太陽能已成為能源領域的重要角色。事實上，太陽能是增長最快的可再生能源，目前占2022年全球發(fā)電量的4.5%。
最普遍的太陽能技術是太陽能光伏(PV)電池，也就是通常所說的太陽能組件。光伏電池由半導體材料組成，可吸收入射光子并接收相互作用產生的電子。
由于單個光伏電池在這一過程中產生的電量微乎其微，因此光伏組件通常會連接數百個這樣的電池，光伏陣列則由連接光伏組件的網絡組成。如圖1所示，數以百計的光伏組件排列成網格狀并朝向太陽，這種陣列被稱為太陽能電站。
隨著氣候變化危機繼續(xù)威脅全球，許多國家都在爭分奪秒，想方設法減輕危機影響。化石燃料和其他破壞生態(tài)的燃料正被逐步淘汰，取而代之的是可再生替代品。因此，太陽能自然而然地引起了公眾的關注。隨著越來越多的太陽能組件的出現，研究人員進一步思考了太陽能可以攔截的其他市場。
運輸業(yè)不可避免地成為焦點。汽車是現代社會不可替代的一部分，但卻嚴重依賴化石燃料。目前，汽車行業(yè)正在經歷一場革命，向電氣化方向發(fā)展；這一轉變的一部分就是將重點放在可再生能源上。值得注意的是，太陽能汽車已成為一條值得探索的道路。太陽能汽車并非全新事物；有史以來第一輛太陽能汽車是在1955年由12個光伏電池和一個輕木底座制成的。
當然，這輛名為Sunmobile的汽車只是一輛手持模型車。然而，從那時起，真正的公路汽車已經出現，從1976年第一輛上街行駛的汽車，到目前正在開發(fā)的一系列未來主義車型，不一而足。概念很簡單，汽車中的集成太陽能電池利用太陽光發(fā)電，并將電能儲存在電池中，為汽車的其他部分供電。
然而，仍有許多需要改進的地方，即太陽能組件和車輛的經濟性和效率。此外，還必須考慮到太陽能組件增加的重量，要么減少重量，要么繞過這個問題。過去五年來，太陽能領域出現了無數創(chuàng)新，其中許多直接或間接促進了太陽能汽車的發(fā)展。
由于體積龐大，汽車所能收集的能量有限，這可能是太陽能汽車面臨的最大挑戰(zhàn)。出于安全和耐用性考慮，太陽能組件只能安裝在最大面積為4平方米的汽車頂部。在理想情況下(晴朗的天空、赤道、晴朗陽光下的靜止車輛)，汽車頂部表面的太陽能輻照總量為每天34kWh。
然而，現代光伏電池的效率僅為20%，因此每天約為7kWh。對于現代電動汽車(如日產聆風)來說，這么多的電量可以提供25英里的續(xù)航里程。雖然續(xù)航里程很短，但對于大多數駕駛者來說已經足夠。遺憾的是，太陽輻照度會因季節(jié)和緯度的不同而大大降低。例如，一輛冬季行駛在紐約的汽車在晴天的續(xù)航里程只有4英里，在陰天的續(xù)航里程可能不到1英里。因此，車輛及其動力系統(tǒng)必須具有令人難以置信的效率，才能最大限度地利用這些能源。
本文列舉了其中幾項進展，包括太陽能技術和動力系統(tǒng)組件方面的進展，這些進展將支持太陽能汽車的整體可行性。事實上，要使太陽能汽車切實可行，就必須提高太陽能組件的效率和成本，同時必須優(yōu)化動力系統(tǒng)部件，使其適合使用太陽能。
AFPM電機
一種可簡化太陽能汽車的設計，并將對汽車性能的影響降至最低的新型電機。2018年，一篇研究文章引起了人們對軸向磁通永磁(AFPM)機器的關注，這種機器的結構由轉子和定子組成，兩者之間有間隙，轉子和定子之間的磁通力與旋轉軸一致。由此產生的電機如圖2所示，結構緊湊，同時能產生高扭矩，非常適合需要較小電機而又不影響性能的太陽能汽車型號。
此外，文章還提出了一種不同的設計，即用額外的轉子和定子磁盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鐵磁磁芯。這種無鐵芯設計以更大的電磁氣隙為代價以減少扭矩損失。通過這些電機的比較，研究人員試圖找出適合太陽能汽車的最佳AFPM電機。
在實驗中，研究人員考慮了兩種太陽能汽車模型：帶有一個后驅動輪的三輪模型和帶有兩個后驅動輪的四輪模型。電機嵌入在驅動輪中，去除了機械部件并簡化了整個系統(tǒng)?？紤]使用的兩種機器是傳統(tǒng)的單轉子-單定子鐵芯模型(如圖2所示)，以及繞組集中在氣隙周圍的無鐵芯多盤結構。隨后，研究人員對這兩種機器的數千個候選設計方案進行了研究，優(yōu)先考慮在保持所需扭矩的前提下，質量最小的設計方案。
經過研究，研究人員得出結論：無鐵芯設計更適合兩輪驅動的汽車模型，而單輪驅動的汽車模型則更適合傳統(tǒng)的AFPM電機。雖然由于無芯模型的扭矩限制較低，電機的效率略低，但四輪模型質量分布的改善抵消了這一限制，同時使汽車更緊湊，設計更簡單。雖然這種設計還需要更多的測試，但將電機放置在車輪中可以大大提高未來太陽能汽車模型的簡易性，在保持高效的同時，降低維修成本。
太陽能玻璃
其次，太陽能電池的創(chuàng)新推動了半透明光伏技術的發(fā)展，使透明太陽能組件成為可能。有機太陽能電池(OSC)利用有機聚合物或其他分子來吸收光線和傳輸電子。由于其成分，這些電池比傳統(tǒng)太陽能電池更輕、更靈活，同時生產成本更低，并具有半透明性。這些特性使得OSC在太陽能領域的應用相當普遍。特別是其半透明特性在窗戶上的應用引起了人們的關注，這種材料在發(fā)揮太陽能電池功能的同時，還能保持透過它所看到的景物的清晰度。
雖然從理論上講，OSC可用作窗戶，但在實踐中，這種結構由于能見度低和透光率差而表現不佳。為了解決這一問題，中國的一組研究人員于2022年開展了一項研究，在打印出OSC的同時，還在供體層和受體層引入了偽平面異質結(PPHJ)結構，用于提高平均可見光透過率(AVT)和功率轉換效率(PCE)。
然后，在玻璃封裝層上涂上一層疏水層，以便在不影響可見度的情況下實現長期防水性能。研究人員將實驗性OSC與傳統(tǒng)的不透明OSC進行了比較，發(fā)現實驗性電池的效率略低于不透明電池。
如表1所示，實驗結果非常顯著。與之前迭代的相同概念相比，實驗中的OSC玻璃有了明顯改善，這表明PPHJ結構相當成功。此外，疏水層也相當成功，這可以使玻璃在長期降雨條件下表現出最佳性能。AVT性能也相當顯著，約為20.42%。典型的汽車玻璃的視覺清晰度約為70-85%，雖然汽車的前窗、后窗和前側窗需要更高的清晰度，但后側窗可以自由使用這種材料，這將進一步提高整車的轉換效率。要提高一致性和清晰度，還需要進一步的測試，但就目前而言，PPHJ層在未來的太陽能玻璃型號中可能會變得司空見慣。
MPPT
為了解決天氣突變帶來的問題，日本的一個研究小組發(fā)表了一份研究報告，詳細介紹了適合安裝在太陽能汽車模型上的最大功率點跟蹤(MPPT)電路的構造。安裝在移動物體，尤其是像汽車這樣的快速移動物體上的太陽能電池，其發(fā)電量會因方向或陰影變化等條件帶來的陽光照射的變化而大幅波動。最大功率點跟蹤(MPPT)算法解決了這一常見的太陽能難題。該算法可從組件中提取最大可用功率，并優(yōu)化次優(yōu)條件下的發(fā)電量。MPPT電路對靜止的固定裝置很有效，但在運動過程中，急劇波動發(fā)生得太快，任何傳統(tǒng)機器都無法跟上。此外，對于太陽能汽車而言，太陽能電池的排列通常是為了優(yōu)化汽車的空氣動力學性能，這意味著太陽能電池沒有排列整齊，陣列的特性也不均勻。
結果取得了巨大成功。MPPT電路為車輛的3000公里電路提供了充足的電力，大約持續(xù)了36小時22分鐘。對于每個功率為140W的太陽能電池組件，MPPT電路只需要機器輸出功率的0.17%。事實證明，這種電路是應對太陽輻射突變的一種實用的低耗電解決方案，MPPT電路在太陽能汽車中的應用似乎相當可行。由于這項研究主要關注的是賽車MPPT電路的實施，因此所產生的結構必須輕巧且符合空氣動力學要求，因此這項技術的未來迭代可以在不符合這些規(guī)范的情況下加以改進。MPPT技術在太陽能汽車中的前景一片光明。
碳中和汽車
在荷蘭，Eindhoven理工大學的一個學生研究團隊開發(fā)了一種太陽能汽車，這種汽車理論上在其整個使用壽命期間都將保持碳中和。如圖3所示，這輛名為“Zem”的原型車在車頂和引擎蓋上安裝了太陽能組件，用于最大限度地實現電力轉換。此外，這輛汽車還包含一個能夠捕獲二氧化碳的獨特過濾系統(tǒng)，從而有效捕捉自身和周圍環(huán)境的碳排放。
根據團隊的估算，假設汽車每年行駛20000英里，Zem就可以吸收2kg的二氧化碳。雖然這個數字看起來很小，但團隊希望能在更大范圍內實施這項技術。由于全球現有超過10億輛乘用車，因此這些車輛的大范圍使用將減少數十億公斤的碳排放。
此外，團隊還確保這些汽車的生產周期保持碳中和。汽車的底盤和車身面板都是3D打印的，這樣就不會產生殘余廢物，而且生產出來的循環(huán)塑料還可以回收用于其他用途。雖然這輛汽車還只是一種概念驗證，但這項技術和這些車型的清潔生產周期表明，環(huán)保技術的發(fā)展勢在必行。如果進一步的實驗證明是成功的，未來的太陽能汽車和一般汽車都可能擁有類似的碳捕集技術。
太陽能微型汽車
盡管許多公司已經推出了全尺寸太陽能汽車模型，但有一家公司特別將太陽能汽車的發(fā)展方向轉向了微型汽車。荷蘭公司Squad Mobility于2019年發(fā)布了理想城市汽車計劃：一種價格合理的小型太陽能電動汽車。這些計劃最終促成Squad Solar City Car于2022年在歐盟的上市，這是一款雙座太陽能汽車，在歐洲市場的售價僅為6250歐元。這輛車重約350千克(771磅)，由兩個后輪內置電機和四個可更換的鋰離子電池組提供動力。
雖然這意味著在充滿電的情況下，該車只能以每小時45公里的速度行駛100公里，但這種車輛主要用于城市周邊的短途而非長途旅行。附帶的太陽能組件設計輕巧、高效，可為電池組提供大量太陽能，并能在陽光下為電池組充電。
除了私人所有外，Squad Mobility還為這種汽車制定了更多計劃。除了可以隨時更換空電池組并為空電池組充電的公共電池架外(如圖5所示)，公司還計劃推出一款共享移動應用，讓用戶可以在閑暇時使用公共太陽能汽車。此外，公司還計劃在2024年之前在美國推出這種汽車，不過，這種汽車在美國被歸類為低速車輛，因此在使用上比在歐盟18國受到更多限制。
盡管如此，這一項目的大面積可應用性和相對實惠的價格對于城市地區(qū)的許多潛在買家來說仍具有重要意義。雖然里程數讓一些人失望，但公司還在開發(fā)一種全尺寸的四座車型，以滿足那些需要一輛能行駛更遠路程的太陽能汽車的人的需求。如果項目取得成功，這些太陽能微型車可能會在各地的城市環(huán)境中普及。盡管它們的功能有限，但其價格對許多人來說相對便宜，而且小巧的體積確保了停車，出現其他儲能相關問題的可能性也大大降低。
太陽能汽車遠非新概念
太陽能汽車遠非一個新概念，太陽能技術正在進一步改進當中。
太陽能組件的成本更低，效率更高，太陽能玻璃等發(fā)明確保越來越多的太陽能組件可在公共設施中悄然發(fā)揮作用。許多太陽能汽車型號已經通過測試并計劃于2023年投產，更多型號仍在開發(fā)中。
在過去五年里，太陽能汽車電機、太陽能電池、最大功率檢測系統(tǒng)等方面的改進大大推進了這一領域的發(fā)展，而這一行業(yè)仍有待進一步發(fā)展。太陽能組件勢必會更加高效、更加靈活，太陽能組件將成為日常社會中不可替代的一個方面，為所有人提供清潔能源和可再生能源。
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