石化类别的能源在燃烧过后对自然生态环境带来了很大的污染和破坏，尤其是空气污染和水源污染，逐渐会引发温室效应，有毒气体也会对自然环境带来危害。汽车尾气排放占据气体排放量很大的比例，汽车发展的一百多年的时间里，汽车燃烧能源导致的空气污染较为严重，联合国也针对此问题提出了节能减排的对策，我国也积极响应和配合，重视新能源在汽车中的应用，其中就包括太阳能这一清洁能源。

随着汽车工业的快速发展，无论是燃油汽车、电动汽车或混合动力汽车，在行驶过程中都会存在续航里程临界的问题，尤其是长途驾驶之后，汽车耗油耗电量增加，这时就可以利用太阳能装置为汽车提供充足的动力和电能。汽车上太阳能的运用多是运用在车顶装置上，为汽车听过应急的电力，为汽车空调等设备提供电能。

汽车太阳能装置主要由太阳能板架、内部电路、通风散热装置等构成，汽车装置使用电池板收集太阳能，蓄电池需要补充，太阳能要根据客户的需求，通过USB接口为车上移动设备充电，可以为动力系统和空调系统等提供的电能，实现节能减排。

我国“十三五”发展规划指出了到2020年要大量增加新能源汽车的销售和使用，到2020年要建立成熟的新能源汽车产业链。早在“十二五”规划时期，我国新能源汽车在研发和销售过程中取得了显著的成就，截止到2018年，我国新能源汽车销量已经超越美国，成为世界上新能源汽车销售量排第一位的国家。但目前，我国新能源汽车的发展受很多因素的限制，受很多强国的影响，目前，我国纯电动汽车还存在很大的问题，汽车上充电技术和蓄电池的应用还存在一些瑕疵，汽车续航里程和电动充电时间等问题需要细致的思考，如何利用太阳能为汽车各系统提供应急电能至关重要。

2 汽车太阳能装置介绍

太阳能车顶装置系统具有多种功能，如发电、防雨、散热等，利用太阳能这种清洁能源达到环保节能的目的，可以延长汽车的续航里程，为其提供充足的动力，太阳能装置多安排在车顶，安装在车顶行李架上，比较稳固和安全。太阳能车顶装置可以采用电伏电池组作为收集太阳能的装置，实现将太阳光能量转换为电能，运用MPPTM 控制器控制太阳能光伏电池组件的电能输出，使用单晶硅材料，使用寿命接近20年，太阳能装置可以为汽车提供能量保障。

美国研制的高性能太阳能光伏电池的光电转换率高达30%，与光伏电池相比转换率提高了经10%。瑞士研发太阳能的士装载了高效太阳能电池片挂车，动力电池可以做到在无太阳能输入的情况下续航达到300KM。太阳能装置需要采用更新的材料和装置，光伏电池板的太阳能转换率逐渐提高，车身材料更加轻量化。

3 太阳能装置工作原理

太阳能装置最重要的就是太阳能的转化问题，电池阵列在太阳能系统中占据着重要的地位，技术人员要结合汽车实际应用需要将若干个光伏电池进行组合，形成光伏电池组件，将多个光伏组件进行并联或串联，进而实现功率的输出。但太阳能采集与天气有关，在研究电池装置应用中要对天气状况对太阳能装置的影响进行仿真研究。

3.1 光伏电池工作原理

太阳能光伏电池其实是一种太阳能转换部件，刻意将能量转化为电能，工作原理是利用光伏效应，车顶的装置中半导体势垒电场，太阳照射后，PN结中电子得能量释放电子，形成电子—空穴对，在结电场影响下，电子与空穴分别移向半导体的N型区与P型区，N型区电子越来越多，P型区空穴越来越多，带负电电子使N区的电势偏低，相反P型区的电势相对较高，半导体两端形成了电动势。如果把PN结用导线与外部元件联通在一起，外部导通电路中就会产生电流，输出电能。我们要从太阳能系统出发，半导体器件经过串、并联使用，会得到汽车需要的输出电压、电流和输出功率。

3.2 光伏电池的等效电路

当有光照射到光伏电池上时，就会有电流产生，在此条件下，电池内部会生成正向偏压，在理想光照状态下，可以等效成一个电流恒定的二极管。因此，当电池在理想条件时，可以将其理想等效电路设计成一种高效结构，由二极管、恒流发生器和负载电阻构成。光伏电池受太阳辐射产生光电流，光電流大小与入射光强度和光伏电池面积成正比，除了光电流还会产生暗电流，共同输出为汽车所需的电能。

4 结语

汽车太阳能装置设计对于汽车至关重要，可以利用专业装置收集太阳光线和辐射，将其转化为电能，为汽车提供续驶里程需要的电能，为动力系统和空调系统提供需要的电能，促进新能源的应用，降低汽车尾气对环境的污染。

参考文献：

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[2]孟伟军，朴铁军，司得亮等.灰尘对光伏发电的影响及组件清洗研究[J].太阳能，2015（02）：22-27.

[3]李江华.太阳能技术在汽车新能源领域中的实践与探究[J].科技风，2018（35）：7.

项目名称：太阳能车顶装置系统的研究

项目编号：GYZD-201903

项目类别：一般指导项目