陈 屹 孙锡红

（上海理工大学 中国 上海 200093）

节能减耗、提高效率、使用清洁能源一直是汽车行业的创新方向，但由于配套技术的限制，使得这个方向始终发展缓慢。太阳能汽车由于太阳能电池的效率不足，受环境天气影响巨大，和续航能力，爬坡能力的限制，使其成为少数掌握此类技术的大专院校或汽车公司的实验品。本文从以下几方面，探讨新型民用太阳能汽车的发展与未来。

1 当前太阳能汽车发展的瓶颈

太阳能汽车的发展主要受制于其动力来源和动力输出，即太阳能的收集和转换效率，及电动汽车的能量储备和续航能力。

1.1 太阳能电池的转换效率低

太阳能电池的发电原理是利用光伏技术，即爱因斯坦所提出的光电效应为主要理论依据，当太阳光照射在当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子于导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应于射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的数值时，电流才能产生。绝大部分的导体，半导体只能对频率超过黄光的射线产生光电效应。众所皆知，太阳光以橙黄色为主，因而太阳能电池的发电效率并不高。

1.2 太阳能电池转换效率的计算

图1 某太阳能车车速与功率比较

现阶段普遍的太阳能电池的转换效率约在17%-20%的区间。比如，覆盖车身的太阳能电池板的面积约为2.5m2，其峰值功率（STC情况下测试的功率，也就是在：温度 25°，辐照度 1000W/m2,光谱AM1.5时。）

如进行简单计算，可以得到：

其中：EI为本征费米能级[1]；

A为太阳能电池板的面积；

即在日照良好的情况下，该车的太阳能电池所能提供的功率仅为500W。若整车以复合材料为主要材料，满载重量约300kg。则正常车速（10km/h）、最高车速（15km/h）以及最大爬坡度工况行驶，其所需的功率分别为86W、141W和393W。若整个系统的输出效率为70%，见图1。

1.3 常规光伏系统的组成

在低速状态下的太阳能汽车，其输出功率和适应能力尚且不尽如人意，在爬坡时，不足的功率部分当然需要依靠人力或者蓄电池完成。常规光伏系统见图2。车的辅助动力来源。

2 太阳能车续航能力的局限及汽车储能器的性能比较

太阳能电池所运用的光伏技术是瞬间产生电流，如果失去阳光，或者阳光条件不好的阴天，或是进入隧道等，会造成汽车动力来源失效，所以必须配有储能系统。新能源汽车的常用储能原件有蓄电池、燃料电池、飞轮电池和超级电涌，又是也将它们混合起来使用。其中，蓄电池包括铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、钠硫蓄电池、钠氯化镍蓄电池和锂电池；燃料电池包括碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池 （PAFC）、氢离子固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）。

图2 常规光伏系统组成

图3 2010年上海工博会上太阳能车

正常情况下，即民用普通车辆的情况下，太阳能或许仅仅只能被用作概念的一部分或者混合动力汽

表1 各种储能器件性能比较

衡量储能器件的常用指标有比能量、能量密度、比功率、功率密度、循环寿命、快速充电性能、充放电时间以及价格。各种汽车储能器的性能比较，如表1所示。

由于传统蓄电池的质量较大，比能量较小，循环寿命不尽如人意，所以在新能源汽车，特别是太阳能电动车的引用上一般不予以考虑。以轻量化，比能量大，循环寿命长为出发点的新能源汽车一般可以选用：镍氢电池 （64%）、锂离子电池（15%）、燃料电池、飞轮电池等。而在不考虑轻量化的大型民用新能源车辆上一般使用超级电容。

在2010年上海工业博览会上，上海汽车集团，推出了一款概念车（见图3），该车外形小巧可人，其车顶和车前盖覆有薄膜太阳能电池，约1.5m2，其转换效率低于太阳能电池板。但经现场工作人员介绍，此车型仅为概念车型，该车主要的动力来源是上海汽车集团新研发的锂电池，放弃了原先主推在大型公交车上的超级电容。此举大大降低了整车重量，但太阳能电池板只是辅助动力来源。

3 新型混合能源汽车的思考

锂离子电池的比能量一般可以达到100Wh/kg，比功率则可以高达1500W/kg，这一点是铅酸电池和镍氢电池无法比拟的。锂离子单元电池的平均电压为3.6V，相当于三个镍镉电池串联起来的电压值，因此可以减少蓄电池组的数目，从而降低因单元蓄电池电压差造成的电池故障发生率，可以延长电池组的寿命。且锂离子电池无记忆效应，充点前可以不需要放电。大大提高使用方便性。同时锂离子电池的自放电率低，不含重金属等多项优点，但锂离子电池在过充或电流过大的情况下极易发生短路或保障，其安全性是应用锂电池于汽车中最重要的问题。尤其是在电动机启动（汽车起步）的过程中，瞬间电流会加大，对锂离子电池的安全性产生巨大的考验。

图4 锂离子电池太阳能汽车结构示意图

飞轮电池，又称为电动机械电池，他的主要特性是储能密度大，输出功率大，充放电时间快，使用寿命长，比功率可达1000W/kg，成本介于蓄电池和燃料电池之间。尤其是他对环境不会造成任何污染，更体现了当代新能源汽车的发展方向。早在20世纪50年代，瑞士Derlikon Energy公司就制造了第一辆由飞轮系统独立供能的旅行车。飞轮直径2.4m，重1500kg，转速达 3000r/min，正常载客 70人，一次充电越能行进500m。如今，新型飞轮每充一次电可以行使560km；加速性能优越，时速从0-100km/h仅需6秒。飞轮使用寿命25年。一次充电仅需15分钟。日本东北大学正在研制一种由飞轮电池，太阳能电池，锂离子电池和内燃机组成的低排放的环境友好型混合动力车。其研究结果表明，飞轮电池能够提高锂离子电池的使用寿命。

图5 太阳能飞轮电池汽车简单结构设想示意图

总之，各种现阶段所有的储能原件均不能有效的安全的可靠的单独运用在新能源汽车上，尤其是太阳能动力汽车。所以，现在要制造纯太阳能民用汽车还为时过早。但同时由多种储能原件组合而成作为动力来源，以太阳能为主，或太阳能作为辅助动力来源的民用小型汽车的制造确实离我们不远了。

［1］伊建华，等，主编.半导体硅材料基础：太阳能光伏产业——硅材料系列教材[M].化学工业出版社，2009,7.