CC BY
182
ГРНТИ 73.49.23 Р. Ю. Зарипов
преподаватель, Факультет металлургии, машиностроения и транспорта, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан e-mail: ramis.zaripov@mail.ru
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ НА АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ
В работе проведен анализ существующих вариантов компоновки автомобилей на солнечных батареях. Солнечная энергетика сегодня является одним из наиболее перспективных источников альтернативной энергии. В настоящее время уже есть достаточно много конструкций, позволяющих преобразовывать энергию солнца в электрическую или тепловую. Отрасль постепенно растёт и развивается, но, как и везде, есть свои проблемы.
Цель настоящего исследования - раскрыть возможности солнечных элементов, их доступность для автолюбителей на данном этапе развития.
В статье отражен обзор мирового опыта в создании автомобилей на солнечной энергии. Подробно рассмотрены конструкция и принцип работы энергетической установки на солнечных батареях. Также описаны возможные варианты применения солнечных батарей как источника питания на серийных автомобилях.
Ключевые слова: электромобиль, солнцемобили, солнечная батарея, аккумулятор, кондиционер.
ВВЕДЕНИЕ
Электромобили, солнцемобили, солнечные велосипеды, электромоторные суда с солнечными батареями - все эти экологически чистые транспортные средства появились всего лет 15-20 назад. За прошедшие годы электромобили перестали быть редкостью. Они находят все большее применение, особенно в крупных городах, перенасыщенных автотранспортом. Представленные на выставке ЭКСПО 2017 в городе Астана разработки с применением солнечных батарей свидетельствуют об актуальности проведения исследований по использованию энергии солнца на транспорте.
Специалисты полагают, что солнечный транспорт станет всерьез конкурировать с автомобильным, когда эффективность доступных по цене солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей) составит 40-50 % [2, 3]. Пока же их КПД всего 10-12 % [1, 2]. Чтобы солнцемобили с мощностью солнечных батарей 1,5-2 кВт «догнали» автомобили с двигателями в 100 раз мощнее, необходимо использовать легкие и прочные конструкционные материалы, эффективные системы электропривода, достижения аэродинамики, гелио- и электротехники, электроники и других наук.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Мировой опыт создания солнцемобиля. Конструкторы многих стран пытаются предугадать контуры солнцемобиля будущего. Японская компания Sаnуо выпустила опытную партию открытых одноместных экипажей с солнечной панелью площадью 0,6 м2, за 6 часов заряжающей никель-кадмиевую аккумуляторную батарею. Запас хода
трехколесного транспортного средства весом 50 кг составляет 36 км, максимальная скорость - 24 км/ч. Компания Нокппкп ЕксМс предлагает солнцемобиль «Феникс» с солнечной панелью мощностью 750 Вт и скоростью 40 км/ч.
Существуют примеры, когда солнцемобиль развивал скорость и более 100 км/ч. Трассу трансавстралийского ралли 1996 года протяженностью 3000 км двухместный солнцемобиль «Мечта» (рисунок 1) прошел со средней скоростью почти 90 км/ч, а на прямом скоростном участке достиг 135 км/ч.
Рисунок 1 - Солнцемобиль-рекордсмен «Мечта»
У солнцемобилей достигнут минимальный для наземных экипажей коэффициент аэродинамического сопротивления (0,1). Опыт концерна General Motors при разработке рекордного солнцемобиля Sunraycer (рисунок 2) использован в проектировании электромобиля Impact, серийное производство которого началось в 1996 г. Его скорость достигает 130 км/ч, до 100 км/ч он разгоняется за 9 с и на обычных свинцово-кислотных аккумуляторах проходит 100 км.
Рисунок 2 - Солнцемобиль Sunraycer
Автомобиль, разрабатываемый группой Polytech Solar (Россия), пока не был обкатан и представлен сколько-нибудь широкой публике, но основные технические характеристики машины известны. Вес (ожидаемый) - до 0,2 т. Максимум выдаваемой скорости - 150 км/час.
Корпус - из легкого композита (собственная разработка группы Polytech Solar). Зарядка осуществляется от 4 кв. м. солнечных панелей, расположенных на корпусе экологичного авто. Машина подзаряжается постоянно (дневное время). Диски - углепластик собственной разработки.
ш *
Рисунок 3 - Автомобиль Polytech Solar
Формат кузова будет классическим для такого типа автомобилей, исполнен в форме «катамаран». Для водителя предусмотрена смещенная вбок капсула. Машина рассчитана на одного человека и оснащается уникальной системой ручного управления. Рабочее название модели - SOL.
Рисунок 4 - Конструкция автомобиля Polytech Solar
Общее устройство. Автомобили, работающие на солнечной энергии, все еще находятся в стадии разработки, поэтому сильно отличаются друг от друга по внешнему виду, конструкции и основным параметрам. Но все эти автомобили, как и те, что показаны в этой статье имеют основные общие закономерности. Главная -это наличие солнечных собирающих панелей, которые поглощают солнечный свет и преобразуют его в электричество.
В большинстве моделей это электричество накапливается в аккумуляторах, откуда оно поступает в электродвигатель, а тот вращает колеса. Конструкторы стремятся сделать солнечные автомобили такими, чтобы они могли с большей эффективностью использовать свои запасы энергии. Поэтому большинство подобных автомобилей изготовлено из легких материалов и имеют обтекаемую форму, чтоб уменьшить сопротивление ветра.
Теоретически солнечный автомобиль способен работать бесконечно долго, ведь ему не требуется иного топлива, кроме солнечного света. К тому же он не производит никаких выбросов, то есть не портит природу. Однако у него есть большой недостаток: такой автомобиль не может двигаться ночью и при сплошной облачности. Сейчас специалисты работают над тем, чтобы преодолеть подобные ограничения.
Рисунок 5 - Компоновочная схема оборудования
Электричество, получаемое в панелях солнечных коллекторов, передается по проводам в накопительную батарею, то есть в аккумулятор. Аккумулятор питает электродвигатель, который вращает колесный вал и колеса.
Специальная система механической передачи, имеющая 12 скоростей, позволяет эффективно использовать энергию в разных дорожных условиях.
Солнечный снег
Рисунок 6 - Компоновка солнечного автомобиля
Солнечная батарея. Каждый солнечный элемент состоит из двух слоев кремния: Р-типа, то есть позитивный или положительный, и №типа, то есть негативный или отрицательный. Когда свет попадает на такой элемент, он освобождает электроны в слое Р-типа, которые сами переходят в слой ^типа.
Рисунок 7 - Схема солнечной батареи
Двигатель солнечного автомобиля пользуется запасами этого тока. Автомобиль «Southern Cross» Автомобиль «Southern Cross» имеет наклоняемую солнечную панель Японский «Саузен кросс» имеет длину около 20 футов, весит 620 фунтов и двигается по ровной поверхности со скоростью до 25 миль в час.
Рисунок 8 - Автомобиль «Solar flare»
А так же он оснащен подвижной солнечной панелью. Подвижная солнечная панель. Чтобы солнечные коллекторы поглощали наибольшее количество света, панель может наклоняться (справа) по направлению к солнцу даже во время движения автомобиля. Коллекторная солнечная панель обтекаемой формы Автомобиль 40
«Солар флер» (Solar flare), построенный в Калифорнийском университете, участвовал в автомобильной гонке «World Solar» - «Мир солнца» 1990 года.
Тогда он прошел по необжитым районам Австралийского материка 1800 миль и занял в гонке 11-е место. Автомобиль имеет в длину двадцать футов и 9200 солнечных элементов толщиной меньше визитной карточки. Корпус автомобиля сделан из эпоксидной смолы, армированной углеродом. На борту находится серебряно-цинковая аккумуляторная батарея. Одного ее заряда без дополнительной солнечной подпитки хватает на 125 миль пути. Гонка по Австралии не обошлась без трудностей.
Часто ломалась цепная передача, которая использовалась для привода заднего колеса, как в мотоцикле. И часто прокалывались колеса. Непредвиденные остановки снижали среднюю скорость. Во время той гонки она оказалась равной 27 милям в час вместо предполагавшихся 42 миль в час. После технической доработки «Solar flare» принял участие в двух автогонках по Соединенным Штатам в 1991 году и победил в них.
Варианты использования энергии солнца на серийных автомобилях. Солнечные батареи небольшой мощности на обычных автомобилях кондиционируют воздух в салонах и подзаряжают пусковые аккумуляторы на стоянках, питают радио- и телеаппаратуру, например, Со!етап Solar Вайегу Сhаrger (рисунок 3) как раз и предназначена для подзарядки аккумуляторной батареи.
Рисунок 9 - Солнечная батарея Colema Solar Battery Charger
Это является простым и недорогим способом постоянно держать автомобильный аккумулятор на подзарядке. Для работы достаточно положить устройство на приборную панель или в другое место, освещенное солнцем, и подключить его к прикуривателю. После этого можно не бояться разрядки аккумулятора от, например, работающих часов, радио или сигнализации при выключенном зажигании. Цена этого полезного для автомобилистов устройства - всего 30 долларов [3].
В 2010 году создан фотоэлемент (рис. 4), который можно «клеить» на любые поверхности - окна, стёкла автомобилей.
Рисунок 10 - Солнечные батареи-наклейки на автомобильные стёкла
Рисунок 11 — Солнечный элемент на пленочной гибкой основе
Эта технология даёт возможность по-новому использовать кремний в устройствах для преобразования солнечной энергии в электрическую. Можно будет, например, тонировать автомобильные стекла. Этого устройства вполне достаточно и для работы ОР8-навигатора или кондиционера автомобиля [4].
На работе кондиционера от солнечных элементов питания хотелось бы остановиться поподробнее, ведь он является одним из самых энергоемких узлов автомобиля в настоящее время. Причем специфика его использования такова, что максимальная его эффективность необходима в первые минуты, когда владелец автомобиля только садится в раскаленный летним солнцем автомобиль. И если автомобиль перемещается по городу на небольшие расстояния, с частыми остановками, происходит постоянное охлаждение-нагрев салона автомобиля. Что ведет к повышенному расходу топлива, ведь известно, что кондиционер отбирает от 10 до 30 % мощности двигателя.
Преимущества и недостатки использования солнечных элементов представлены в таблице 1.
Таблица 1 — Достоинства и недостатки использования солнечных элементов для питания кондиционера
Достоинства Недостатки
Экономия топлива Затраты на приобретение
Возможность поддержания требуемой температуры в салоне при выключенном двигателе Необходимость поддерживать в чистоте солнечные элементы
Особенность использования энергии солнца именно для питания кондиционера в том, что эффективность работы солнечных батарей зависит от интенсивности солнечного излучения, в свою очередь и требуемая мощность кондиционера тоже прямо пропорциональна солнечному излучению.
В настоящее время имеется большое количество разнообразных батарей на основе солнечных элементов, в том числе появились в производстве элементы на гибкой пленочной основе (рисунок 12), что позволяет их размещать на поверхности, отличной от ровной, имеющей небольшую степень кривизны и малую массу и габариты. Коэффициент полезного действия таких элементов составляет около 17 % [1].
Размещение таких элементов удобнее всего на крыше автомобиля (рисунок 6). Площадь крыши легкового автомобиля типа седан составляет в среднем 1,5 м2. Размещая солнечные элементы такой площади, можно получать около 200 Вт. Средняя потребляемая мощность кондиционера 230 Вт. Получаемая мощность является недостаточной для полностью автономного питания кондиционера, но достаточной для поддержания необходимого температурного режима в салоне автомобиля во время стоянки и позволит дополнительно обеспечивать электроэнергией автомобиль во время движения, обеспечивая экономию топлива минимум на 8 %.
Ориентировочная стоимость устанавливаемого оборудования составит 750 долларов. С учетом экономии 8 % мощности двигателя или 0,8 литров бензина на 100 км, средний пробег окупаемости составит 150 000 км (для сравнения -ресурс 1 000 000 км для двигателя уже давно никого не удивляет). К тому же надо сказать, что уже сегодня некоторые модели Мегсеdes-Веnz обзавелись опцией -люком в крыше, в который встроены солнечные батареи. Энергия, генерируемая ими, предназначена приводить в действие вентилятор, создающий прохладу в салоне при длительной стоянке автомобиля на солнцепеке.
Рисунок 12 - Размещение элементов на гибкой пленочной основе на крыше автомобиля
Аналогичная система разработана BMW. Она состоит из 24 солнечных элементов, вырабатывающих 18 Вт электроэнергии. Этого достаточно для эффективной работы шести вентиляторов, равномерно размещенных по периметру крыши. Как показали испытания, принудительная вентиляция салона позволяет в жаркий день снизить температуру на 15 градусов, не используя энергию штатного аккумулятора.
Но главное прогнозируется, что к 2050 году половина потребляемой в мире энергии будет добываться из альтернативных источников. Солнце - один из них. Еще в 1998 году в ходе работ над проектом гибридного автомобиля Duo компания Audi доказала, что на 4 тыс. км ежегодного пробега эту машину способна обеспечить энергетическая установка, состоящая из 21 модуля солнечных батарей общей площадью 10 кв.м, смонтированная на крыше гаража. Днем установка вырабатывает и накапливает энергию, а ночью идет зарядка батарей оставленного в гараже электромобиля [2].
ВЫВОДЫ
Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется во всем мире. Только на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 85 триллионов кВт-ч энергии в год. Поскольку невозможно проследить за всем процессом в целом, нельзя с уверенностью сказать, сколько некоммерческой энергии потребляют люди (например, сколько древесины и удобрения собирается и сжигается, какое количество воды используется для производства механической или электрической энергии).
Некоторые эксперты считают, что такая некоммерческая энергия составляет одну пятую часть всей используемой энергии. Но даже если это так, то общая энергия, потребляемая человечеством в течение года, составляет только приблизительно одну семитысячную часть солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли в тот же период.
Низкий диапазон использования энергии солнца, в том числе и на автотранспорте, связан с низкой эффективностью солнечных батарей и сложностью их изготовления.
Без качественного скачка характеристик солнечных элементов питания электромобили будут иметь ограниченное применение. Пока они не сравнимы с традиционными автомобилями ни по техническим данным, ни по стоимости, ни по удобству в эксплуатации.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Кравченко, А. П., Дуда, Д. В. Солнечные элементы питания на автомобильном транспорте. Состояние и перспективы развития [Электронный ресурс]. - URL: http:// https://elibrary.ru/item.asp.id=21675144.
2 Бутырина, Е. Приближающаяся угроза топливного голода и загрязнения окружающей среды требует увеличения мер по развитию энергосбережения и альтернативных источников энергии // Панорама. - 2009. - № 10. - С. 12.
3 Кенжаев, З. Т. Состояние и перспективы развития солнечной энергетики // Молодой ученый. - 2017. - № 37. - С. 6-7.
4 Токмолдин, С. Ж. Развитие солнечной фотоэнергетики в Республике Казахстан // Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. - № 8. - С. 43-47.
5 Статьи: информационный портал. [Электронный ресурс]. - URL:
http://www.gigavat.com/ses_sun.php.
Материал поступил в редакцию 12.12.17.
Р. Ю. Зарипов
Автомобиль келтшц kyh элементтерш колдануды талдау
Металлургия, машинажасау жэне келж факультет^ С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университетi, Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы.
Материал баспаFа 12.12.17 тYстi.
R. Zaripov
Analysis of application of solar cells to power road transport
Faculty of Metallurgy, Machine Building and Transport, S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan.
Material received on 12.12.17.
Жумыста кун батареяларында вагондарды жинаудъщ крлданыстагы нусцаларын талдау жургизыуде. Кун энергиясы баламалы энергияныц ец перспективтi квздертщ бiрi болып табышады. Щазiргi уацытта куннщ энергиясын электр немесе жылу энергиясына айналдыруга мумктдж беретт квптеген цурылымдар бар. Онеркэст бiрте-бiрте ест, дамып келедi, бiрац баска жерлерде де проблемалар бар.
Зерттеудщ максаты — кун сэулестщ жасушаларыныц мумктджтерт аныщтау, олардыц осы кезецде автоквлiктерге крлжетiмдiлiгi. Кун энергетикасындагы вагондарды жасаудагы элемдк тэжiрибенi шолу. Кун электр станциясыныц жобалау жэне пайдалану принцип толыгырак карастырылады. Сондай-ак сериялык квлк куралдарындагы куат m3i реттде кун батареяларын колдану мумктдт де сипатталган.
The work gives the analysis of existing solar-powered vehicles layout options. Solar energy today is one ofthe most promising sources of alternative energy. At present, there are already a lot of designs that allow you to convert the sun's energy into electricity or heat. The industry is gradually growing and developing, but, like anywhere, has its problems. The purpose of this study is to reveal the possibilities of solar cells, their accessibility for motorists at this stage of development.
There is reflected the overview of world experience in creation of cars with solar energy. Detailed the design and principle of operation of the power plant on solar batteries. Also described possible applications of solar cells as a power source on the cars production.
