Кіріспе
Күн энергиясымен жұмыс істейтін электр көлігі
Күн көлігі немесе күн энергиясымен жұмыс істейтін электр көлігі – толық немесе басым бөлігі тікелей күн энергиясымен қоздырылатын электр көлігі. Әдетте, күн панельдерінде орналасқан фотоэлектрлік (ФЭ) жасушалар күн энергиясын тікелей электр энергиясына айналдырады. "Күн көлігі" термині көліктің барлық немесе бір бөлігін қозғалысқа келтіру үшін күн энергиясын пайдалануды білдіреді. Күн энергиясы коммуникация, басқару немесе басқа қосымша функциялар үшін де қолданылуы мүмкін. Қазіргі уақытта күн көліктері күнделікті пайдалануға арналған көлік құралдары ретінде сатылмайды, олар негізінен демонстрациялық үлгілер және инженерлік тәжірибелер болып табылады, көбінесе үкіметтік мекемелердің қолдауымен жасалады. Дегенмен, күн энергиясымен зарядталатын көліктер кеңінен таралған, ал күн энергиясымен жұмыс істейтін қайықтар саудада қолжетімді.
Күн энергиясымен жұмыс істейтін көліктер
Күн энергиясымен жұмыс істейтін көліктер – күн сәулесін электр энергиясына айналдыратын фотоэлектрлік (ФЭ) жасушаларды пайдаланатын электр көліктер. Күн көліктері жарыстарға және жалпы пайдалануға арналған. Күн энергиясымен жұмыс істейтін көліктердің тиімділігі жоғары болуы керек, сонда олар шектеулі қуатынан ең көп пайда ала алады. Салмағы көп көліктердің күн қуаты жеткіліксіз болғандықтан, алысқа жүруі қиын. Көптеген студенттер жасаған күн көліктерінің қауіпсіздігі мен жайлылығы жағынан дәстүрлі көліктерден кемшіліктері бар, сондықтан олар көшеде жүруге рұқсат етілмейді. Әлемдегі алғашқы күн отбасылық көлігі – Stella 2013 жылы Нидерланды студенттерімен құрастырылды. Бұл көлік күн сәулесі кезінде бір зарядта жүруге қабілетті. Оның салмағы және 1,5 кВт⋅сағ сыйымдылықтағы күн батареясы бар. Stella Lux, Stella-ның ізбасары, бір зарядта жүре алатын қашықтық бойынша рекорд орнатты. Жарыс кезінде Stella Lux күндіз жүре алады. Stella Lux-тің қашықтығы шексіз. Бұл жоғары тиімділікке, соның ішінде 0,16-ға тең соққы коэффициентіне байланысты. Күнде 320 километрден аспайтын қашықтықты жүретін отбасылардың электр желісінен зарядтау қажеттілігі болмайды. Олар энергияны желіге қайтару үшін ғана қосылады. Жарысқа арналған күн көліктері көбінесе өлшегіштермен және/немесе сымсыз телеметриямен жабдықталады, бұл көліктің энергия тұтынуын, күн энергиясын жинауын және басқа да параметрлерді мұқият бақылауға мүмкіндік береді. Сымсыз телеметрия жүргізушіге жүргізуге шоғырлануға мүмкіндік беретіндіктен, көбінесе артықшылыққа ие, себебі қауіпсіздік жүйесі жоқ мұндай көлікте бұл қауіпті болуы мүмкін. Күн энергиясын пайдалану жүйесі, арнайы жасалған төмен профильді күн модулі, қосымша аккумулятор батареясы және зарядтауды басқару жүйесі бар (2-3 сағатта орнатылатын) оңай орнатылатын интеграцияланған жүйе ретінде жобаланды. Stella Lux-ты жасаған студенттердің кейбіреулері осы технологияны коммерцияландыру үшін Lightyear компаниясын құрды. Американдық Aptera Motors компаниясы да халыққа арналған тиімді күн электр көліктерін жасау үшін құрылды. 2023 жылдың қаңтарына қарай, алғашқы клиенттерге қолжетімділігі 2024 жылы күтілуде. Германияда Sono Motors компаниясы 2023 жылы нарыққа шығатын Sono Motors Sion күн электр көлігімен жұмыс істеді. Алайда 2023 жылдың ақпанында Sono Motors Sion бағдарламасын тоқтатты және тек Solar Tech компаниясы ретінде жұмыс істейтінін мәлімдеді. Барлық аккумуляторлық электр көліктері сыртқы күн батареясы арқылы электр қуатын зарядтауға болады. Мұндай батареяларды жалпы электр тарату желісіне де қосуға болады. Squad Solar – күн сәулелі шатыры бар, қатар отыратын электр көлігі, оны әдеттегі розеткадан салыстырмалы түрде жылдам зарядтауға болады.
Күн энергиясымен жұмыс істейтін автобустар
Күн энергиясымен жүретін автобустар күн энергиясымен қозғалады, оның барлығы немесе бір бөлігі стационарлық күн панельдері арқылы жиналады. Tindo автобусы – 100% күн энергиясымен жұмыс істейтін автобус, ол Аделаида қаласындағы қалалық кеңестің бастамасымен тегін қоғамдық көлік қызметін ұсынады. Қытайда автобус төбесіне орнатылған күн панельдерімен ішінара қуатталатын электр автобустарын пайдаланатын автобус қызметтері іске қосылды, бұл энергия тұтынуды азайтуға және электр автобусының қайта зарядталатын батареясының қызмет ету мерзімін ұзартуға бағытталған. Күн энергиясымен жүретін автобустарды жарықтандыру, жылыту немесе кондиционер сияқты автобустың электрлік функцияларын ғана күн энергиясымен қамтамасыз ететін дәстүрлі автобустардан ажырату керек, ал қозғалтқышының өзі емес. Мұндай жүйелер көбірек тараған, себебі олар автобус компанияларына белгілі бір ережелерді орындауға мүмкіндік береді, мысалы, АҚШ-тың бірнеше штаттарында қолданылып жүрген қозғалтқышты тоқтатуға қатысты заңдарды, және дәстүрлі қозғалтқышты өзгертпей-ақ, қолданыстағы көлік батареяларына орнатуға болады.
Бір жолды көлік құралдары
Алғашқы күн сәулелі "көліктер" шын мәнінде велосипед технологиясымен жасалған үш дөңгелекті немесе төрт дөңгелекті велосипедтер болды. Бұл машиналар 1985 жылы Швейцарияда өткен тұңғыш күн жарысы – "Тур де Сол" жарысында "солармобильдер" деп аталды. 72 қатысушының жартысы күн энергиясын ғана қолданса, қалған жартысы адам күшімен және күн энергиясымен жұмыс істейтін гибридтерді пайдаланды. Күн энергиясымен жұмыс істейтін бірнеше велосипедтер жасалды, олардың үлкен күн сәулелі шатыры, кішкентай артқы панелі немесе күн панелі бар тіркемесі болды. Кейіннен, тек тұраққа қойғанда ғана орнатылатын бүгілетін панельдері бар, тиімді күн велосипедтері жасалды. Одан кейін тіпті панельдер үйде қалдырылып, электр желісіне қосылып, велосипедтер желіден зарядталатын болды. Бүгінде жоғары дамыған электр велосипедтері бар, олар өте аз қуат жұмсайды, сондықтан осы көлемдегі күн энергиясын сатып алу өте арзан. "Күн" нақты аппараттан түсінікті есептеу жүйесіне айналды. Осы жүйе Tour de Sol үшін алғаш рет әзірленген электр мотоциклдерге де қолданылады.
Қолданбалар
2006 жылы Venturi Astrolab әлемдегі алғашқы коммерциялық электр-күн гибридті көлігі болды және бастапқыда 2008 жылдың қаңтарында шығарылуы жоспарланған еді. 2007 жылдың мамыр айында Hymotion жетекшілігіндегі канадалық компаниялардың бірлестігі Toyota Prius көлігін күн батареяларын пайдаланып, толық күн сәулесінде 240 ваттқа дейін электр қуатын өндіру үшін қайта жабдықтады. Бұл электр моторларын ғана қолдана отырып, ыстық жазғы күні шамамен 15 км-ге дейін қосымша жүру қашықтығын қамтамасыз етеді деп хабарланды. АҚШ Мичиган штатынан шыққан бір өнертапқыш 2005 жылы көшеде жүруге рұқсат етілген, лицензиясы және сақтандыруы бар, күн энергиясымен зарядталатын электр скутерін жасады. Оның максималды жылдамдығы сағатына 30 мильден сәл жоғары болды және батареяларды зарядтау үшін жиналмалы күн панельдерін пайдаланды.
Қосалқы қуат
Фотоэлектрлік модульдер жолаушылар көліктерінде қосалқы қуат көзі ретінде коммерциялық түрде қолданылады, көлікті желдетіп, күнге тоқтағанда жолаушылар салонының температурасын төмендетеді. 2010 жылғы Prius, Aptera 2, Audi A8 және Mazda 929 сияқты көліктерде желдету үшін күн сәулелі люк опциясы болған. Дәстүрлі конструкциядағы көлікті қуаттау үшін қажетті фотоэлектрлік модульдердің ауданы көлікте тасымалдауға тым үлкен. «Күндік такси» деп аталған автомобиль мен тіркеме прототипі жасалды. Сайтта көрсетілгендей, ол 6 м² стандартты кристалды кремнийлі жасушаларды пайдаланып күніне 100 км жүре алады. Электр энергиясы никель-тұз аккумуляторында сақталады. Дегенмен, үйдің шатырындағы күн панелі сияқты стационарлық жүйелер дәстүрлі электр көліктерін зарядтау үшін қолданылуы мүмкін. Гибридті немесе электрлік көліктің қозғалу қашықтығын арттыру үшін де күн панельдерін пайдалануға болады, бұл Fisker Karma-да енгізілген, Chevy Volt-та опция ретінде қол жетімді, Pontiac Fieros, Italdesign Quaranta, Free Drive EV Solar Bug-тің «Destiny 2000» модификацияларының капоты мен шатырында, сондай-ақ көптеген басқа да концепт және өндірістік электр көліктерінде қолданылады. 2007 жылдың мамыр айында Hymotion жетекшілігімен канадалық компаниялардың консорциумы Toyota Prius-ке PV жасушаларын қосып, қозғалу қашықтығын арттырды. SEV көлік шатырына орнатылған 215 Вт модуль және қосымша 3 кВт аккумуляторден күніне талап етеді. 2008 жылдың 9 маусымында Германия мен Франция президенттері «автомобильдің стандартты сынақ циклында ескерілмеген» технологиялармен жабдықталған автомобильдерге 6-8 г/км CO2 шығарындыларын есептеуге рұхсат беру жоспарын жариялады. Бұл фотоэлектрлік панельдердің жақын болашақта автомобильдерде кеңінен қолданылуы мүмкін деген болжамдарға әкелді. Сонымен қатар, фотоэлектр технологиясын (әсіресе термофотоэлектр (TPV) технологиясын) автомобильді қозғау үшін пайдалануға болады. Отын эмитерді қыздыру үшін қолданылады. Шығарылатын инфрақызыл сәуле төмен жолақты PV жасушасымен (мысалы, GaSb) электр энергиясына айналады. TPV гибридті көліктің прототипі де жасалды. «Viking 29» – әлемдегі алғашқы термофотоэлектрлік (TPV) қуатымен жұмыс істейтін автомобиль, ол Батыс Вашингтон университетінің Көлік зерттеу институты (VRI) тарапынан жобаланып және құрастырылды. TPV-ның отын жасушаларымен немесе ішкі жану қозғалтқыштарымен бәсекелесуі үшін тиімділікті арттыру және құнды төмендету қажет.
Жеке жедел транзит
Жеке жылдам транзит (PRT) жүйелерінің бірнеше түрі фотоэлектрлік панельдерді қамтиды.
Су
Күн энергиясымен жұмыс істейтін қайықтар көбінесе өзендер мен каналдармен шектелген, бірақ 2007 жылы 14 метрлік эксперименталды катамаран Sun21 Атлантика мұхитын Севильядан Майамиге, содан кейін Нью-Йоркке дейін жүзіп өтті. Бұл күн энергиясымен Атлантика мұхитын кесіп өтетін алғашқы кеме болды. Жапонияның ірі кеме компаниясы Nippon Yusen KK және Nippon Oil Corporation компаниялары Toyota Motor Corporation пайдаланатын 60 213 тонналық автокөлік тасымалдаушы кеменің үстіне 40 киловатт электр энергиясын өндіретін күн панельдері орналастырылатынын мәлімдеді. 2010 жылы 30 метрлік, 15,2 метрлік ені бар және 470 шаршы метрлік күн панельдерімен жабдықталған Tûranor PlanetSolar катамарандық яхтасы таныстырылды. Қазірге дейін бұл күн энергиясымен жұмыс істейтін ең үлкен кеме. 2012 жылы PlanetSolar күн энергиясымен жұмыс істейтін және жер шарын айналып өтетін алғашқы көлік құралы болды. Әртүрлі демонстрациялық жүйелер құрылды. Қызығы, әзірге сумен салқындатудың қамтамасыз ететін қуаттың артықшылығын ешкім пайдаланбады. Қазіргі күн панельдерінің төмен қуат тығыздығы күн энергиясымен жүретін кемелерді пайдалануды шектейді; алайда, желкендерді пайдаланатын қайықтар (жану қозғалтқыштары сияқты электр энергиясын өндірмейді) электр құралдары үшін (мысалы, салқындатқыштар, жарықтандыру және байланыс) аккумуляторлық қуатқа тәуелді. Осы себепті күн панельдері аккумуляторларды зарядтау үшін танымал, өйткені олар шу шығармайды, жанармай қажет етпейді және көбінесе қолданыстағы палуба кеңістігіне оңай орнатылады.
Ауа
Күн сәулелі кемелер күн энергиясымен жұмыс істейтін дирижабльдер немесе гибридті дирижабльдерді білдіруі мүмкін. Әскери сала ұшқышсыз ұшу аппараттарына (ҰҰА) қызығушылық танытады; күн энергиясы оларды айлар бойы ауада ұшыруға мүмкіндік береді, бұл спутниктермен қазір атқарылатын кейбір тапсырмаларды орындаудың әлдеқайда төмен құнмен шешу жолы болар еді. 2007 жылдың қыркүйегінде ҰҰА тұрақты қуатпен 48 сағат бойы сәтті ұшқаны туралы хабарланды. Бұл, ұшу кезінде фотоэлектр технологиясын коммерциялық тұрғыда қолданудың алғашқы мысалы болуы мүмкін. Көптеген демонстрациялық күн ұшақтары салынды, олардың ең танымалдары AeroVironment компаниясына тиесілі.
Адамсыз әуе құралдары
Pathfinder және Pathfinder Plus – Бұл БПҰ ұшақтың күн энергиясымен қамтамасыз етілгенде ұзақ уақыт бойы ауада қалуға болатынын көрсетті. Helios – Pathfinder Plus негізінде жасалған, бұл күн батареялары мен отын жасушаларымен жұмыс істейтін БПЛА Qinetiq Zephyr ұшу бойынша әлемдік рекордты орнатты. Qinetiq компаниясы құрастырған бұл БПЛА 2008 жылдың 31 шілдесінде 82 сағаттан астам ұшқышсыз ұшу бойынша бейресми әлемдік рекордты жаңартты. Жоғарыда аталған Solar Impulse ұшуынан кейін 15 күн өткен соң, 2010 жылдың 23 шілдесінде Ұлыбританияның QinetiQ қорғаныс фирмасы жасаған жеңіл ұшқышсыз әуе кемесі Zephyr ұшқышсыз әуе кемесі үшін төзімділік рекордын иеленді. Ол Аризона аспанында екі аптадан астам (336 сағат) ұшты. Сондай-ақ ол биіктікке көтерілді. Қытайда жобаланып, өндірілген БПЛА елдің солтүстік-батыс аймақтарындағы сынақ ұшу кезінде сәтті түрде белгілі бір биіктікке жетті. "Caihong" (CH) немесе ағылшын тілінде "Rainbow" деп аталатын бұл аппарат CASC зерттеу тобымен әзірленді.
Күн энергиясымен жұмыс істейтін ғарыш кемесі
Күн энергиясы көбінесе ішкі Күн жүйесінде жұмыс істейтін спутниктер мен ғарыш кемелерін қуатпен қамтамасыз ету үшін қолданылады, себебі ол артық отын массасын қажет етпей, ұзақ уақыт бойы энергия бере алады. Коммуникациялық спутник өмірі бойы үздіксіз жұмыс істейтін бірнеше радио хабар таратушыларды қамтиды. Мұндай аппаратты (орбитада жылдар бойы болуы мүмкін) бастапқы батареялармен немесе отын жасушаларымен пайдалану экономикалық тұрғыдан тиімсіз, ал орбитада отын құю іс жүзінде мүмкін емес. Дегенмен, спутниктің орнын түзету үшін күн энергиясы көбінесе қолданылмайды, ал коммуникациялық спутниктің қызмет ету мерзімі борттағы орбитаны сақтау отынымен шектеледі.
Күн энергиясымен жұмыс істейтін ғарыш кемесі
Марс орбитасында жұмыс істейтін бірнеше ғарыш кемелері өз қозғалтқыш жүйесі үшін энергия көзі ретінде күн энергиясын пайдаланған. Қазіргі уақытта күн энергиясымен жұмыс істейтін барлық ғарыш кемелері электр қозғалтқыштарымен бірге күн панельдерін қолданады, әдетте иондық жетегін, себебі ол өте жоғары газ шығару жылдамдығын қамтамасыз етеді және ракетаға қарағанда отын шығынын он еседен астам азайтады. Көптеген ғарыш кемелерінде отын әдетте ең ауыр бөлік болғандықтан, бұл ұшыру құнын төмендетеді. Күнмен жұмыс істейтін ғарыш кемелері үшін тағы бір ұсыныс – отынды, әдетте сутекті немесе кейде суды, күн жылуымен қыздыру. Электродинамикалық арқан спутниктің бағытын өзгертуге немесе оның орбитасын түзетуге қолданылуы мүмкін. Ғарышта күнмен қозғалтудың тағы бір түрі – жарық желкені; ол жарықты электр энергиясына түрлендіруді қажет етпейді, керісінше, жарықтың кішкентай, бірақ тұрақты сәулелену қысымына тікелей сенеді.
Планеталарды зерттеу
Күн энергиясымен жұмыс істейтін ең табысты көліктер Ай мен Марстың бетін зерттеуге пайдаланылған "роверлер" болуы мүмкін. 1977 жылғы "Луноход" бағдарламасы және 1997 жылғы "Марс Pathfinder" күн энергиясын қашықтан басқарылатын көліктерді қозғау үшін пайдаланды. Бұл роверлердің қызмет ету мерзімі, егер олар дәстүрлі отынмен жұмыс істеген болса, қатаң талаптармен белгіленген мерзімнен әлдеқайда асып кетті. "Марс зерттеу роверлерінің" екеуі де күн энергиясын пайдаланды.
Күн сәулесін қосқан электрлі көлік
"Solartaxi" деп аталатын швейцариялық жоба әлемді айналып өтті. Бұл тарихта алғаш рет электр көлігі (өздігінен күн энергиясын пайдаланбайтын) әлемді айналып, 18 айда 50000 км қашықтықты жүріп, 40 елден өтті. Бұл 6 м² көлеміндегі күн панельдері бар тіркеме сүйреп жүретін, жолға жарамды электр көлігі болды. Solartaxi көлігінде Zebra аккумуляторлары орнатылған, олар зарядтамай-ақ 400 км қашықтықты жүруге мүмкіндік береді. Сондай-ақ, көлік тіркемесіз 200 км жүре алады. Оның максималды жылдамдығы 90 км/сағ. Көліктің салмағы 500 кг, ал тіркеменің салмағы 200 кг. Жобаның бастамашысы және тур директоры Луис Палмердің сөзіне сүйенсек, автомобильді жаппай өндіруге 16000 евро жұмсалуы мүмкін. Solartaxi 2007 жылдың шілдесінен 2008 жылдың желтоқсанына дейін әлемді аралап, жаһандық жылынуды тоқтатуға болатынын көрсетті және адамдарды қантөмілшік отынға балама іздеуге шақырды. Палмер электр көлігі үшін күн панельдерін орнатудың ең тиімді жері – ғимараттардың шатыры екенін айтады, оны бір жерде ақша салып, басқа жерде алумен салыстырады. Solar Electrical Vehicles гибридтік электр көліктерінің шатырына дөңес күн элементтерін орнатуда.
Қосылатын гибридті және күн энергиясымен жұмыс істейтін көліктер
Электрлік көліктің қызықты түрі – үштік гибридтік көлік, яғни PHEV, оған қосымша көмектесу үшін күн панельдері орнатылған. 2010 жылғы Toyota Prius моделінде шатырға күн панельдерін орнату опциясы бар. Олар көлік тұрғанда желдету жүйесін қуатпен қамтамасыз етіп, салқындатуға көмектеседі. Фотоэлектрлік энергияны көліктің қозғалыс қуаты ретінде немесе қосымша қуат көзі ретінде пайдалануға болады, әсіресе отын, техникалық қызмет көрсету, шығарындылар немесе шу деңгейіне қойылатын талаптар ішкі жану қозғалтқыштарын немесе отын жасушаларын пайдалануға мүмкіндік бермейтін жағдайларда. Көліктің үстіндегі шектеулі ауданға байланысты, қозғалыс қуаты үшін қолданғанда жылдамдық, қашықтық немесе екеуі де шектелуі мүмкін.