电动汽车的终极动力是太阳能吗?

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纯电动车(EV)基于很多原因,是当今设计、制造和销售方面的热门话题。尽管2020年在美国销售的车辆中只有大约2%是纯电动车,但预计此一数字将在未来五年、十年和二十年内大幅增加。至于会增加多少很难有个明确的答案,因为来自全球各地的市场分析师和专家分别使用各种不同的方法进行预测,使得预测结果从适度增加到大幅成长都有。

然而,为何只考虑透过电网或先进家用太阳能/水力/地热系统充电的电动车呢?为何不干脆将太阳能电池直接置于车顶,因而可能就不需要连接到任何系统呢?它是属于个人的、可以携带,也是从永无止尽的免费来源取得的终极能源类型——还有什么比这更好的呢?

尽管听起来雄心勃勃,但有些公司正在开发透过这种太阳能板充电的车辆(它们还包括用于传统电动车充电的车载充电器)。但这一类汽车辆并不是您在知名的“澳洲世界太阳能挑战赛”(Australian World Solar Challenge)中看到的那些车辆。该挑战赛已经举办了有三十多年之久,竞赛中共有三种等级的汽车(1),其中竟没有一辆接近“可以在街道上合法行驶”的车辆。

 

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图1:“澳洲世界太阳能挑战赛”(Australian World Solar Challenge)自1987年起每两年举办一次;它的参赛车辆都是独一无二的,但没有一辆接近“可以在街道上合法行驶”。(图片来源:Australian World Solar Challeng)

总部位于荷兰的Lightyear是致力于开发太阳能发电车辆的公司之一,他们开发的车型名为Lightyear One (图2)。该车款型并非采用单一的马达和变速箱,而是搭载了大约50平方英呎的太阳能电池(4.6m2)和四个轻量级的电动马达(每个车轮一个),以便将重量减到最轻,并延长续航里程。

 

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图2:Lightyear One看起来像是一辆传统轿车,但它能够完全独立地进行太阳能充电。(图片来源:Lightyear)

Lightyear One原型车在充满电后据称续航里程可超过440英哩(700公里);一整天在阳光下的续航里程则可以达到40多英哩(64公里)。若您想知道“它的价格”和“上市日期”,答案是“175,000美元”和“明年”进行生产。但您说也别急着说“这太疯狂了”,因为该公司声称这辆车在欧洲已被预约了超过160辆,其中大部份都是预先付好头期款项的(美国的销售计划则将在稍后进行)。

另一家太阳能车的开发厂商是位于美国圣地亚哥市的Aptera Motors。其Luna是一款两人座的鸥翼式三轮车(图3)。该车搭载大约24平方英呎(2.2平方公尺)的太阳能电池,据称在夏日的阳光下充电一整天后的续航里程可达40英哩;其配备的350V电池组在充满电后可以让该车行驶250到1,000英哩,具体是取决于电池组的容量,不论充电来源是太阳能还是电网,其范围都可达到每小时700瓦。

 

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图3:Aptera Luna是一款三轮的太阳能车,据称在一整天充满电后的续航里程可达到40英哩。(图片来源:Aptera Motors Corp.)

至于价格呢,该厂商表示明年将为美国客户提供续航里程为400英哩的汽车版本,基本车款的起价为29,800美元—远低于Lightyear One。该厂商将此车款归类于三轮摩托车,而不是房车,藉以避免如安全气囊等某些监管要求。(该厂商表示在美国大多数的州,这种车辆不需要摩托车驾照,只需要一般的驾驶执照。)

由于使用高度先进的复合材料,该车三个车轮的滚动阻力比四个车轮更低,而且其重量极轻。此外,Aptera还声称其成功的关键之一是远低于传统车辆的阻力系数(风阻)(图4)。请注意,阻力系数极为重要,因为阻力的影响会随着车辆速度的平方而增加。

 

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图4:Aptera Luna的阻力系数是标准车辆的一半,但是典型世界太阳能挑战赛车辆(专为独特的比赛场景而设计)的两倍。(数据源:Aptera Motors Corp.)

所有的这些许诺都不错,但也许是反思现实的时候了。虽然我并不怀疑这些新创公司的诚意,但却对他们可能做出的乐观假设感到纳闷:基本的物理数字是很难克服的。在太阳、季节和地球纬度的最佳情况下,此类太阳光伏电池(PV Cell)可用的表面积就是无法提供多大的电量;即使它们的效能大幅提升,抵达地球的日射量(Solar Radiation)充其量也是不太多的。

情况是这样子的:地球表面大约99%的日射量或是短波辐射是位于0.3到3.0µm的区域,介于紫外线和近红外线之间。在地球大气层的上方,日射量的强度约为每平方公尺1380W/m2,称为太阳常数(Solar Constant)。当纬度在40⁰,由于大气衰减之故,在夏季月份的日照正午晴天中,地表的日射量强度值约为每平方公尺1000W/m2 (请参见美国能源部的“日射量基础知识”(Solar Radiation Basics)

利用您认为现在和不久将来对PV电池、功率转换和管理电路、变频器、电池和马达而言属于实际的数字,自己粗略计算看看(图5)。您可能会看到,即使在充满夏日阳光的“理想”条件下,可以取得且能在随后利用的太阳能量是相当低的(请记住,1马力约为750W)。

 

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图5:用“信封背面”做成独一无二的笔记簿有助于在数值分析中进行广泛的估计。要提醒您的是,准确度并不总是一件好事;与意味着最终答案不切实际的准确性相比而言,约略估计的数字通常更好。(图片来源:作者)

当然了,由于云层、阴影、较短的白天和众多其它因素之故,这种情况会迅速恶化。再者,当阳光充足而且汽车并未使用时,增加更多电池以取得更多太阳能来增加可能的续航里程,意味着只会增加车体重量并造成续航里程的耗损。

您对这些太阳能车的可行性有何看法?在这方面有许多提问,包括:

  • 在更长远、雄心勃勃且也许还令人兴奋的产品开发旅程中,它们是否踏出了第一步?
  • 或者对于那些每天不需多少负重,而且只要通勤几英哩的人们而言,它们只是昂贵的“玩具”吗?
  • 它们真的比较像是外部充电,但添加了这些太阳能面板“功能/噱头”的电动车吗?
  • 它们是否仅适用于极少数人,尤其是那些有另一部车可用于长途旅行或阴天的人?
  • 此类汽车的车主是否会寻找阳光充足的地方(而且随着太阳的移动,阴凉处也会跟着移动)停车,并避开停车场,而不是把车停在阴凉处?
  • 如果汽车缺乏标准安全功能(有许多是强制性的)及目前如暖气和空调等标准舒适功能的话,人们会接受吗?

 

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