Солнечные электромобили: технологии и перспективы

Введение

Электрическое транспортное средство, работающее на солнечной энергии

Солнечное транспортное средство или солнечное электромобиль – это электрическое транспортное средство, которое полностью или в значительной степени приводится в движение прямой солнечной энергией. Как правило, фотоэлектрические элементы, содержащиеся в солнечных панелях, преобразуют энергию солнца непосредственно в электрическую энергию. Термин «солнечное транспортное средство» обычно подразумевает, что солнечная энергия используется для питания всей или части силовой установки транспортного средства. Солнечная энергия также может использоваться для питания систем связи, управления или других вспомогательных функций. В настоящее время солнечные транспортные средства не продаются как практичные средства для повседневных поездок, а в основном являются демонстрационными образцами и инженерными разработками, часто спонсируемыми государственными организациями. Однако транспортные средства с косвенной солнечной зарядкой широко распространены, а солнечные лодки доступны в коммерческой продаже.

Солнечные автомобили

Солнечные автомобили – это электромобили, использующие фотоэлектрические (PV) элементы для преобразования солнечного света в электрическую энергию, необходимую для зарядки аккумулятора автомобиля и питания его электродвигателей. Солнечные автомобили разрабатываются для участия в соревнованиях и для общественного использования. Солнечные транспортные средства должны быть легкими и эффективными, чтобы добиться максимального запаса хода при ограниченной мощности, получаемой от солнца. Более тяжелые автомобили были бы менее практичными, поскольку ограниченной солнечной энергии не хватило бы для преодоления больших расстояний. Большинство солнечных автомобилей, созданных студентами, не обладают функциями безопасности и удобства, свойственными обычным транспортным средствам, и поэтому не соответствуют требованиям для дорог общего пользования. Первый семейный автомобиль на солнечной энергии, Stella, был построен в 2013 году студентами из Нидерландов. Этот автомобиль способен проезжать на одном заряде при солнечном свете. Его вес составляет , а мощность солнечной батареи – 1,5 кВт⋅ч. Stella Lux, преемник Stella, установил рекорд дальности хода на одном заряде. Во время гонок Stella Lux способен проезжать в светлое время суток. У Stella Lux бесконечный запас хода, что обусловлено высокой эффективностью, включая коэффициент аэродинамического сопротивления 0,16. Средней семье, которая ежедневно проезжает не более , не потребуется зарядка от электросети. Они подключатся к сети только в том случае, если захотят вернуть энергию в систему. Гоночные солнечные автомобили часто оснащаются датчиками и/или беспроводной телеметрией для точного контроля потребления энергии, выработки солнечной энергии и других параметров. Беспроводная телеметрия предпочтительнее, поскольку она позволяет водителю сосредоточиться на управлении автомобилем, что может быть опасно из-за отсутствия систем безопасности. Система солнечных электромобилей разработана как легко устанавливаемая (2-3 часа) интегрированная система с индивидуально разработанным низкопрофильным солнечным модулем, дополнительным аккумуляторным блоком и системой управления зарядкой. Некоторые студенты, создавшие Stella Lux, основали компанию Lightyear для коммерциализации этой технологии. Американская компания Aptera Motors также занимается разработкой эффективных солнечных электромобилей для широкой публики. По состоянию на январь 2023 года ожидается, что первые автомобили поступят в продажу в 2024 году. В Германии компания Sono Motors работала над солнечным электромобилем Sono Motors Sion, который планировалось вывести на рынок в 2023 году. Однако в феврале 2023 года Sono Motors прекратила программу Sion и объявила о переходе к деятельности в качестве компании, специализирующейся на солнечных технологиях. Следует отметить, что все электромобили с аккумуляторными батареями также могут использовать электроэнергию, полученную от внешних солнечных панелей, для подзарядки. Такие панели также могут быть подключены к общей электросети. Squad Solar – это компактный электромобиль типа "side-by-side" с солнечной крышей, который можно относительно быстро заряжать от обычной розетки.

Solar cars are electric cars that use photovoltaic (PV) cells to convert sunlight into electrical power to charge the car's battery and to power the car's electric motors. Solar cars have been designed for solar car races and for public use. Solar vehicles must be light and efficient to get the best range from their limited captured power. pound or even vehicles would be less practical because the limited solar power would not take them as far. Most student built solar cars lack the safety and convenience features of conventional vehicles and are thus not street legal. The first solar family car, Stella, was built in 2013 by students in the Netherlands. This vehicle is capable of on one charge during sunlight. It weighs and has a 1.5 kWh solar array. Stella Lux, the successor to Stella, broke a record with a single charge range. During racing Stella Lux is capable of during daylight. At Stella Lux has infinite range. This is again due to high efficiency including a Coefficient of drag of 0.16. The average family who never drive more than a day would never need to charge from the mains. They would only plug in if they wanted to return energy to the grid. Solar race cars are often fitted with gauges and/or wireless telemetry, to carefully monitor the car's energy consumption, solar energy capture and other parameters. Wireless telemetry is typically preferred as it frees the driver to concentrate on driving, which can be dangerous in such a car without safety features. The Solar Electric Vehicle system was designed and engineered as an easy to install (2 to 3 hours) integrated accessory system with a custom molded low profile solar module, supplemental battery pack and charge controlling system. Some of the students that built Stella Lux founded a company, Lightyear, to commercialize this technology. An American company, Aptera Motors, has also been founded to make efficient solar electric cars for the public. As of January 2023, first customer availability is expected in 2024. In Germany the company Sono Motors was working on a solar electric vehicle, the Sono Motors Sion, that was supposed to be on the market in 2023. However in February 2023, Sono Motors terminated the Sion program and announced it would focus exclusively on being a Solar Tech Company. Note that all battery powered electric vehicles may also use external solar array sourced electricity to recharge. Such arrays may also be connected to the general electrical distribution grid. Squad Solar is a neighborhood Electric Vehicle Side by side with a solar roof and can be charged relatively quickly from a normal outlet.

Солнечные автобусы

Солнечные автобусы приводятся в движение солнечной энергией, которая собирается полностью или частично от стационарных солнечных панельных установок. Автобус Tindo – это автобус, работающий на 100% от солнечной энергии, который функционирует как бесплатный общественный транспорт в городе Аделаида по инициативе городского совета. В Китае внедрены автобусные маршруты с использованием электрических автобусов, частично питаемых солнечными панелями, установленными на крыше, что позволяет снизить энергопотребление и продлить срок службы аккумуляторной батареи электробуса. Следует различать солнечные автобусы и обычные автобусы, в которых солнечная энергия используется для питания электрических функций, таких как освещение, отопление или кондиционирование воздуха, но не для самого движения. Такие системы более распространены, поскольку они позволяют автобусным компаниям соответствовать определенным нормативным требованиям, например, законам, запрещающим работу двигателя на холостом ходу, действующим в нескольких штатах США, и могут быть установлены на существующие автомобильные аккумуляторы без замены традиционного двигателя.

Однодорожные транспортные средства

Первые солнечные "автомобили" на самом деле представляли собой трехколесные или четырехколесные транспортные средства, построенные с использованием велосипедных технологий. Они получили название "солямобили" на первом соревновании по солнечной энергии, Tour de Sol, проходившем в Швейцарии в 1985 году. Из 72 участников половина использовала исключительно солнечную энергию, а другая половина – гибриды, работающие на солнечной энергии и мускульной силе. Было построено несколько настоящих солнечных велосипедов, либо с большой солнечной крышей, небольшой задней панелью, либо с прицепом, оснащенным солнечной панелью. Позже были созданы более практичные солнечные велосипеды со складными панелями, которые устанавливались только во время стоянки. Еще позже панели стали оставлять дома, подключая их к электросети, а велосипеды заряжали от сети. Сегодня доступны высокоразвитые электрические велосипеды, потребляющие так мало энергии, что покупка эквивалентного количества солнечной электроэнергии обходится недорого. "Солнечная энергия" эволюционировала от реального оборудования к косвенной системе учета. Та же система применима и к электрическим мотоциклам, которые также впервые были разработаны для Tour de Sol.

Приложения

Venturi Astrolab в 2006 году стал первым в мире коммерческим электро-солнечным гибридным автомобилем, и первоначально планировалось выпустить его в январе 2008 года. В мае 2007 года консорциум канадских компаний под руководством Hymotion модифицировал Toyota Prius для использования солнечных элементов, вырабатывающих до 240 Вт электрической мощности при ярком солнечном свете. Сообщается, что это обеспечивает дополнительный запас хода до 15 км в солнечный летний день при использовании только электродвигателей. В 2005 году изобретатель из Мичигана, США, создал уличный, зарегистрированный и застрахованный электроскутер с солнечной зарядкой. Его максимальная скорость была ограничена чуть более 48 км/ч, а для зарядки аккумуляторов во время стоянки использовались раскладные солнечные панели.

Вспомогательная мощность

Фотоэлектрические модули коммерчески используются в качестве вспомогательных силовых установок в легковых автомобилях для вентиляции салона и снижения температуры в жаркую погоду, когда автомобиль припаркован на солнце. Такие автомобили, как Toyota Prius 2010 года выпуска, Aptera 2, Audi A8 и Mazda 929, предлагали солнечные люки для целей вентиляции. Площади фотоэлектрических модулей, необходимой для питания автомобиля с традиционной конструкцией, недостаточно для размещения на борту. Был создан прототип автомобиля с прицепом под названием "Solar Taxi". Согласно информации на сайте, он способен преодолевать 100 км в день, используя 6 м² стандартных кристаллических кремниевых элементов. Электричество накапливается в никель-солевой батарее. Однако стационарную систему, такую как солнечная панель на крыше, можно использовать для зарядки обычных электромобилей. Также возможно использовать солнечные панели для увеличения запаса хода гибридного или электрического автомобиля, как это реализовано в Fisker Karma, предлагается в качестве опции для Chevy Volt, установлено на капоте и крыше модификаций "Destiny 2000" Pontiac Fieros, Italdesign Quaranta, Free Drive EV Solar Bug и многих других электромобилей, как концептуальных, так и серийных. В мае 2007 года канадское партнерство компаний под руководством Hymotion установило фотоэлектрические элементы на Toyota Prius для увеличения запаса хода. SEV заявляет о ежедневной потребности в энергии от комбинированного модуля мощностью 215 Вт·ч, установленного на крыше автомобиля, и дополнительной батареи емкостью 3 кВт·ч. 9 июня 2008 года президенты Германии и Франции объявили о планах предоставить льготу в размере 6–8 г/км выбросов CO2 для автомобилей, оснащенных технологиями, "которые еще не учитываются при стандартном цикле измерения выбросов автомобиля". Это вызвало предположения о возможном широком внедрении фотоэлектрических панелей в автомобильной промышленности в ближайшем будущем. Технически также возможно использовать фотоэлектрическую технологию (в частности, термофотоэлектрическую (ТФЭ) технологию) для обеспечения тяги автомобиля. Топливо используется для нагрева излучателя. Образующееся инфракрасное излучение преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрического элемента с узкой запрещенной зоной (например, GaSb). Был даже создан прототип гибридного автомобиля на ТФЭ. "Viking 29" стал первым в мире автомобилем, работающим на термофотоэлектрической энергии (ТФЭ), разработанным и построенным Институтом транспортных исследований (VRI) при Западном Вашингтонском университете. Для того, чтобы ТФЭ стала конкурентоспособной по сравнению с топливными элементами или двигателями внутреннего сгорания, необходимо повысить эффективность и снизить стоимость.

Photovoltaic modules are used commercially as auxiliary power units on passenger cars to ventilate the car, reducing the temperature of the passenger compartment while it is parked in the sun. Vehicles such as the 2010 Prius, Aptera 2, Audi A8, and Mazda 929 have had solar sunroof options for ventilation purposes. The area of photovoltaic modules required to power a car with conventional design is too large to be carried on board. A prototype car and trailer has been built called Solar Taxi. According to the website, it is capable of 100 km/day using 6 m2 of standard crystalline silicon cells. Electricity is stored using a nickel/salt battery. A stationary system such as a rooftop solar panel, however, can be used to charge conventional electric vehicles. It is also possible to use solar panels to extend the range of a hybrid or electric car, as incorporated in the Fisker Karma, available as an option on the Chevy Volt, on the hood and roof of "Destiny 2000" modifications of Pontiac Fieros, Italdesign Quaranta, Free Drive EV Solar Bug, and numerous other electric vehicles, both concept and production. In May 2007 a partnership of Canadian companies led by Hymotion added PV cells to a Toyota Prius to extend the range. SEV claims per day from their combined 215 Wh module mounted on the car roof and an additional 3 kWh battery. On 9 June 2008, the German and French presidents announced a plan to offer a credit of 6–8 g/km of CO2 emissions for cars fitted with technologies "not yet taken into consideration during the standard measuring cycle of the emissions of a car". This has given rise to speculation that photovoltaic panels might be widely adopted on autos in the near future. It is also technically possible to use photovoltaic technology, (specifically thermophotovoltaic (TPV) technology) to provide motive power for a car. Fuel is used to heat an emitter. The infrared radiation generated is converted to electricity by a low band gap PV cell (e. g. GaSb). A prototype TPV hybrid car was even built. The "Viking 29" was the World's first thermophotovoltaic (TPV) powered automobile, designed and built by the Vehicle Research Institute (VRI) at Western Washington University. Efficiency would need to be increased and cost decreased to make TPV competitive with fuel cells or internal combustion engines.

Личный быстрый транзит

Несколько концепций персонального быстрого транспорта (PRT) включают в себя фотоэлектрические панели.

Вода

Солнечные лодки в основном ограничивались реками и каналами, но в 2007 году экспериментальный 14-метровый катамаран Sun21 совершил плавание через Атлантический океан из Севильи в Майами, а оттуда – в Нью-Йорк. Это был первый переход Атлантики, осуществленный исключительно за счет солнечной энергии. Крупнейшая японская судоходная компания Nippon Yusen KK и Nippon Oil Corporation объявили о размещении на крыше 60 213-тонного автомобилевоза, используемого Toyota Motor Corporation, солнечных панелей, способных генерировать 40 киловатт электроэнергии. В 2010 году была представлена яхта Tûranor PlanetSolar, длиной 30 метров и шириной 15,2 метра, работающая от солнечных панелей площадью 470 квадратных метров. На сегодняшний день это самая большая лодка, работающая на солнечной энергии. В 2012 году PlanetSolar стала первым в мире солнечным электромобилем, совершившим кругосветное плавание. Было создано несколько демонстрационных систем. Любопытно, что пока ни одна из них не использует значительное увеличение мощности, которое может дать водяное охлаждение. Низкая плотность энергии современных солнечных панелей ограничивает применение судов с солнечным приводом; однако лодки, использующие паруса (которые, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, не вырабатывают электроэнергию), полагаются на питание от аккумуляторов для электроприборов (таких как холодильное оборудование, освещение и связь). В этом случае солнечные панели стали популярным решением для зарядки аккумуляторов, поскольку они не создают шума, не требуют топлива и часто могут быть легко установлены на существующей палубной площади.

Воздух

Солнечные корабли могут относиться к дирижаблям, работающим на солнечной энергии, или к гибридным дирижаблям. Военные проявляют значительный интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА); солнечная энергия позволила бы им находиться в воздухе месяцами, став гораздо более экономичным средством выполнения некоторых задач, которые сейчас выполняются спутниками. В сентябре 2007 года был зарегистрирован первый успешный 48-часовой полет БПЛА, работающего на постоянном питании от солнца. Это, вероятно, станет первым коммерческим применением фотоэлектрических элементов в авиации. Было создано множество демонстрационных солнечных самолетов, среди наиболее известных – разработки компании AeroVironment.

Беспилотные летательные аппараты

Pathfinder и Pathfinder Plus – Этот БПЛА продемонстрировал, что самолет может оставаться в воздухе в течение длительного времени, работая исключительно на солнечной энергии. Helios – Разработанный на базе Pathfinder Plus, этот БПЛА, работающий на солнечных и топливных элементах, установил мировой рекорд полета. Qinetiq Zephyr – Созданный компанией Qinetiq, этот БПЛА установил неофициальный мировой рекорд по продолжительности беспилотного полета, превысив 82 часа 31 июля 2008 года. Всего через 15 дней после полета Solar Impulse, о котором упоминалось выше, 23 июля 2010 года Zephyr, легкий беспилотный летательный аппарат, разработанный британской оборонной компанией QinetiQ, установил рекорд продолжительности полета для беспилотных летательных аппаратов. Он находился в воздухе над Аризоной более двух недель (336 часов). Также он поднялся на высоту (. Китайский беспилотный летательный аппарат, спроектированный и изготовленный в Китае, успешно достиг высоты во время испытательного полета в северо-западных регионах страны. Названный "Caihong" (CH), что в переводе с английского означает "Радуга", он был разработан исследовательской группой из CASC.

Космический корабль на солнечной энергии

Солнечная энергия часто используется для обеспечения энергией спутников и космических аппаратов, работающих во внутренней солнечной системе, поскольку она может длительное время обеспечивать энергией без значительной массы топлива. Спутник связи содержит несколько радиопередатчиков, которые работают непрерывно на протяжении всего срока службы. Использовать первичные батареи или топливные элементы для питания такого аппарата (который может находиться на орбите годами) было бы нерентабельно, а дозаправка на орбите не представляется возможной. Однако солнечная энергия обычно не используется для корректировки положения спутника, и срок службы спутника связи будет ограничен запасом топлива для поддержания орбиты.

Космические аппараты на солнечной энергии

Несколько космических аппаратов, работающих в пределах орбиты Марса, использовали солнечную энергию в качестве источника энергии для своей двигательной установки. Все современные космические аппараты, работающие на солнечной энергии, используют солнечные панели в сочетании с электрической тягой, как правило, ионными двигателями, поскольку это обеспечивает очень высокую скорость истечения рабочего тела и снижает расход топлива по сравнению с ракетным двигателем более чем в десять раз. Поскольку топливо обычно составляет основную массу многих космических аппаратов, это снижает стоимость запуска. Другие предлагаемые решения для космических аппаратов, использующих солнечную энергию, включают солнечный тепловой нагрев рабочего тела, обычно водорода или, иногда, воды. Электродинамический трос может использоваться для изменения ориентации спутника или корректировки его орбиты. Еще одна концепция солнечной тяги в космосе – световой парус, который не требует преобразования света в электрическую энергию, а вместо этого напрямую использует крошечное, но постоянное давление излучения света.

Планетарное исследование

Возможно, самыми успешными аппаратами, работающими на солнечной энергии, были "роверы", использовавшиеся для исследования поверхностей Луны и Марса. Программа "Луноход" 1977 года и "Mars Pathfinder" 1997 года использовали солнечную энергию для передвижения дистанционно управляемых аппаратов. Срок службы этих роверов значительно превысил бы ограничения, которые были бы наложены, если бы они работали на традиционном топливе. Два марсохода, участвовавших в программе исследования Марса, также использовали солнечную энергию.

Электрическая машина с солнечной помощью

Швейцарский проект под названием "Solartaxi" совершил кругосветное путешествие. Это был первый в истории случай, когда электромобиль (не автономный солнечный автомобиль) обогнул земной шар, преодолев 50 000 км за 18 месяцев и пересекая 40 стран. Это был серийный электромобиль, буксировавший прицеп с солнечными панелями, оснащенный солнечной батареей площадью 6 м². В Solartaxi установлены Zebra-аккумуляторы, обеспечивающие запас хода 400 км без подзарядки. Автомобиль также может проехать 200 км без прицепа. Его максимальная скорость составляет 90 км/ч. Масса автомобиля – 500 кг, прицепа – 200 кг. По словам инициатора и руководителя тура Луиса Палмера, серийное производство такого автомобиля может стоить 16 000 евро. Solartaxi совершил кругосветное турне с июля 2007 года по декабрь 2008 года, чтобы продемонстрировать наличие решений для борьбы с глобальным потеплением и стимулировать людей к поиску альтернатив ископаемому топливу. Палмер считает, что наиболее экономичным местом для размещения солнечных панелей на электромобиле являются крыши зданий, проводя аналогию с вкладом в банк в одном месте и снятием средств в другом. Компания Solar Electrical Vehicles устанавливает выпуклые солнечные элементы на крыши гибридных электромобилей.

Гибридные и солнечные электромобили

Интересным вариантом электромобиля является тройной гибридный автомобиль – PHEV, который также оснащен солнечными панелями для дополнительной помощи. В модели Toyota Prius 2010 года предусмотрена возможность установки солнечных панелей на крышу. Они питают систему вентиляции во время стоянки, обеспечивая охлаждение салона. Фотоэлектрические технологии находят широкое применение в транспорте как для привода, так и в качестве вспомогательных силовых установок, особенно там, где требования к топливу, обслуживанию, выбросам или уровню шума делают невозможным использование двигателей внутреннего сгорания или топливных элементов. Однако из-за ограниченной площади поверхности транспортного средства, при использовании для привода, скорость и/или дальность хода оказываются ограниченными.