关于汽车车顶太阳能装置的设计研究

刘博　甄彩霞　郭磊

摘 要：随着科技的进步和我国对于生态环境的重视，电动汽车和新能源汽车越来越受到人们的青睐，但是在车辆远距离行驶过程中，会存在电量供应不足，储备电量不足等问题，一旦储电装置出现问题，很可能会导致车辆半路抛锚。太阳能技术是一种新能源技术，在车顶安装太阳能装置可以收集日间阳光，将其转化为电能储存起来，进而为汽车提供动力来源。本文就是针对汽车车顶太阳能装置进行研究，分析其具体的装置特点和功能，为新能源汽车的发展奠定良好的基础。

关键词：新能源汽车;太阳能车顶;电能转化

过去的一些年里，各行各业对于传统的能源过于依赖，煤炭、石油资源的利用导致自然界能源总量骤减，且给生态环境带来了很多不利的影响。新能源在这一时期就凸显出了显著的优势，采用新能源技术可以减少对自然环境的污染。汽车燃油尾气排放出的有毒气体增加，部分城市的空气污染严重，采用新能源如太阳能，可以为汽车提供设备运行电力，进而减少对环境的污染和破坏，低碳和环保是汽车未来发展的主要方向。

1 太阳能的特点

1.1 储量丰富

太阳能是一种新兴的能源，其储量十分丰富，每年辐射地球的太阳能相当于完全燃烧1.3×106亿吨煤炭释放出的能量。且通过科学的计算和分析，从可以推算的时间来看，太阳辐射的消耗量极少，太阳能可谓是取之不尽、用之不竭的能源。

1.2 分布十分广泛

主要能够接受太阳辐射的地区都可以大力开发太阳能能源，且不需要运输，收集辐射就可以收集太阳能，太阳能的使用效率较高，对于我国这种应用传统能源较多的国家，太阳能的开发具有显著的现实意义，可以减少对传统能源的利用，降低对自然环境的污染和破坏。

1.3 能源清洁性较强

太阳辐射不会产生环境的污染，太阳能开发和利用不会对环境造成破坏，太阳能被认为是最为清洁的新型能源之一。

1.4 经济性

太阳能与传统能源相比，其经济性更强，太阳能目前被广泛应用在发电，收集太阳能的发电站管理上优越性更强，且应用和开发的成本较低，尤其和火电站和风电站相比较，经营的成本明显较低。

2 太阳能应用于汽车的优势

21世纪以来，生态环境和能源问题引起了各个国家的重视，据统计，2005年我国汽车消耗了约占35%的石油，汽车排放的尾气严重超出国家规定的标准，对空气造成了巨大的污染，空气中二氧化碳增多，导致了温室效应。使用电动汽车或电器混合汽车是未来汽车发展的主要方向，这类汽车可以减少对传统能源的使用，使用太阳能装置吸收太阳辐射，可以为汽车提供充足的电能。每年地面接收太阳辐射为1.8×1018Kw·h，太阳能储量是不可计算的，不会对自然生态环境造成影响，这也是选择太阳能技术应用在汽车供电的重要原因，可以为驾驶者和乘车人带来舒适环境，同时延长汽车行驶里程。

我国最早的汽车使用太阳能发电装置的是大众Passat汽车，完成了相应的实验，使用了小型车顶太阳能发电装置，利用的是“通用电力公司”制造，太阳能装置输出功率约160W。太阳能发电装置可以将太阳能转化为电流，可以弥补汽车发电设备的不足，可以为汽车蓄电池进行充电，这样可以减少油电混汽车汽油的消耗，经济性也是汽车行业思考的重要问题。

太阳能装置可以收集太阳能将其转化为电能，可以为汽车提供运行的动力，还可以支持汽车的其他设备和零部件运转，例如发动机系统、空调系统，都可以利用专业装置与太阳能装置相连，进而实现能量转化。

3 车顶太阳能装置工作原理

车顶太阳能装置安装在汽车的行李架上，这个装置主要利用电池板，运用单晶硅材料制成，电伏电池组将收集的太阳光和热量转化为电能。采用MPPTM控制器来控制电能的输出，转换的直流电存储于汽车的蓄电池中，汽车蓄电池负责汽车的供电，增加蓄电量可以延长汽车续航里程。

硅太阳能电池工作原理：硅太阳能发电原理主要利用半导体的光电效应，利用其熱敏性，半导体温度随太阳光照上升，半导体的导电能力就会增强，半导体主要由高纯度的硅和锗构成，形状似正四棱锥，正电荷代表硅原子，负电荷代表在硅原子周围的电子，硅晶体掺入3价元素，可以掺入硼元素，硅晶体会出现一个空穴，原子周围的电子会填补这个空缺，原来的位置又形成空穴，往复循环，会形成电流。

4 装置结构和组成

4.1 电池组选型

太阳能装置的核心部件就是电池组，这也是太阳能板成本最高的部分，电池阵列由电池组成，单晶硅材料的转换率较高，可以达到20%，多晶硅转换效率较低，因此，本次研究主要选取单晶硅材料制成的电池组。根据汽车车顶达标，设计制造组件能布满车顶行李架。

4.2 太阳光板支架结构

（1）上板组支架结构。上支架的支架结构主要用于支撑电池板，主要使用六根支柱，支柱与底座使用螺栓连接，电池阵列之间使用卡扣固定，这样方便拆卸，为防止支架发生不稳定，底座螺栓孔方向是垂直的，前面的支柱安装滑轨。

（2）下板组支架结构。下层支架结构要考虑不要遮挡驾驶人视线，要结合选用的电池组件规格，并排组装3块电池组。电动汽车震动会使下板组颤动，会对系统造成损坏，下层支架向车尾方向延伸，利用滑轨支撑，伸缩运动通过滚珠丝杠来实现。支架安装时要考虑车辆的安全高度，滚珠丝杠选择要注意规格和质量，要根据设计要求。

5 结语

总之，汽车车顶太阳能装置的作用主要是将太阳能转化为电能，为汽车行驶和汽车设备运转提供电能动力，太阳能是一种取之不尽的清洁能源，利用太阳能的优势应用在电力和油电混汽车中有助于降低汽车尾气对环境的污染，有助于汽车产业朝着低碳环保的方向发展。

参考文献：

[1]周雪纯.独立太阳能供电系统的设计与研究[D].西安科技大学，2011.

[2]李王宇辰.太阳能应急发电车的开发与研究[D].湖南：湖南大学，2012：1-3.

[3]刘豫喜，宋中界，霍治军，高洁，贾利军，成梁，王振鹏，谢敬龙.

拖拉机顶棚扇式折叠太阳能板发电系统：201410061898.3[P].2014-02-25.

项目名称：太阳能车顶装置系统的研究

项目编号：GYZD-201903

项目类别：一般指导项目