PROSCPECT OF SOLAR VEHICLES DEVELOPMENT Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

РАБОТЫ АСПИРАНТОВ И СОИСКАТЕЛЕЙ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ

PAPERS OF POST-GRADUATE STUDENTS

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГЕЛИОТРАНСПОРТА

Е. М. Овсянников, В. Б. Пшенное, Э. М. Аббасов

МГТУ «МАМИ» ул. Б. Семеновская, 38, Москва, 105839, Россия Тел.: (495)-369-9112

Possibility of using sun energy by vehicles are considered in paper. In particle estimated structure of this vehicles and possibility of improvement of its units. Calculation of basic characteristics of sun powered vehicle are presented in the paper.

Истощение ископаемых энергоресурсов, отрицательное влияние традиционных автомобилей на экологию, а также экономические факторы обуславливают поиск новых более эффективных источников энергии. Одним из наиболее перспективных среди таких источников является энергия Солнца. Запас солнечной энергии неисчерпаем, а физические принципы преобразования этой энергии в виды, удобные для потребления, просты, надежны и безопасны.

Уже сегодня существуют экспериментальные солнцемобили, аналогичные показанному на рис. 1. Причем они способны разгоняться до скоростей, близких к 200 км/ч и, за счет входящих в их состав аккумуляторных батарей, проезжать расстояния в несколько тысяч километров. Но передвигаться пока они в состоянии только днем. Подобный солнцемобиль показан на рис. 1.

Утилитарное транспортное средство, использующее энергию Солнца, должно включать в себя: панель солнечных батарей, накопитель энергии, электродвигатель, управляющий блок и шасси. На рис. 2 показана структурная схема солнцемобиля. Панель солнечных батарей снабжает солнцемобиль электроэнергией, управля-

Панель солнечных батарей

Накопитель энергии

'S»

Управляющий блок

Электродвигатель Шасси

Рис. 1. Современный солнцемобиль Fig. 1. Modern solar vehicle

Рис. 2. Структурная схема солнцемобиля Fig. 2. Structure diagram of solar vehicle

ющий блок распределяет эту энергию между электродвигателем и накопителем энергии, предназначенным для сохранения энергии в моменты ее малого потребления и снабжения электродвигателя энергией при пиковых нагрузках. Также управляющий блок может управлять некоторыми параметрами солнечных батарей, такими как их ориентация на Солнце или охлаждение. Распределение электроэнергии производиться на основе информации, получаемой от обратных связей с электродвигателем и шасси.

Основными препятствиями на пути развития гелиотранспорта являются: зависимость от погодных условий и времени суток, малая удельная мощность солнечного излучения (порядка 0,8 кВт/м2) и низкий КПД солнечных элементов.

Для решения первой проблемы предназначается входящий в состав транспортного средства накопитель энергии, который также необходим для обеспечения пиковых нагрузок в момент разгона и сохранения энергии, полученной от солнечных элементов во время остановки транспортного средства и в других случаях, когда потребность в энергии меньше выходной мощности солнечной батареи. В большинстве современных солнцемобилей основным источником энергии является аккумуляторная батарея. На сегодняшний день еще не существует достаточно легких и энергоемких аккумуляторных батарей, но разработки в этой области идут дос-

Редакционный регистрационный номер рукописи № G74.

Manuscript Editorial Registration No. G74.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № б (50) 2007 10 7

. © 2007 Научно-технический центр «TATA» I ^ /

Статья поступила в редакцию 02.04.2007 г. Ред. per. № 074. The article has entered in publishing office 02.04.2007. Ed. reg. No. 074.

Работы аспирантов и соискателей ученой степени

таточно быстро и можно надеяться, что в ближайшее время подобные батареи появятся. Наиболее используемы в настоящее время в качестве накопителей энергии свинцово кислотные аккумуляторные батареи, но также существуют и другие типы батарей, среди которых в наибольшей степени развиваются два типа батарей: никель-кадмиевые и литиево-полимерные. Литиево-полимерные аккумуляторные батареи обладают самым высоким потенциалом для использования в будущем. Эти батареи позволяют солнцемобилю совершать более длительные пробеги, также они занимают меньше места и могут быть фактически любой формы, это означает, что батареи могут быть помещены в неиспользуемые места солнцемобиля и оставить больше свободного места. На сегодняшний день ли-тиево-полимерные батареи производятся для сотовых телефонов и портативных ЭВМ, но уже через несколько лет эта технология будет доступной для использования на транспорте. Также этот тип аккумуляторных батарей экологически чище других. Сравнения некоторых из наиболее перспективных для транспортных средств батарей приведено на рис. 3 [1].

Не стоит забывать и о других вариантах накопления энергии, таких как водородные топливные элементы, ведь электроэнергия, полученная от солнечных батарей, может быть преобразована при помощи электролиза в водород, запасаемый на борту транспортного средства. А разработки в области применения водородных топливных элементов сейчас ведутся во всем мире, и в перспективе они должны получить широкое распространение на транспорте, за счет своего высоко КПД, малой массы и экологической чистоты.

Проблема малой удельной мощности солнечного излучения, конечно, не решаема, но при повышении КПД фотоэлементов она станет уже не так существенна. Поэтому развитию фотоэлементной базы следует уделить большое внимание.

На сегодняшний день наибольшее применение получили фотоэлементы на базе монокристаллического кремния. У лучших монокристаллических кремниевых солнечных фотоэлементов КПД достигает 15-20%, КПД серийных кремниевых фотоэлементов достигает 10-15%. Соответственно, недостатками подобных фотоэлектрических преобразователей являются высокая стоимость и низкий КПД.

Переход на гетеросоединения типа арсени-да галлия и алюминия, применение концентраторов солнечной радиации с коэффициентом концентрации 50-100 позволяет повысить КПД до 35 %. Однако стоимость элементов на базе соединения арсенида галлия и алюминия значительно выше, чем на базе кремния, поэтому в настоящее время они нашли применение исключительно на космических аппаратах [2]. К тому же, фотопреобразователи с концентрацией по-

Nicel Lithium metal-hydride polymer

Рис. 3. Разные типы батарей. КПД/цена (верхний предел) и энергия/масса для некоторых типов аккумуляторных батарей

Fig. 3. Different types of storage batteries. Efficiency/price (superior limit) and energy/mass for some types of storage batteries

тока лучистой энергии требуют дополнительных систем охлаждения фотоэлемента и наведения на Солнце, что усложняет и утяжеляет их конструкцию, т. е. создаются дополнительные сложности при установке подобных систем на транспортное средство. Поэтому маловероятно, что они получат широкое распространение, хотя подобные эксперименты и проводились.

Пленочные фотоэлементы имеют более высокое отношение выходной мощности к массе, меньшую стоимость, но и меньший КПД. Фотоэлементы на базе поликристаллического и аморфного кремния обладают низкой стоимостью, однако, и КПД таких элементов значительно ниже, чем у элементов из монокристаллического кремния. А для солнцемобиля, ввиду ограниченной площади поверхности фотоэлементов, их низкий КПД является очень существенным недостатком.

Наиболее перспективны для применения на транспортном средстве фотоэлементы на базе высокоомных эпитаксиальных структур крем-

128

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (50) 2007

© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»

IotJ

Е. М. Овсянников, В. Б. Пшеннов, Э. М. Аббасов Перспективы развития гелиотранспорта

ния, на низкоомных дешевых подложках. Эти фотоэлементы высокоэффективны и дешевы [3]. Фотоэлементы на основе эпитаксиальных структур обладают рядом особенностей: повышенная фоточувствительность, широкие пределы воль-тамперной характеристики (зависимость тока фотопреобразователя от мощности излучения), логарифмическое возрастание напряжения холостого хода с ростом освещенности (область насыщения отсутствует). КПД таких фотоэлементов соизмерим с КПД монокристаллических фотопреобразователей.

К интересным разработкам в области создания фотоэлементов можно отнести работу сотрудников Массачусетского технологического института, которые изготовили экспериментальный фотоэлемент, генерирующий электричество с помощью растительных белков. Его КПД равен 12 %, но время жизни не более трех недель. Однако экспериментаторы рассчитывают значительно увеличить время жизни устройства и довести его КПД как минимум до 20 % [4].

Еще один вариант использования солнечной энергии — отделение панели солнечных батарей от транспортного средства. Большая стационарная солнечная панель может использоваться для зарядки аккумуляторной батареи, которая питает непосредственно транспортное средство. При этом аккумуляторные батареи могут быть сменными, т. е. на транспортное средство, в данном случае простой электромобиль, устанавливается полностью заряженная аккумуляторная батарея, а другая батарея в это время заряжается от стационарной гелиоустановки [5]. Данная система позволяет применять гелиоустановки неограниченной площади, а также установки с концентрацией лучистого потока энергии, что позволяет повысить их КПД.

Возможно также и совмещение этих двух вариантов, т. е. подзарядка аккумуляторов сол-нцемобиля, обладающего собственными фотоэлементами, во время его стоянки от более мощной стационарной гелиоустановки. Этот вариант, пожалуй, наиболее перспективен.

Среди разнообразия утилитарных транспортных средств применение солнцемобиля в ближайшем будущем наиболее вероятно в качестве транспортного средства для городского жителя. Подобное транспортное средство обладает массой около 700 кг, совершает пробеги порядка 100 км в сутки, расходует 50 Втч энергии на 1 км пути в городском цикле, площадь устанавливаемых на него фотоэлементов равна 4,5 м2.

Из характеристик рассматриваемого электромобиля следует, что в сутки ему требуется 5 кВт-ч энергии. Допустим, что вся эта энергия должна пройти через аккумулятор с КПД цикла

заряд-разряд 67%, т.е. транспортное средство должно получить 7,5 кВт-ч энергии в сутки.

Энергию, получаемую от бортовой солнечной батареи, можно получить из формулы:

Жсв = РцБг,

где Р — мощность потока лучистой энергии, падающей на 1 м2 (0,8 кВт), п — КПД фотоэлементов (15%), — площадь устанавливаемых на солнцемобиль фотоэлементов (4,5 м2), I — время прохода заряда от фотоэлементов (10 ч). В итоге получаем 5,4 кВт-ч энергии.

Следовательно, транспортному средству потребуется дополнительная энергия, которую оно сможет получить при зарядке аккумуляторной батареи от электрических сетей общего пользования. Эту энергию можно найти по формуле:

^е™ = Ж - Жсъ, где Ж — энергия, необходимая транспортному средству в сутки (7,5 кВт-ч). Получаем дополнительно 2,1 кВт-ч.

Но и эту энергию можно получить от Солнца, только уже посредствам стационарной солнечной батареи. Площадь подобной батареи находим из следующей формулы:

Ж

о _" сети °СОБ _"

Pnt

получаем 1,75 м2.

Из данного расчета видно, что среднестатистическому солнцемобилю не хватает всего 2,1 кВт-ч энергии в сутки, при этом эту энергию можно получить также от фотоэлементов. А при условии дальнейшего увеличения КПД фотоэлементов и аккумуляторов потребность в подобной дополнительной энергии исчезнет и вовсе.

Уже сейчас создаются солнцемобили как для испытаний, так и для ежегодных многодневных соревнований, проводимых в Австралии. Конечно, на сегодняшний день это только «игрушки», но и обычные автомобили в конце 19 века считались «игрушками».

Список литературы

1. Hauge F. Battery-driven electric cars // http://www.belona.org

2. Андреев В. M., Грилихес В. А., Румянцев В. Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989.

3. Фотопреобразователь на основе кремниевых эпитаксиальных структур n п+-типа // Гелиотехника. № 6. 1985. C. 17.

4. Научная интернет-библиотека. http:// www.nature.com

5. Toyota. Solar Vehicle. http://www. rapideducation.co.uk.htm

i г Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № б (50) 2007 I г_ © 2007 Научно-технический центр «TATA»