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太阳能汽车设计[毕业设计论文]

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太阳能 汽车 设计
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第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 太阳能汽车 2
1.3 太阳能汽车的发展历史 4
1.3.1 国外太阳能汽车的发展 4
1.3.2 国内太阳能汽车的发展 6
1.4 本文的研究工作与意义 7
1.4.1 研究工作 7
1.4.2 本文的主要研究内容 8
第二章 太阳能汽车的基本结构和原理 9
2.1 电力系统 10
2.1.1 太阳能电池 10
2.1.2太阳能控制器 12
2.1.3 蓄电池组 13
2.1.4电机控制器 13
2.1.5电机 13
2.2 机械系统 14
2.2.1 车架和车壳 14
2.2.2 底盘和悬架 14
2.2.3 驾驶转向、刹车制动系统 15
2.3  太阳能汽车的使用说明 17
2.3.1特征与功能 17
2.3.2注意事项 17
第三章 太阳能汽车电源系统设计 18
3.1 设计目标 18
3.2 动力性能分析 18
3.2.1 汽车的驱动力 18
3.2.2 汽车的行驶阻力 18
3.2.3 动力性能计算 19
3.3 设计校核 20
3.3.1 安全性分析 20
3.3.2 最大速度估算 20
第四章 太阳能汽车性能分析 21
4.1 太阳能电池板传热模型 21
4.2 太阳辐射的逐时计算 22
4.2.1 太阳辐射计算基础 22
4.2.2 太阳辐射的逐时计算模型 26
4.2.3 西安夏天太阳辐射数据计算 26
4.3 大气温度的逐时计算 28
4.3.1 大气温度的逐时计算模型 28
4.3.2 西安夏天逐时空气温度计算 28
4.4 太阳辐射和大气温度的气象统计数据 29
4.5 太阳辐射和气温对太阳能电池最大功率的影响 29
4.6 汽车重量和外形对性能的影响 31
4.7 提高太阳能汽车性能的因素 32
第五章 总结 33
5.1 本文总结 33
5.2 展望 33
参考文献 35
致谢 36
附录 37
   

   
     
第一章 绪论
1.1 引言
   根据《BP 2030世界能源展望》数据:未来20年里,世界的能源需求注定继续增长,其中石油、天然气等化石燃料在能源结构中的份额将持续下降,而非化石燃料和可再生能源的份额将持续上升,至2030年,可再生能源(包括生物燃料)将占到能源消费增长的18%,可再生能源在全球能源市场的普及速度将类似于20世纪70年代和80年代核电的出现。由于各国节能减排政策的实施以及日本核事故的影响,来源广泛、环境影响较小的太阳能等新能源受到越来越多的重视。
   太阳能能源是来自地球外部天体的能源(主要是太阳能)。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外,水能、风能、潮汐能等也都是由太阳能转换来的。
   太阳能利用基本方式可以分为如下4大类。
   (1) 光伏发电。
   光伏发电基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能,它的基本装置是太阳能电池。光伏发电系统主要可以分为离网和联网两种运行方式。与公共电网相连的光伏发电系统成为联网系统,已经成为电力工业的重要组成部分,特别是其中的光伏电池与建筑结合的联网屋顶太阳能光伏系统是众多国家竞相发展的热点。离网系统主要应用于远离公共电网的无电地区和特殊场所,如通信基站、地震气象台站、海岛灯塔等,同时也是很多边远偏僻农村、牧区、海岛的生活用电来源。
   (2) 光热利用
   它的基本原理是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置,主要有平板型电池板、真空管电池板和聚焦电池板等3种。通常根据所能达到的温度和用途的不同,而把太阳能光热利用分为低温利用(<200℃)、中温利用(200~800℃)和高温利用(>800℃)。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等,中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等,高温利用主要有高温太阳炉等。
   (3) 光化利用
   这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光化学转换方式。
   (4) 光生物利用


内容简介:
西安文理学院机械电子工程系本科毕业设计(论文)题 目 太阳能汽车设计 专业班级 08级机械(2)班 学 号 08102080240 学生姓名 汪 敏 指导教师 成 珂 设计所在单位 西安文理学院 2012年 5月西安文理学院本科毕业设计(论文)任务书题 目太阳能汽车设计学生姓名汪敏学 号08102080240专业班级机械设计制造及其自动化2班指导教师成珂职 称副教授教 研 室机械毕业设计(论文)任务与要求(1)主要任务结合太阳能发电系统和电动车,设计一套太阳能汽车,具备将太阳能转换为电能,通过控制系统存储到蓄电池,并驱动电动机带动汽车工作。(2)主要工作搭建光伏发电系统和电动车的电路和结构,利用太阳能驱动汽车工作,完成太阳能汽车传动系统的设计。(3)能力要求具有一定的电路知识和自学能力。毕业设计(论文)工作进程起止时间工作内容第1周第23周第45周第67周第89周第10周第11周第12周查阅太阳能汽车的相关资料,撰写开题报告。研究太阳能汽车传动系统的基本结构和参数。完成电源系统的设计与电气设备的选型。 设计出太阳能汽车的实体模型,进行调试。总结及撰写毕业论文。论文定稿。整理资料准备答辩。答辩。开始日期 2012.1.10 完成日期 2012.5.11 教研室主任(签字) 系主任(签字) 西安文理学院本科毕业设计(论文)开题报告题 目太阳能汽车设计学生姓名汪敏学 号08102080240专业名称机械设计制造及其自动化指导教师成珂开题时间2012.02.27班 级08机械2班3、 选题目的和意义本课题以太阳能汽车为研究对象,完成了太阳能汽车传动系统的设计,目前太阳能汽车的开发技术还不成熟,没有系统的理论基础,相关的设计方法都处于探索阶段。尽管国外的太阳能汽车发展方兴未艾,但国内的太阳能汽车的研究还是处于初始的阶段。通过本课题,我们可以探索太阳能汽车设计的基本方法和步骤,同时对影响太阳能汽车性能的关键因素进行分析。4、 本课题在国内外的研究状况及发展趋势 到目前为止,太阳能在汽车上的应用技术主要有两方面:一是作为驱动力,二是用作汽车辅助设备的能源。1982年澳大利亚人汉斯和帕金用玻璃纤维和铝支撑了一部“静静地完成者”太阳能汽车。车顶部装有能吸收太阳能的装置,给两个电池充电,电池再给发动机提供电力。这种太阳能汽车与传统的汽车不论在外观还是运行原理上都有很大的不同,太阳能汽车已经没有发动机、底盘、驱动、变速箱灯构件,而是由电池板、储电器和电机组成,利用贴在车体外表的太阳能电池板,将太阳能直接转换成电能,再通过电能的消耗,驱动车辆行驶,车得行驶快慢只要控制输入电机的电流就可以解决。目前此类太阳车的车速最高能达到100m/h以上,而无太阳光最大续行能力也在100km左右。2008年2月24日,一辆太阳能汽车亮相江苏靖江街头。这辆由6平方米太阳板和5组电瓶等材料造成的太阳能汽车正常时速是30至80公里,光照两天可行驶120-150公里,停在家门前还可当太阳能发电车发电供正常家用。由于太阳能发电和电动车的技术已经基本成熟,人们可以将太阳能发的电存储起来,再应用到电动车上。相信随着实用型太阳能电动车的不断改进和完善,它将具有无可辩驳的生命力,走进千家万户之中。三、 主要研究内容本文针对当今能源资源日益减少,太阳能作为电能的有效来源,正在大力发展,对太阳能汽车做了对太阳能汽车性能的关键因素进行了初步的研究。 (1) 介绍了太阳能的概念及在国内外的发展历史。(2) 介绍了太阳能汽车的产生背景和意义。(3) 研究了太阳能汽车的结构及原理。(4) 对太阳能电动汽车做了总体设计,主要确定了整车中传动系统的基本结构和参数。指导教师意见及建议: 汪敏同学针对太阳能汽车设计开展了前期调研工作,本科毕业设计所需内容准备充分,主要研究内容饱满,计划安排合理,同意开题,抓紧时间完成。 签字: 2012年2月27 日教研室审核意见: 签字: 年 月 日注:此表前三项由学生填写后,交指导教师签署意见,经教研室审批后,才能开题。西安文理学院本科毕业设计(论文)中期检查表题 目太阳能汽车设计学生姓名汪敏学 号08102080240专业名称机械设计制造及其自动化指导教师成珂检查时间20120409班 级08级(2)班毕 业 设 计(论文) 进 展 情 况 通过对太阳能汽车设计与制造的相关资料的学习,以及对整个设计的了解,现基本完成以下设计工作:1.完成太阳能汽车的设计与分析。此部分包含两部分内容:分别是电力系统和机械系统。2.主要确定了整车中传动系统的基本结构和参数,完成电源系统的设计与电气设备的选型。3.开始设计太阳能汽车的机械部分,设计出太阳能汽车的实体模型。下一步设计工作内容是搭建光伏发电系统和电动车的电路和结构,利用太阳能驱动汽车工作,完成太阳能汽车传动系统的设计。 指 导 教 师 意 见1.该生清楚自己的工作内容和技术路线;2.能够按自身的进度要求完成相关设计;3.能够与指导教师保持正常的师生指导关系。综上所述,同意按照设计进度进行后续工作。签字: 年 月 日教研室意见签字: 年 月 日 西安文理学院本科毕业设计(论文)指导教师评分表学生姓名汪敏学 号08102080240专 业机械设计制造及其自动化班 级08级(2)班毕业设计(论文)题目太阳能汽车设计设计(论文)起止时间 2012年1月10日至2012年5月18日指导教师评语:建议成绩:指导教师签名: 年 月 日西安文理学院本科毕业设计(论文)评阅教师评分表学生姓名汪敏学 号08102080240专 业机械设计制造及其自动化班 级08级(2)班毕业设计(论文)题目太阳能汽车设计设计(论文)起止时间 2012年1月10日至2012年5月18日评阅教师评语:建议成绩:评阅教师签名: 年 月 日西安文理学院本科毕业设计(论文)答辩记录学生姓名汪敏学 号08102080240专业名称机械设计制造及其自动化答辩时间2012年5月18日答辩地点B0403指导教师成珂题 目太阳能汽车设计答辩小组成 员姓 名职 称姓 名职 称提问及回答情况记录: 记录人签字: 年 月 日答辩成绩:答辩小组组长签名: 年 月 日毕业论文成绩答辩委员会认定成绩毕业论文等级系(院)答辩委员会意见:负责人签名: 年 月 日注:1、毕业论文成绩=指导教师成绩40%评阅教师成绩20%答辩成绩40%;2、答辩委员会认定成绩是根据该生毕业设计期间的表现及该专业整体论文情况的综合评定绩。3、论文等级分优秀(90分)、良好(8089分)、中等(7079分)、及格(6069分)、太阳能汽车设计摘要:太阳能汽车的发展,对解决人类发展所面临的能源危机和环境污染问题具有重要的意义。本文的主要研究工作和成果归纳为以下几点:1) 完成了一个太阳能汽车电源系统的初步设计,并就其电气设备的可靠性、安全性进行了分析和校核。2) 分析了太阳能电池、铅酸蓄电池和锂离子电池的特性,以此为基础进行了电气设备的选型。3) 根据气象统计资料和理论计算数据,建立了太阳能电池板温度的逐时变化模型。4) 分析了太阳能汽车车重和外形设计对其行驶性能的影响,并提出了改进太阳能汽车性能的建议。实际上,太阳能汽车电源系统的设计比这个复杂,考虑的因素也更多。本文通过此次尝试,可以积累一些太阳能汽车以及其电源系统设计的经验,为以后更好的设计打下基础。关键词:太阳能汽车;电源系统设计;性能分析The Design Of Solar CarAbstract:Development of the solar car will be a good solution to the energy crisis facing human. The main research work and results of this article summarized as follows:1) Completed the preliminary design of a solar car power supply system, made an analysis and verification to its reliability and security.2) Analysis of characteristics of solar cells, lead-acid and lithium ion batteries, and made the selection of electrical equipment on the basis. Completed the configuration of a solar panel and configuration design of three batteries, drew a circuit diagram of a solar car power system.3) Established a solar panel model of temperature change with time according to statistical data and calculation of meteorological data. 4) Analysis of the influence of vehicle weight and shape in solar car design and made recommendations to improve the performance of solar cars.In fact, the design of solar car power supply system is more complex than this, considering more factors. With this attempt in this article, we may accumulate some experience and lay the foundations for better design in the future.Keywords:solar car;power supply system design;performance analysis目录目录第一章 绪论11.1 引言11.2 太阳能汽车21.3 太阳能汽车的发展历史41.3.1 国外太阳能汽车的发展41.3.2 国内太阳能汽车的发展61.4 本文的研究工作与意义71.4.1 研究工作71.4.2 本文的主要研究内容8第二章 太阳能汽车的基本结构和原理92.1 电力系统102.1.1 太阳能电池102.1.2太阳能控制器122.1.3 蓄电池组132.1.4电机控制器132.1.5电机132.2 机械系统142.2.1 车架和车壳142.2.2 底盘和悬架142.2.3 驾驶转向、刹车制动系统152.3 太阳能汽车的使用说明172.3.1特征与功能172.3.2注意事项17第三章 太阳能汽车电源系统设计183.1 设计目标183.2 动力性能分析183.2.1 汽车的驱动力183.2.2 汽车的行驶阻力183.2.3 动力性能计算193.3 设计校核203.3.1 安全性分析203.3.2 最大速度估算20第四章 太阳能汽车性能分析214.1 太阳能电池板传热模型214.2 太阳辐射的逐时计算224.2.1 太阳辐射计算基础224.2.2 太阳辐射的逐时计算模型264.2.3 西安夏天太阳辐射数据计算264.3 大气温度的逐时计算284.3.1 大气温度的逐时计算模型284.3.2 西安夏天逐时空气温度计算284.4 太阳辐射和大气温度的气象统计数据294.5 太阳辐射和气温对太阳能电池最大功率的影响294.6 汽车重量和外形对性能的影响314.7 提高太阳能汽车性能的因素32第五章 总结335.1 本文总结335.2 展望33参考文献35致谢36附录37第2页西安文理学院本科毕业设计(论文)第一章 绪论1.1 引言根据BP 2030世界能源展望数据:未来20年里,世界的能源需求注定继续增长,其中石油、天然气等化石燃料在能源结构中的份额将持续下降,而非化石燃料和可再生能源的份额将持续上升,至2030年,可再生能源(包括生物燃料)将占到能源消费增长的18%,可再生能源在全球能源市场的普及速度将类似于20世纪70年代和80年代核电的出现。由于各国节能减排政策的实施以及日本核事故的影响,来源广泛、环境影响较小的太阳能等新能源受到越来越多的重视。太阳能能源是来自地球外部天体的能源(主要是太阳能)。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外,水能、风能、潮汐能等也都是由太阳能转换来的。太阳能利用基本方式可以分为如下4大类。(1) 光伏发电。光伏发电基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能,它的基本装置是太阳能电池。光伏发电系统主要可以分为离网和联网两种运行方式。与公共电网相连的光伏发电系统成为联网系统,已经成为电力工业的重要组成部分,特别是其中的光伏电池与建筑结合的联网屋顶太阳能光伏系统是众多国家竞相发展的热点。离网系统主要应用于远离公共电网的无电地区和特殊场所,如通信基站、地震气象台站、海岛灯塔等,同时也是很多边远偏僻农村、牧区、海岛的生活用电来源。(2) 光热利用它的基本原理是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置,主要有平板型电池板、真空管电池板和聚焦电池板等3种。通常根据所能达到的温度和用途的不同,而把太阳能光热利用分为低温利用(200)、中温利用(200800)和高温利用(800)。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等,中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等,高温利用主要有高温太阳炉等。(3) 光化利用这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光化学转换方式。(4) 光生物利用通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物、油料作物和巨型海藻。太阳能资源的普遍、安全可靠、无噪声、无污染等优点,使得太阳能电池是一个优良的电力来源。太阳能电池最早用于空间,至今人造卫星、空间站等飞行器仍是主要靠太阳能光伏发电系统来供给的。一个太阳能光电板能将太阳能转变为电能。光子在日光下产生能量带动电子从一个半运动的金属粒子的一层转移到另一个层面,电子的运动产生了通用的电力。目前,主要有两种类型的光电板:硅和砷化物。在这里有几个不同的等级并且有不同的效能。环绕地球卫星是典型的使用砷化合物,而硅则更为普遍的为地球(陆地)基础设备的使用。一般等级的太阳能汽车通常使用陆地级硅电池板。许多独立的硅片(靠近1000个)被组合,形成太阳能阵列。依靠电动发动机驱动太阳能汽车。这些陈列的通常工作电压在50-200V,并能提供1000W的电力。能量的大小受到太阳、云层的覆盖度和温度的影响阵列的输出。超级太阳能汽车通常类型的太阳能光电板也能使用。但更多的是使用太空级光电板。这种板很小,但是比普通的硅片电池板要昂贵的多,然而它们的使用效率非常的高。光电池板具有很强的技术性。它们的发展和使用是随着技术的发展而发展。并有部分是用于太空旅行和卫星输送系统中。随着太阳能电池材料技术的进步和更为先进的太阳能电池生产工艺的发展,性能更稳定、转换效率更高、成本更低的的太阳能电池已被应用于人们生产生活的各个方面,其中太阳能交通工具,如太阳能飞机、太阳能汽车的发展格外引人注目。7月6日,瑞士的太阳能飞机“太阳驱动号”进行了首次夜间飞行,载有一个驾驶员,连续飞行时间能到到26小时9分钟。其最大飞行高度为海拔8564米,平均时速为大约43公里,最大时速为126公里。而在2008年,瑞士冒险家路易斯帕尔默驾驶一辆太阳能汽车,不用一滴油完成绕地球行驶3.2万英里(5.2万公里)的壮举。1.2 太阳能汽车传统的石油资源日益枯竭,人们对石油资源的依赖性和石油储量的不断锐减形成了鲜明的反差。汽车产业的蓬勃发展也给社会环境带来了一定的压力。因此电动汽车应运而生,并在近几年迅速得到发展。纯电动、混合动力以及燃料电池汽车等相关技术已相对成熟。相比之下,太阳能汽车还很年轻。所谓太阳能汽车就是利用太阳能电池将太阳能转换为电能,并利用该电能驱动车辆行驶。太阳能汽车清洁、环保,可以说是真正“零排放”的交通工具。近年来,光伏产业发展迅速,国内外对太阳能汽车的研究方兴未艾,这都为太阳能汽车的实用化奠定了基础。太阳能发电在汽车上的应用,将能够有效降低全球环境污染,创造洁净的生活环境,随着全球经济和科学技术的飞速发展,太阳能汽车作为一个产业已经不是一个神话。太阳能汽车最具魅力的部分就是车身。光滑而又具有异域风情的外观是吸引眼球的部分,太阳能汽车是由若干主体部件组成。由于没有统一的标准而使得每一辆太阳能汽车各具特色。除了车子长度的强制性要求限制外。当我们设计太阳能汽车的主体时要让阻力达到最小值。而使太阳能与阳光的接触比达到最大值,重量要尽量小而安全系数尽量达到最高。在这些方面我们得到很多理论作为支撑,如在车子的形状和尺寸上我们花费大量的时间进行试跑测试。进而测出并试图得到最佳的外形效果。一个好的太阳能汽车外形能够节省几百瓦的能量,这也是制造一辆好的太阳能汽车所必须的。最初的挑战就是如何制造出一个高效的太阳能汽车底盘,从而使其强度和安全度达到最佳,并且重量最小。每一公斤的重量都需要足够大的能量使得在路面上移动。这就意味着工作组力求使车子的重量减到最小。而这个关键的部位就是汽车的底盘。然而,安全是一个基本的要求,底盘必须具有严格的强度和安全系数要求。通常,有三种类型的底盘使用在太阳能汽车上。1、空间框架结构2、半单体横造或碳纤维3、单体横造一个空间框架使用一个焊接或保护管结构用于支撑装载或车体,这种车体重量轻,但不能装载。合成的外壳是可以将分离的底盘组装起来。半单体横造或碳横梁使用合成横梁和空间隔开达到支撑装载的能力,而整合就不能支撑装载并承受一个整体的腹部底盘。在太阳能汽车的顶部每段是经常分割成片状,从而能够附加到腹部盘的上面。一个单体横造的太阳能汽车的底盘使用躯体结构并用来支撑装载。这三种类型的太阳能汽车底盘都能制造出强劲而又轻量型的太阳能汽车出来。许多太阳能汽车使用我们以上提到的三种底盘结构的组合方法。在上面结构中有一个例子就是带有组合空间框架的半单体横造,可以很好的保护驾驶员。由于太阳能汽车中复合材料得到广泛的应用,在这里我们需要对合成材料进行定义。这种合成材料是由象三明治夹层一样结构材料构成。碳纤维、KEVLAR和玻璃纤维,是一种普通的合成建筑材料。蜂窝状和泡沫塑料是常用的合成填充材料。这些材料用环氧基树脂保护起来。组合在具有KEVLAR和碳纤维的材料里。能够获得人需要的强度材料(相当于钢的强度),但是是非常轻质的材料。现就我们掌握的相关技术信息同有志于太阳能汽车研发和生产的单位或企业进行探讨。太阳能在汽车上的应用有以下几个途径:第一种途径:太阳能作为汽车的主要的驱动力,这也是我们通常所说的太阳能汽车。这种太阳能汽车与传统的汽车不论在外观还是原理上都有很大的不同,太阳能汽车已经没有发动机、底盘、驱动、变速箱等构件,而是由电池板、蓄电池和电机组成利用贴在车体外表的太阳电池板,将太阳能直接转换成电能,再通过电能的消耗,驱动车辆行驶,车的行驶快慢只要控制输入电机的电流就可以解决。目前此类太阳车的车速最高能达到l00km/h以上,而无太阳光最大续行能力也在80km左右。第二种途径:还有一种概念上的太阳能汽车,其实就是普通电动车。这种汽车在车体上没有安装光伏电池板,而只是配置蓄电池,而电能全部来自专门的太阳能发电装置。优点是外观与现有车辆类似,没有另类的感觉,缺点是要经常到太阳能电站充电,当然续行能力也受到限制。太阳能可以做充电站,比如在建筑或空旷的土地上上搭很多的太阳能电池板,把太阳能收集起来给电动汽车充电。第三种途径:太阳能主要是在传统汽车身上做辅助电池用,而不是作为汽车的驱动力。电池板产生的电能足够能供给汽车的灯光、音响或其他附件设备,甚至能够作为辅助电源,为手机、笔记本电脑等充电。一种所谓的“太阳能天窗技术”已在一些奔驰和奥迪车上有了应用。目前,太阳能汽车代替燃油车在目前还不能实现,主要是因为太阳能电池能量密度小,转化效率低,价格昂贵,技术还不成熟,所以目前还不能广泛推广使用。但是太阳能电动车是最清洁的绿色环保汽车,所以它的发展还是非常有前景的。1.3 太阳能汽车的发展历史1.3.1 国外太阳能汽车的发展第一个太阳能汽车通用汽车公司的William G.Cobb制造的,名叫Sunmobile,在1955年8月31日在芝加哥Powerama大会上向公众展示。这个太阳能车是由12个硅电池供电,汽车后轮上的小电机驱动性行驶。Sunmobile只有15英寸长,显然是太小了。1962年,人可驾驶的太阳能汽车第一次向公众展示。国际整流器公司把一辆老式贝克电动模型车改造成太阳能供电(如下图所示),汽车顶上安装有大约10640个太阳能电池。图1-11977年,阿拉巴马大学教授埃德Passereni建造了一辆名叫“蓝鸟”的太阳能汽车,这是一个完全尺寸的太阳能汽车。蓝鸟没有带蓄电池,其电力完全来自太阳能电池。蓝鸟在1982年世界博览会上展出过。1977年至1980年,东京电机大学教授藤田正治首先建造了一辆太阳能自行车,接着建造了一辆4轮太阳车,这款车实际上是两个太阳能自行车放在一起。1979年英国人弗里曼发明了一款三轮太阳能汽车,顶上安装着太阳能板。图1-21980年,以色列特拉维夫大学的Arye Braunstein和他的同事在建造了太阳能汽车Citicar(如下图)。车顶部和前部的电池板由432个太阳能电池组成,能输出400瓦的峰值功率。太阳能车使用8个6V蓄电池来存储存电力。车重1320磅,时速能达到40英里,能行驶50公里。图1-31981年,Hans Tholstrup和Larry Perkins建造了一辆太阳能赛车。1982年,两人成为第一个穿越澳大利亚大陆的车手,从珀斯到悉尼。Tholstrup是世界太阳能车挑战赛(WSC)的创办者。1984年,格雷格约翰森和乔尔戴维森建造了一辆名叫Sunrunner太阳能赛车。在加州莫哈韦沙漠的创造了时速41英里的只由光伏电池驱动的太阳能汽车(没有使用电池)的记录。1999年5月巴西圣保罗大学的科研人员设计出一款新型太阳能汽车。最高时速超过100km。2003年澳大利亚的世界太阳能汽车挑战赛上,由荷兰制造的“Nuna II”太阳能汽车取得了冠军,它以30小时54分钟的时间跑完了3010公里的路程,创造了太阳能汽车最高时速170公里的新世界纪录。图1-42011年1月17日,澳大利亚的新南威尔士州大学的学生打造的太阳能汽车Sunswift IV刷新了不使用蓄电池的太阳能汽车的速度世界记录,新纪录为为每小时54英里(约合每小时87公里),较原纪录提高了5英里(约合8公里)。图1-51.3.2 国内太阳能汽车的发展1984年9月,我国首次研制的“太阳号”太阳能汽车试验成功,并开进了北京中南海的勤政殿,向中央领导汇报。太阳号由湖北省金属学会新技术开发公司的黄绳溥等六位中青年科技人员,仅用了56天时间研制成功。太阳能汽车车顶上安装了2808块单晶硅片,组成10m2的硅电池板,装有三个车轮,自重159kg,操纵灵活,转向和变速方便,车速20km/h,遇阴雨或晚上,靠两个高效蓄电池供电,可连续行驶100km。1996年,清华大学参照日本太阳能汽车竞赛规范,研制了“追日”号太阳能汽车。该车使用转换效率为14%的矩形单晶硅电池阵列,在光照条件良好的状况下(地面日照强度为1000W/m2),向直流永磁无刷电机提供800W的动力。结构上采用前二后一的三轮式布置,后轮驱动。最高车速达80km/h。“追日”号是我国第一代参加国际大赛的太阳能赛车。2001年,上海交通大学设计制造了“思源”号太阳能电动车。该车长、宽、高分别为2100mm、860mm、800mm,满载质量400kg。其结构和动力系统与“追日”号相仿。但由于使用的是串联电阻的调速方式,其能量利用率低,车速仅2036km/h,续航能力也有限。在2005年举办的第九届全国大学生“挑战杯”赛上,上海交通大学的又一辆太阳能车参加了比赛。图1-6 上海交大学生制作的太阳能汽车1.4 本文的研究工作与意义1.4.1 研究工作本课题以太阳能汽车为研究对象,完成了太阳能汽车的电源系统的初步设计、材料应用,同时对影响太阳能汽车性能的因素,如天气,汽车重量,外形等,进行了分析。目前太阳能汽车的开发技术还不成熟,没有系统的理论基础,相关的设计方法都处于探索阶段。尽管国外的太阳能汽车发展方兴未艾,但国内的太阳能汽车的研究还是处于初始的阶段,高校学生由于受到各种各样条件的制约,在高校学生中间的太阳能汽车普及也很低。因此,本课题也是很有意义的一次尝试,我们试图通过本课题,探索太阳能汽车的设计基本方法和步骤,同时对影响太阳能汽车性能的关键因素进行初步的研究。1.4.2 本文的主要研究内容本文提出了一个太阳能汽车电源系统设计方案,进行了功率、力的匹配分析和校核,通过分析校核结果对电源系统进行改进。同时对电源系统进行了可靠性分析,并研究了影响太阳能汽车性能的因素,如天气、汽车重量、外形设计等。具体工作如下:(1) 介绍了太阳能汽车的结构原理以及在国内外的发展历史。(2) 提出太阳能汽车的设计目标,进行了功率和力的匹配分析分析。(3) 根据分析的结果完成了一个太阳能汽车电源系统的初步设计和电气设备选型,并对设计方案进行了可靠性分析。(4) 对影响太阳能汽车性能的因素,如天气、汽车重量和外形等进行了较为详尽的分析,并根据分析结果提出太阳能汽车的改进建议。第二章 太阳能汽车的基本结构和原理太阳能汽车,即以太阳能为主要驱动力的汽车,它的本质是一个电动车和一个离网光伏系统的结合体。我们可以把它分成两个系统:电力系统和机械系统。其原理和机构如下图所示。图2-1 太阳能汽车的组成电力系统主要由以下部件构成:太阳能电池板,太阳能(充放电)控制器,蓄电池,电机控制器和电机。该系统的作用是将太阳光的能量吸收转化成为电能带动电机旋转驱动汽车工作,并将多余的电能储存在蓄电池内。机械系统主要由车架,车壳,底盘,悬架,转向系统,制动系统和车轮组成。车架承载了太阳能汽车的所有的零部件和驾驶员。其强度要足够保证太阳能汽车的安全性。太阳能汽车的车壳和传统汽车有很大不同。流线型的车壳最大程度地减少了太阳能的风阻系数,布置合理的采光面可以有效得提供太阳能电池板的工作效率。悬架,转向和制动对于任何汽车来说都是必不可少的,但是相对于普通车辆太阳能汽车对悬架,转向和制动系统的要求有很大不同。太阳能汽车的所有部件都尽可能的轻便,可靠,易操作,易维护,因而结构功能简单是目前太阳能汽车机械系统的特点。我们在设计中,应尽量减少摩擦力和重量,根据不同的路况来设计需要的强度。轻质金属如铝合金和合成金属是常用的,使重量和强度达到最大程度。针对重量和强度的比例从而制造高效率的组件。机械系统包括刹车制动、方向盘和轮胎等。除了上述两大系统之外,太阳能汽车还配备有各种电子仪表,传感器等设备。图2-2 普通太阳能汽车的结构2.1 电力系统2.1.1 太阳能电池太阳能汽车的心脏部位就是电力系统,它由蓄电池和电能组成,电力系统控制器管理全部电力的供应和收集工作。蓄电池组就相当于普通汽车的油箱。一个太阳能汽车使用蓄电池组来储存电能以便在必要时使用,太阳能汽车启动装置控制着蓄电池组,但是当太阳能汽车开动后,是通过太阳能阵列提供能量,从而再充到蓄电池组内。由于重要的原因,大量的蓄电池作为能量被使用是有限的。而且设备也还要分不同类型蓄电池,在美国太阳能挑战队蓄电池主要有如下几种:1、铅酸蓄电池,2、镍镉蓄电池,3、锂电池,4、锂聚合物电池。 镍镉、镍氢和锂电池比普通的铅酸蓄电池远远提高蓄电能力,重量比普通电池要轻的多。但是他们很少在太阳能汽车中被广泛使用,主要是维护起来很小心,并且很昂贵。电池组是由几个独立的模块连接起来,并形成系统所须的电压。代表性地,我们可以使用的系统电压在84-108V,依靠它的电力系统,有时我们在太阳能汽车运动时降低系统电压。1839年,法国物理学家AE贝克勒尔意外地发现,用两片金属进入溶液构成的伏打电池。光照时会产生额外的伏打电势,这种现象被称为“光生伏打效应”(photovoltaic effect)。1883年有人在半导体硅和金属的接触处发现了固体光伏效应。以后人们把能够产生光生伏打效应的器件成为光伏器件。半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高,通常称这类光伏器件成为“太阳电池”(solar cell)。1954年恰宾(Charbin)等人在美国贝尔实验室第一次做出了光电转换效率为6%的实用单晶硅太阳电池。用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质。当受到外来能量的作用时,这些电子就会脱,自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、镓等元素,由于这离轨道而成为自由电子,并在原来的位置上留下一个“空穴”,在纯净的硅晶体中些元素能够俘获电子,它就成了空穴型半导体,通常用符号P表示;如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素,它就成了电子型半导体,以符号N代表。若把这两种半导体结合,交界面便形成一个P-N结。太阳能电池的奥妙就在这个“结”上,P-N结就像一堵墙,阻碍着电子和空穴的移动。当太阳能电池受到阳光照射时,电子接受光能,向N型区移动,使N型区带负电,同时空穴向P型区移动,使P型区带正电。这样,在P-N结两端便产生了电动势,也就是通常所说的电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线,接通负载,则外电路便有电流通过,如此形成的一个个电池元件,把它们串联、并联起来,就能产生一定的电压和电流,输出功率。制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种,因此太阳电池的种类也很多。太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(以下表示为a-)两大类,而前者又分为单结晶形和多结晶形。按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形,而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、V族(GaAs,InP等)、族(Cds系)和磷化锌等。太阳能电池根据所用材料的不同,太阳能电池还可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池,其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。图 2-3 太阳能单体电池、组件和阵列国标GB 6495.3-1996规定的地面用太阳能电池的标准测试条件是:太阳总辐射(直射和散射),相应于AM1.5光谱分布,在与水平面成37的倾斜面上的辐照度为1000W/m2,地面的发射率为0.2。太阳能汽车上的太阳能电池板的有效面积为8平方米,太阳光照射到电池板每平方米电池上的辐射功率为1千瓦,在晴天,电池对太阳时产生的电压为120伏,并对车上的电动机提供10安的电流 。求太阳能电池将太阳能转化为电能的效率为多少? 120*10/8*1000=15% 如果这辆汽车的电动机将电能最终转化为机械能的效率为75%,当汽车受到的牵引力为150牛并在水平面上匀速行驶时,汽车的行驶速度为多大? 120*10*75%=900瓦 900/150=6米/秒 2.1.2太阳能控制器太阳能(充放电)控制器是对太阳能光伏发电系统进行控制和管理的设备。通常太阳能控制器具有以下一些功能。信号检测。检测光伏系统各个单元的状态和参数,为对系统进行判断、控制、保护等提供依据。蓄电池的最优充电控制。控制器根据当前的太阳能资源状况和蓄电池的荷电状态,确定最佳充电方式,实现高校、快速地充电,并充分考虑充电方式对蓄电池寿命的影响。蓄电池的放电管理。对蓄电池放电过程进行管理,如负载控制自动开关、实现软启动、防止负载接入时,蓄电池电压突降而导致的错误等。设备保护。主要是防止因为故障产生的过压和因负载短路产生的过流,以及防止蓄电池最太阳能电池的反充电。故障诊断和运行状态指示。光伏系统发生故障时,控制器可以自动监测故障类型,指示故障发生位置。通过指示灯、显示器等指示光伏系统运行状态和故障信息。光伏系统在控制器的管理下运行。控制器可以采用多种技术方式实现控制功能。比较常见的有逻辑控制和计算机控制两种方式。智能控制器采用计算机控制方式。图2-4 一种太阳能控制器2.1.3 蓄电池组其作用是储存太阳能电池板受太阳光照时产生的电能并可以随时向负载供电。太阳能光伏系统对蓄电池组的基本要求如下。自放电率低。使用寿命长。深放电能力强。充电效率高。少维护或免维护。工作温度范围宽。价格低廉。目前我国与太阳能光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池。配有200 Ah以上的铅酸蓄电池,一般选用固定式或工业密封免维护铅酸蓄电池;配套200 Ah以下的铅酸蓄电池一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池。电动汽车常使用的是免维护铅酸蓄电池,追求轻便的场合下,例如太阳能飞机上常采用锂离子电池。2.1.4电机控制器电动车控制器是用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件,是电动车上重要的部件。电动车就目前来看主要包括电动自行车、电动二轮摩托车、电动三轮车、电动三轮摩托车、电动四轮车、电瓶车等,电动车控制器也因为不同的车型而有不同的性能和特点。2.1.5电机电动车所用直流电机按电机本身类型可分成以下几类。普通永磁直流电动机。这类电机即为通常使用的永磁直流电动机。电机定子为铁氧体或钕铁硼永磁磁钢磁极,转子为普通直流电机转子,电机转速20004000r/min。这类电机需配备减速齿轮箱后才能用于电动自行车上。普通无刷直流电机。将有刷直流电机改为无刷直流电机,所不同的是定子为多相散嵌绕组,而转子为永磁磁极。这类电机转速设计的较低,一般不需减速机构,电机转速5001000r/min。电机装于自行车的中轴上(习惯称中置电机)。由于采用无刷电机,因此这类电机通过驱动线路控制很容易实现调速。印制绕组、线绕盘式直流电机。采用这两种电机的主要目的是利用这类电机薄饼式结构特点,使电机整体便于在车上合理安放。这类电机转速较高,30004000r/min,电机功率较大。本类电机需要与减速齿轮机构相配才能用于电动自行车上。线绕盘式直流电机由于其绕组参数便于调整,因此设计上可使电机特性有较大的变化,能适应多种负载特性要求。外转子无刷直流电机。这类电机轴向尺寸短,而铁心外径较大,因此结构上为扁平式,其电机结构和工作原理与普通无刷电机相类似,但该电机为外转子(定子磁钢)式无刷直流电机,电机极数较多,转速较低,在200r/min左右,无需减速齿轮,结构简单,安装在自行车后轮轴上。2.2 机械系统2.2.1 车架和车壳车架和车壳统称太阳能汽车的车身,其主要作用是承载太阳能电池板,保护车内的电子电力系统以及其他控制设备,防尘、防水、挡风,形成良好的流线以减小风阻,另外,车身还应该有足够的强度来承受车在行驶过程中的震动和碰撞。太阳能车与普通车辆最大的不同之处就在于它的结构相对简单,功能单一,对于车身和其机械系统的安全性要求较高,但是对于其舒适性要求则相对较低。太阳能汽车的车架形式多为框架式。用铝合金管件,利用绗架结构构成太阳能电动汽车内部的唯一承载部件,悬挂,转向,电池,电机等所有的零部件都安装在该桁架结构上。太阳能电池板贴附在车壳外表面的采光而上,同样加载于绗架结构上。这种结构的优点是:结构简单,制作加工比较容易,车内零部件的布置比较灵活,可以根据需要随时调整,整车重量可以控制在很低的范围内。悬架太阳能车的外形在保证其足够的太阳能电池板分布面积的前提下,最主要考虑的问题就是其空气动力学问题。外形的设计必须保证最小的空气阻力和太阳能车在高速行驶时足够的车轮附着力。外形的光滑和流线型以及比较小的迎风面面积是减小空气阻力的有效途径。而保证车体上表面空气流动速度高于其下表面的空气流动速度,是车体承受下压力是保证车轮附着力的关键。由于太阳能车结构相对简单,车体扁平,底盘非常低。故对于其侧风影响可以考虑得少一些。图2-5 桁架式车架2.2.2 底盘和悬架太阳能电动汽车的底盘系统比传统意义上的车辆要简单的多,其首要考虑的问题是在确保强度以适应不同的路况的情况下,如何把质量控制在最小范围内。铝合金在太阳能电动汽车车体结构中使用得最为广泛,因为他们能够达到比较高的强度质量比。通常,太阳能电动汽车底盘的机械系统包括悬挂,制动,转向,车轮等几个部分。通常太阳能电动汽车有三个车轮,为两个前轮和一个后轮的结构,前轮转向,后轮驱动。主要为了减少与地面的接触面积,减少滚动阻力,减少行驶时的能耗;使用双轮转向,确保行驶稳定性。太阳能电动汽车采用全独立悬架,前轮采用不等长双横臂,后轮采用单纵臂悬挂设计。主要考虑的问题是减少震动对车体造成的冲击载荷,使太阳能电动汽车的行驶更顺畅。在太阳能电动汽车的行驶过程中,安全应该是优先考虑的。故太阳能必须具备有效的制动系统。碟刹因为其具有良好的适应性、稳定性和制动系统。碟刹因为其具有良好的适应性、稳定性和制动性能,所以在太阳能电动汽车中被采用。图2-6 车轮的悬置方式2.2.3 驾驶转向、刹车制动系统太阳能车结构简单,但是对于其转向系的要求却比较高,除了满足以上要求外,太阳能车的转向系还应严格控制质量。由于动力有限,所以太阳能车不可能采用动力转向,这样一来,对于太阳能车转向操纵的轻便要求就更高了。不过,稳定和可靠始终还是第一考虑的因素。汽车的转向系由转向器和转向传动机构组成。采用动力转向的汽车,还有动力系统。为了保护驾驶员,许多汽车在转向系中还装设了防撞装置。图2-7 常见的转向机构设计在整个行驶中太阳能汽车的安全是重中之重,太阳能汽车必须有高效的刹车性能并符合标准,这是每一辆太阳能汽车所必须具备的,一般有两个独立的刹车系统。在太阳能汽车中圆盘刹车是普遍采用的一种。因为它们很适合,并有很好的制动力,有些爱好者使用机械型刹车,利用的是水力学的原理。机械刹车比水力性刹车要小而且轻,但是不需提供如此多的刹车阻力而是需要相互协调。为了达到最好的效果,刹车被设计成通过刹车操作杆自由移动,从而使刹车垫摩擦刹车表面进行刹车。图2-8车轮的悬置方式在太阳能汽车的驾驶系统,像驾驶员制动系统变化是很大的。我们必须制造一个弧型半径,按要求用特殊方式使用。但是设计必须是很自由活泼的。专业设计的理念应是保证驾驶的可靠性和安全高效。驾驶系统必须经过精确的驾驶测试才能设计。因为任何细微的失误都可能导致无法估量的后果,进而造成轮胎爆裂。在过去的比赛中,由于自行车车轮和车胎重量轻而且很小的摩擦力,经常被使用到太阳能汽车上(滚动摩擦力小)。当支撑起整个太阳能汽车时这些车轮和车胎就出现超重情况了。从而影响太阳能汽车的驾驶和安全性能。ASC规则中明确规定不准出现太阳能汽车车轮和车胎出现超载现象。幸运的是,现在流行的太阳能汽车竞赛敦促一些轮胎生产厂家制造符合太阳能汽车的轮胎。我们使用先进的轮胎,重量轻、摩擦力强,从而提高了太阳能汽车的安全和使用效能。2.3 太阳能汽车的使用说明2.3.1特征与功能1.电瓶:6V/4.5AH一个2.本车配置脚踏启动和遥控操控两种功能模式,可前进/后退,左转/右转。(1)左控杆:向前推,车子提速前进,向后拉,车子倒退行驶。(2)右控杆:打向左边,车子左转,打向右边,车子右转。3.车子前进时车前灯亮。4.安全带和安全装置设计周到,使您用得更安心。5.方向盘为独立供电系统,配置发生器和电源开关,设置多种功能键:中英文切换键,音乐键,喇叭键,左转键,右转键。图2-9 遥控器2.3.2注意事项1.本车之适用于平坦地面行驶,请尽量避免于泥沙或凹凸不平之地行驶。2.本车只能乘坐一人,限载重量32KG,请不要超载。3.本车行驶时,请勿随意切换“前进/后退”开关,以免造成齿轮箱损坏,待停车后可切换开关。第三章 太阳能汽车电源系统设计3.1 设计目标u 长宽高:950 mm495mm465mmu 质量:40kg(包括驾驶人员的质量32kg)u 迎风面积A:0.23 m2u 空气密度:1.2kg/m3u 空气阻力系数Cd :0.3(普通汽车的空气阻力系数为0.30.5)u 设计时速速度v:3 km/h=0.83m/su 滚动阻力系数f:0.015(一般来把滚动阻力系数看作与速度无关的系数,普通汽车与摩托车轮胎的滚动阻力系数大概是0.01)图3-1 太阳能汽车模型3.2 动力性能分析3.2.1 汽车的驱动力汽车发动机产生的转矩,经传动系传至驱动轮上。此时作用于驱动轮上的转矩T产生一个对地面的圆周力,地面对驱动轮的反作用力即使驱动汽车的外力。3.2.2 汽车的行驶阻力汽车在水平道路上等速行驶时,必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。当汽车在坡道上上坡行驶时,还必须克服重力沿坡道的分力,成为坡度阻力。汽车加速时也必须克服加速阻力。因此汽车的总阻力为。图3-2 汽车的力分析1.行驶阻力根据汽车理论,汽车在中低速行驶时,汽车的行驶阻力与汽车的重量成正比,即(3-1)式中,f为滚动阻力系数。2.空气阻力汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力,成为空气阻力。空气阻力分为压力阻力和摩擦阻力两部分。作用在汽车表面上的法向压力的合力在行驶方向上的分力成为压力阻力。摩擦阻力是由于空气的粘性在车身表面产生的切向力的合力在汽车行驶方向上的分力。压力阻力可以分为四部分:形状阻力,干扰阻力,内循环阻力和诱导阻力。在汽车行驶范围内,空气阻力的数值通常总结成如下的阻力公式。(3-2)式中,为空气阻力系数;为空气密度,一般;A为迎风面积,即汽车行驶方向上的投影面积;为空气和汽车的相对速度。本章只讨论无风条件下的汽车运动,即为汽车的行驶速度。3.加速阻力汽车加速行驶时,需要克服其加速运动时的惯性力,就是加速阻力。汽车的质量分为平移质量和加速质量两部分。加速时不仅平移质量产生惯性力,旋转质量也要产生惯性力。汽车的加速阻力可以表示为(3-3)式中,为汽车旋转质量换算系数,1;m为汽车质量(kg),a为汽车加速度(m/s2)。3.2.3 动力性能计算在进行汽车设计时,我们只需考虑汽车在平坦路面上匀速行驶的情况,因此,不用考虑启动的坡度阻力和加速阻力。1.空气阻力Fd根据阻力公式有Fd=1/2CdAv2=1/20.30.231.20.83=0.03N2.滚动阻力Fr=mgf=409.80.015=5.88N3.电动机的功率PePe=(Fd+Fr)Vmax/t=(0.03+5.88)0.83/0.95=5.4W其中t是传动系效率,取值0.95。为了保证太阳充足时,太阳能电池能单独向电动机供电。我们假定太阳能汽车的能源系统和机械系统分别有80%的效率,那么需要太阳能电池的功率为6.75W以上。3.3 设计校核3.3.1 安全性分析根据上面的设计,汽车上坡行驶时与其在平整路面上时相比多了一个坡度阻力。根据根据我国公路路线设计规范,高速公路平原微丘区最大纵坡为3%,山岭重丘区为5%;一级汽车专用公路平原微丘区最大纵坡为4%,山岭重丘区为6%;一般四级公路高速公路平原微丘区最大纵坡为5%,山岭重丘区为9%。因此在一级公路上的平原微丘区纵坡下,汽车受到的坡度阻力为 再加上不超过6N的滚动阻力和空气阻力,汽车在上坡时的总阻力小于22N。如果考虑到机械系统80%的效率,因此汽车还能以的速度行驶,即时速0.72km。正常行驶时,车轮受到的阻力矩为为Nm,约等于电机的额定转矩。实质上,我们的设计很保守,汽车车轮受到的阻力矩远小于1.95Nm。3.3.2 最大速度估算根据功率平衡方程我们有,即是。我们取,=1.2kg/m3,=0.3,f=0.015,=80%。解这个方程我们得到这个太阳能汽车的最大行驶速度v=0.72m/s=2.6km/h。第四章 太阳能汽车性能分析太阳能能汽车的唯一能量来源是太阳能,而太阳能则受天气条件影响很大,这些因素包括太阳辐射量和温度等。另外太阳能汽本身的设计也对太阳能汽车的性能有着巨大影响,影响因素包括太阳能汽车的重量,外形设计等。4.1 太阳能电池板传热模型太阳能电池板的传热模型十分简单。概括地说,阳光照射到太阳能电池板上,部分(约15%)太阳能被通过光伏效应转换成电能,供给到蓄电池和负载。另外大部分(约85%)的太阳能被电池板吸收使电池板的温度升高。与此同时,由于电池板的温度升高,会向环境散失热量。根据传热学的知识,太阳能电池板和外界的换热过程有以下几种,如下图所示。231图4-1太阳能电池板传热模型1. 太阳对太阳能电池板的辐射换热太阳辐射中有15%被太阳能电池板转换为电能,因此太阳对水平地面的辐射传热量:(4-1)式中,太阳辐照度q我们可以通过理论计算和天文气象资料查询得到。2. 风与太阳能电池板的对流换热根据牛顿冷却公式,气流与太阳能电池板之间的对流换热量是:(4-2)式中,h为对流换热系数;A为太阳能电池板面积;为空气温度。Macdams(1954年)在报告中给出了计算传热系数的经验公式, (4-3)式中,h是对流换热系数(W/(m2),v是风速(m/s)。3. 太阳能电池板对天空的辐射换热量在离地的某个高度,某个天空温度下,可以把天空看成黑体,因此面朝天空的太阳能电池板与天空间的辐射换热量可以按下式计算: (4-4)式中,A为太阳能电池板面积;为发射率;为天空温度;为电池板表面温度。Swinbank(1963)给出了当地天空温度和空气温度的关系为 (4-5)式中,为当地的空气温度;为天空温度。4. 底部热损失底部及边框的热损失是通过隔热层和壳体,以热传导的方式向环境散热。根据平板导热的基本公式,有(4-6)式中,为隔热层和壳体的厚度;为隔热层和壳体材料的导热系数。平板型电池板的底部损失远比面部损失小,只有顶部热损失的10%以下,换热数值在2W/(m2K)以下。5. 侧面边框热损失同理,侧面边框换热损失也可以用上式进行计算。一般侧边框的换热损失只占底部和顶部热损失的1%,因此在计算时可以忽略不计。6. 太阳能电池的能量平衡方程太阳能电池板上的能量来自于太阳的辐射,热损失是由顶部热损失(辐射换热和对流换热),底部热损失和侧面热损失三部分组成。由于底部和侧面热损失极小,在这里我们可以忽略。因此,根据能量守恒定律,太阳能电池板的能量平衡方程为:(4-7)即,(4-8)我们可以得到如下的一个四次方程,(4-9)解这个方程,我们就可以得到电池板的温度。这个方程是个四次方程,我们可以通过牛顿迭代法来求出它的根。求根C语言源程序见附录。4.2 太阳辐射的逐时计算4.2.1 太阳辐射计算基础电池板上的太阳辐射量受到许多因素的影响,太阳辐射量的大小与太阳辐射的性质和大气气候条件紧密相关。太阳辐射的性质取决于太阳的结构和特性,气候条件则由地球与太阳之间的时间、空间关系所决定,归纳起来有以下几个方面:天文地理因素:日地距离的变化,太阳赤纬角,太阳时角,地理经纬度,海拔高度和气候等;大气状况:云量,大气透明度,大气组成及污染程度(灰尘离子密度,二氧化碳和氟氯烃等的含量);电池板的设计考虑:电池板的倾斜角和方位角,是否采用和采用什么涂层,安装场地是否受到建筑和树木的阻挡等。由于因素很多,随机性很强,要完全依靠理论计算还难以取得精确结果。目前采用如下方法:用辐射仪实测水平面上的辐射数据,常用的有月平均日总量和小时总量两种;在大量试验统计的基础上,用相关的气候参数整理出一些相关的关系式,借助它们将水平面上的实测总量分解成为直射和散射两部分;最后用公式计算电池板在任意方位上接受太阳能辐射量。太阳辐射是太阳能系统设计中最重要的数据。对于没有实测辐射数据的地方,一是根据邻近地区的实测值进行差值计算;二是用相对容易测量的太阳持续时间(日照百分率)或云量等数据推算。1.太阳太阳内部通过核聚变把氢转变为氦,并产生巨大的能量。反应过程中,太阳每秒钟要亏损400万吨质量,根据只能互换定律可产生3601036kW功率。这股能量以电磁波的形式向太阳四周的空间传播,到达地球大气层上界的功率只占上述总功率的20亿分之一,即1801012kW,考虑到穿越大气层的衰减,实际最后导到地球表面的功率为851012kW。它相当于全世界发电量的几十万倍,从这个意义上来说太阳提供的能量是无穷无尽的。太阳并不是某一固定温度的黑体辐射体,而是各层发射和吸收各种波长的综合辐射的结果。不过在太阳能热利用中,可将太阳看成温度为6000K,波长为0.33m的黑体辐射。2.气球的公转和赤纬角地球在一个椭圆形的轨道上围绕太阳公转,运行的周期是一年,椭圆轨道所在的平面成为黄道平面。地球自转轴与黄道平面的夹角是6633,该轴在空间的方向始终不变,因而地球赤道平面与黄道平面的夹角为2327。但是,地心与太阳中心的连线(即午时太阳光线)与地球赤道平面的夹角是一个以一年为周期变化的量,它的变化范围是2327,这个角就是太阳赤纬角。每天的赤纬角可由下式计算: (4-10)式中,n是所求日期在一年中的日子数。表4-1 推荐的每月的平均日及相应的日子数月份该月第i天的日子数推荐的月平均日该天的天数赤纬角()1月i17日1720.92月31+i16日4713.03月59+i16日752.44月90+i15日1059.45月120+i15日13518.86月151+i11日16223.17月181+i17日19821.28月212+i16日22813.59月243+i15日2582.210月273+i15日2889.611月304+i14日311818.912月334+i10日344233.地球的自转与太阳时地球式中绕着地轴由向东自转,每转一周(360)为一昼夜(24小时)。显而易见:对于地球上的观察者来说,太阳每天清晨从东方升起,傍晚在西方落下;用角度表示的话,每小时相当于地球自转15。在以后导出的太阳角度公式中,涉及的时间都是当地太阳时Ts,它的特点是午时(中午12点)阳光正好通过当地子午线,即在空中的最高处,它与日常使用的标准时间T并不一致。转换公式是(4-11)式中,准时间采用的标准经度当地经度所在地点在东半球取负号,西半球取正号。我国以北京时间为标准时间,上式成为(4-12)转换时考虑了两项修正,第一项是E是地球绕太阳公转时的进动和转速变化产生的修正,时差E以分为单位,可按下式计算,(4-13)式中,n为所求日期在一年中的日子数。第二项是考虑所在地区的经度与制定标准时间的经度(我国为东经120)之差产生的修正。由于经度每相差一度,在时间上就相差4分钟,公式中最后一项乘以4,所以单位也是分。以角度表示的太阳时叫太阳时角,以表示。它是以一昼夜为变化周期的量,太阳午时=0,上午取负值,下午取正值。每昼夜变化180,每小时相当15。例如上午9点相当于=45,下午6点,=904.太阳常数由于日地距离变化不大以及太阳辐射的特点,使得大气层外的太阳辐照度基本保持不变。太阳常数是一个表征到达大气层定的太阳辐射总能量的数值。太阳常数的定义是:地球位于日地距离的平均处,在大气层外垂直于太阳辐射束平面上形成的辐照度。1981年世界气象组织仪器和观测方法委员会第八届会议在最终公报中发布了太阳常数值是(13677)W/m2。5.地球大气层外水平面上的太阳辐射计算太阳辐射量时,要用到理论上的可能参考辐射量。通常将大气层外(假设不存在大气的外层空间)、水平面上的辐射量作为参考依据。任何地区,任何一天,白天内的任一时刻,大气层外水平面上的太阳辐照度可由下式计算。(4-14)式中,是太阳常数,为1367W/m2,n为所求日期在一年中的日子数,是入射角。水平面上平板的入射角可以通过下式计算。(4-15)式中,为太阳赤纬角,为地理维度,为太阳时角。6.大气层对太阳辐射的影响虽然大气层的厚度约为30km,不及地球直径的1/400,却对太阳辐射的数量和分布有着较大影响,到达地面的太阳辐射量会因为大气的吸收,反射和散射发生变化。到达地面的太阳辐射量与太阳光线通过大气层的路径长短有关,这个路径越长,表示被大气吸收,反射和散射的可能越多,到达地面的越少。把太阳直射光线通过大气层时的实际光学厚度与大气层的法向厚度之比叫做大气质量,用符号AM表示。大气透明度(浑浊度)是另一项重要指标。它是气象条件、海拔高度、大气质量、大气组分(如水汽和气溶胶含量)等因素的复杂函数。中外科学家在这方面做了许多研究,下面介绍Hittle(1976)提出的标准晴空大气透明度模型。对于直射辐射的大气透明度,可由下式计算。(4-16)式中,是具有23km能见度的标准晴空大气的物理常数。海拔小于2.5km时,可以按以下公式算出相应的,和,再通过考虑气候类型的修正系数,最后求出,和。(4-17)(4-18)(4-19)式中,A为海拔啊高度,单位为km。修正系数由下表给出表4-2 考虑气候类型的修正系数气候类型r0r1rk亚热带0.950.981.02中等纬度,夏天0.970.991.02高纬度,夏天0.990.991.01中等维度,冬天1.031.011.00对于散射辐射,相应的大气透明度(4-20)7.平均太阳辐射的计算方程式用于计算水平面上,月平均的太阳日辐射量。(4-21)式中大气层外月平均日,水平面上的辐射量(MJ/m2)月平均日最大日照时数,为常数,根据各地气候和植物生长类型来确定。8.标准晴天水平面上辐射量的计算根据上节给出的标准晴空大气透明度的计算模型,用它就不难求出晴天时水平面的辐射量。(4-22)式中,晴天,直射辐射的大气透明度。水平面上的直射辐照度可由上式计算。(4-23)一小时内,水平面上的直射辐照量则为(4-24)相对应的散射部分可以由下式计算。(4-25)一个小时内,水平面上的总辐照量为(4-26)把全天各个小时的量加起来,就是晴天水平面的总辐照量。4.2.2 太阳辐射的逐时计算模型总辐射逐时计算的基本思路是先采用ColloresPerein和Rabl模型(简称C.P.R模型)计算太阳总辐射的逐时值,再根据一天内天气状态出现的具体情况对C.P.R模型计算出的逐时总辐射值进行修正。应当指出,在晴天条件下结果与实际情况比较吻合。C.P.R模型采用下列公式计算:(4-27)式中,小时总辐射与全天总辐射之比,时角,日落时角4.2.3 西安夏天太阳辐射数据计算我们以西安为例来进行辐射数据的理论计算,并将计算结果与NASA提供的实测数据进行对比。西安位于34.3N,108.9E附近,海拔高度为400m。我们以7月为例来计算西安的辐射量。根据表4-1,7月推荐的平均日是7月17日,该天的日子数n=198,赤纬角为21.2。取时间为上午11:30时,由式求出。根据A=0.4km,用式确定标准的晴空大气透明度。按照中等纬度,夏天在表中查出=0.97,=0.99,=1.02由此求得,由此可得,由公式算出为1391.99W。这是11:0012:00(用11:30时的辐照度来代表)的晴天辐照度,用类似的方法对每个小时都进行详细计算,结果如下表和下图所示。表4-3 太阳能电池板实际的逐时功率输出时间6:307:308:309:3010:3011:3012:30太阳辐射量(W/m2)81.04 265.46 477.25 675.25 837.48 949.55 1002.39 时间13:3014:3015:3016:3017:3018:3019:30太阳辐射量(W/m2)991.86 918.78 788.90 612.99 407.48 198.46 38.59 图4-2 七月月平均日(7月17日)逐时辐照度变化对上表最后一列求和,就可以得到7月月平均日(7月17日)的总辐照度,为8245.5W。与NASA的数据对比(见下表),可以看出理论计算的7月的辐照度NASA 7月平均辐照度高出9.6%。因此,做设计时我们按照NASA的统计数据进行计算。表4-4 水平面上晴天月平均辐照度(kW)(数据来源:NASA SSE)西安一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月年平均值平均值(kW)3.834.866.217.177.807.767.536.645.984.873.713.445.82因此根据NASA 7月平均辐照度换算成的逐时辐照度,如下表和下图所示表4-5 辐照度逐时变化数据时间6:307:308:309:3010:3011:3012:30辐照度(W74.0242.4435.9616.7764.9867.2915.5时间13:3014:3015:3016:3017:3018:3019:30辐照度(W)905.8839.1720.5559.8372.1181.235.2图4-3 实际辐照度逐时变化曲线4.3 大气温度的逐时计算4.3.1 大气温度的逐时计算模型采暖通风与空气调节规范给出了空调室外夏季逐时温度计算公式: (4-28)式中,室外计算逐时温度();夏季空气调节室外计算日平均温度();表4-6室外温度逐时变化系数时刻123456780.350.380.420.470.410.410.280.12时刻9101112131415160.030.160.290.400.480.520.510.43时刻17181920212223240.390.280.140.000.100.170.230.36夏季室外计算平均日最差,应按下式计算; (4-29) 4.3.2 西安夏天逐时空气温度计算从文献5中查到西安夏季空气调节日平均温度30.7,计算日较差温度8.7。通过公式,可以得到西安夏季的逐时温度,如下图和下表。表4-7西安夏季的逐时温度时刻t12345678Tah/27.727.427.026.827.727.128.329.7时刻t910111213141516Tah/31.032.133.234.234.935.235.334.4时刻t1718192021222324Tah/34.133.131.930.729.829.228.728.4图4-5 西安夏天逐时气温变化曲线4.4 太阳辐射和大气温度的气象统计数据国内外的气象组织,如中国气象台,NASA一般都会向公众提供气象数据资料,公众可以通过网络,邮件等方式查询到相关数据。中科院下所属的人地系统主题数据库中的气候资源数据库就提供了我国气象资料的台站统计数据,包括全国600多个气象台站累年平均及历年(19612000)分月和分旬的热量、温度、降水、湿度、风等地面气候资料,目前共有30多张关系表。NASA(美国国家航空航天局)的空间科学数据中心,通过卫星系统和地面台站的观测,提供重要的气候和气候过程研究的数据。这些数据包括长期的气象数据和地面太阳辐射量。对于没有实地观测资料的地区,这些卫星和模型化的基础的产品已证明是足够准确的。4.5 太阳辐射和气温对太阳能电池最大功率的影响得到西安地区的太阳辐射和气温的逐时数据后,根据方程4-9,通过C语言编程计算,我们得到了太阳能电池板温度的逐时变化情况,结果如下图和下表所示。表4-8 太阳能电池板逐时温度时间6:307:308:309:3010:3011:3012:30板温26.9031.4636.6841.5345.5148.5950.54板温与气温差值-0.203.166.9810.5313.4115.3916.34时间13:3014:3015:3016:3017:3018:3019:30板温51.0750.1047.7343.9239.9835.2331.13板温与气温的差值16.1714.9012.639.525.882.13-0.77图4-6 电池板温度与气温的逐时变化曲线太阳能电池的最大功率点功率随着温度的升高而降低,其具体变化可以通过下面的公式计算。(4-30)式中,为太阳能电池最大功率点的温度系数。根据厂家给出的太阳能电池的性能参数,见表3-1。于是,我们可以得到太阳能电池板的逐时最大功率变化情况,如下图所示。由此可见,由于电池板温度的升高使得太阳能电池的峰值功率减少13%,这是一个非常大的数值。因此在设计太阳能汽车的时候,太阳能电池温度的影响不可忽略。图4-7 电池板峰值功率效率的逐时变化这样我们就能得到实际太阳能电池板的逐时输出功率,如下图所示,太阳能电池板实际的最大输出功率只有500W左右,相比其额定最大输出功率减少了17%左右。图4-8 电池板的逐时输出功率曲线由此可见,太阳辐射和气温对太阳能汽车的性能具有很大的影响,因此,如何降低太阳能电池板的温度成为了一个新的课题。4.6 汽车重量和外形对性能的影响汽车的设计对汽车性能的影响,主要是汽车的重量和外形。汽车的重量决定着汽车的行驶阻力,而汽车的外形则决定着汽车的空气阻力。汽车的行驶阻力和汽车的重量成正比,空气阻力则和汽车的迎风阻力系数成正比。下表显示的是汽车空气阻力与汽车外形的关系。图4-9 空气阻力和外形的关系下表是汽车行驶阻力与汽车重量的关系。图4-10 行驶阻力和汽车重量的关系由上图可见,汽车的外形和质量对汽车的性能有着巨大的影响。实际上,设计良好的汽车,其重量和外形的控制可以极为出色,这对太阳能汽车的行驶性能有着重要的意义。4.7 提高太阳能汽车性能的因素通过上面的分析结果,我们不难发现提高太阳能汽车的性能可以从以下方面入手。1. 选用高效率的太阳能电池。太阳能电池是太阳能汽车的直接来源,其转化效率直接影响着太阳能汽车电力的生产,另外配备高效率的太阳能电池,也意味着,在相同的条件下,我们可以配用更大的电机,因而达到更大的速度。这次太阳能汽车的设计中,我们选用的太阳能电池效率只有15%。2010 ASC冠军车队,密歇根州立大学太阳能车队的赛车,Infinium,使用的太阳能电池的转化效率能够达到28%,其输出的峰值功率能够达到2kW。由于温度对太阳能电池的最大功率有较大的影响,因此如何保持太阳能电池工作在其正常的操作温度也是一个很重要的课题。2. 减轻太阳能汽车的重量。太阳能汽车的重量决定着汽车的行驶阻力,因此减少太阳能汽车的重量能够有效提高太阳能汽车的性能。减轻太阳能汽车重量的方式有:(1)用锂离子电池代替铅酸蓄电池。锂离子电池是能量密度最高的电池,相同电压容量的锂离子电池只有铅酸蓄电池重量的五分之一。(2)用单体太阳能电池代替光伏组件。光伏组件的框架和玻璃盖板主要是防止太阳能电池的损坏,但是对于太阳能汽车来说,这是不必要的。组件和单体电池相比大大增加了重量,同时由于玻璃盖板产生的温室效应使得太阳能电池表面的温度升高,降低了太阳能电池的效率。(3)使用新材料和型材。太阳能汽车为了保持足够的强度,在车体的建造过程中会使用大量的钢结构构件。在新材料日益发展的今天,在太阳能上使用新材料和新结构都是各个车队的选择。在太阳能汽车上使用的新材料主要包括碳纤维和复合材料等。3. 良好的气动外形设计启动外形设计是汽车设计的重要方面,好的气动外形设计能大幅度减少汽车的空气阻力系数和迎风面积。设计优良的太阳能汽车的空气阻力系数能达到0.05以下。例如,Nuon车队的NUNA V太阳能汽车的空气阻力系数只是普通汽车的十二分之一以下。CFD软件是气动外形设计最好也是最有效的工具之一。此外选用高效率的电动机,提高电力系统和机械系统的效率也能有效改善太阳能汽车的性能。第五章 总结5.1 本文总结太阳能电动车对于减少空气污染、缓解能源危机、改善人类生存环境具有重要意义。太阳能汽车领域是一门涉及面甚广、高速发展的学科。我们之前对太阳能汽车相关项目的缺乏相应的知识储备和项目经验,在接到这个课题之后开始调研,在此基础上进行了研究工作,本文所作的主要工作如下:(1) 介绍了太阳能汽车的的原理和结构组成,以及国内外发展历史。(2) 完成了太阳能汽车电源系统的初步设计,并对其电气设备的可靠性、安全性进行了分析和校核。(3) 分析了太阳能电池、铅酸蓄电池和锂离子电池电池特性。在此基础上,设计了太阳能电池板的布置,并设计了三种不同的蓄电池方案:方案一,4个12V20Ah铅酸蓄电池串联;方案二,2个48V10Ah商品锂离电池组并联;方案三,14个锂离子电池串联形成48V电池单元,7个电池单元串联形成48V20Ah电池组。为了最大地减少汽车重量,从而提高性能,我们推荐方案二和三。(4) 分析了太阳能控制器和电机控制器的工作原理,并在此基础上绘制了太阳能汽车电源系统的电路图。(5) 根据气象统计资料和理论计算数据,建立了太阳能电池板温度的逐时变化模型。以此为基础,分析了太阳辐射和气温对太阳能电池板最大功率点的影响,研究显示天气因素可以使太阳能电池板最大功率减少达到13%。而太阳能电池板实际的最大输出功率只有500W左右,相比其额定最大输出功率减少了17%左右。(6) 简要分析了太阳能汽车车重和外形设计对其行驶性能的影响,并提出了改进太阳能汽车性能的建议。5.2 展望太阳能汽车不仅具有电动车结构简单、易于驾驶、无污染、噪音小等优点,更关键的是太阳能汽车不需要消耗或很少消耗一次能源或基于一次能源产生的二次能源,而且具有普适性。但是目前的太阳能汽车存在着太阳能转换效率低,制造成本太高等问题,太阳能汽车依旧只停留在概念车状态。太阳能汽车作为新的事物正在不断的贴近人们的生活,虽然它的发展仍存在着很多技术上的挑战,但不可否认的是在不可再生能源日益匮乏的今天,太阳能汽车是未来新能源应用的佼佼者。相信在不久的将来,太阳能定会在汽车上逐渐应用普及,利用太阳能驱动汽车完全可行,太阳能汽车可以应用于高尔夫球场,露天游乐场观光车,大型野外动物园观光车,园林草坪修剪服务车。在全球倡导节能环保的时代,太阳能的广泛应用不仅能为人们生活带来便利,也会给我们赖以生存的地球带来和谐的发展。由于本次毕业设计是在毫无经验的基础上开展的,而且很少有资料可供参考,该项目的实例制作还在进行之中,对本文的内容无法进行试验论证,所以难免还存在着不足之处,这些有待于今后的研究中改进。参考文献1 张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟M.西安:西北工业大学出版社,1993.2 喜文华.太阳能实用工程技术M.兰州:兰州大学出版社,2001.3 罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术M.北京:化学工业出版社,2005.4 钱伯章.太阳能技术与利用M.北京:科学出版社,2010.5 杨世铭,陶文铨.传热学M.北京:高等教育出版社,2006.6 薛殿华.空气调节M.北京:清华大学出版社,1991.7 余志生.汽车理论M.北京:机械工业出版社,2000.8 日本太阳能协会.生态能源电动汽车的构造原理与设计制作M.西安:西安交通大学出版社,2010.9 徐曼珍.新型蓄电池原理与应用M.北京:人民邮电出版社,2005.10 王志明.太阳能电动三轮车车架结构性能仿真分析与优化研究D.杭州:浙江大学,2006.11 徐顺余.太阳能电动车电子电气设备研究及动力性分析D.南京:南京理工大学,2004.12 冯逸,陈瑶,杜爱民.太阳能汽车发展现状及其实用化对策研究J.上海汽车,2006,12:1-5.致谢本文在我的导师成珂副教授的精心指导和严格要求下完成的。在毕业设计期间,成老师不仅每周定期在办公室与我讨论毕业设计的相关事项,而且也经常通过网络和电话为我解答疑问。成老师不是直接告诉我解决问题的方法,而是告诉我研究问题和分析问题的方法,引导我如何去做,开拓我的思路。我从成老师身上不仅学到了做研究要有严谨、积极的态度,也学会了一些研究问题分析问题的科学的方法。成老师的治学态度以及求实去伪的研究方法,将对我今后的学习和工作产生深远的影响。在论文完成之际,谨向成老师在这期间给予我的教诲、帮助和关怀,致以衷心的感谢和崇高的敬意,并祝福成老师及家人身体健康,生活幸福!在完成毕业设计期间,感谢朱立、李建胜同学的帮助和支持,感谢同组同学的无私帮助,使我能够更加顺利的完成毕业论文。由衷的感谢我的父母、家人和朋友,在漫长的求学生涯之中,他们给予了我莫大的关怀、支持和帮助。最后,向为我顺利完成毕业设计提供指导性意见和建议的所有老师和同学致以深深的敬意和诚挚的感谢!附录SolarSolar (Solar) generally refers to the suns radiation energy. Carried out in the solar interior from H together into a helium the nuclear reaction, kept a huge release of energy, and continue to the space radiation energy, which is solar energy. This solar nuclear fusion reaction inside the can to maintain the hundreds of millions years first time. Solar radiation to space launch 3.8x10 23kW power of the radiation, of which 20 billionth of the Earths atmosphere to reach. Solar energy reaching the Earths atmosphere, 30% of the atmosphere reflectance, 23% of atmospheric absorption, and the rest to reach the Earths surface.Its power of 80 trillion kW, that is to say a second exposure to the suns energy on Earth is equivalent to five million tons of coal combustion heat release. The average per square meter in the atmosphere outside the area of energy per minute to receive about 1367w. A broad sense of the solar energy on earth many sources, such as wind energy, chemical energy, potential energy of water and so on. The narrow sense is limited to solar radiation of solar light thermal, photovoltaic and photochemical conversion of the directly. At this stage, the worlds solar energy is still the focus of the study of solar energy power plant, but the diversification of the use of the condenser, and the introduction of flat-plate collector and a low boiling point working fluid, the device gradually expanded up to maximum output power 73.64kW, Objective To compare the clear and practical, cost remains high. The construction of a typical device are as follows: 1901, California built a solar-powered pumping devices, the use of truncated cone condenser power: 7.36kW; 1902 1908 years, built in the United States five sets of double-cycle solar-powered engines, the use of flat-panel collector and a low boiling point working fluid; in 1913.Human use of solar energy has a long history. China more than 2000 years ago, back in the Warring States period, one will find that the use of four steel mirror to focus sunlight ignition; use of solar energy to dry agricultural products. The development of modern, solar energy has become increasingly widespread use, it includes the use of solar energy solar thermal, solar photovoltaic and solar energy use, such as the photochemical use. The use of solar photochemical reaction, a passive use (photo-thermal conversion) and the photoelectric conversion in two ways. A new solar power and renewable sources of energy use.Silicon photovoltaic cells mainly in the absorption of solar light energy emitted by silicon photocell is mainly extracted from the sand by the development of Bell Labs. Solar energy is the internal or the surface of the sun sunspot continuous process of nuclear fusion reactions produce energy. Earths orbit on the average solar radiation intensity for the 1367w / . Circumference of the Earths equator to 40000km, and thus calculated the Earths energy can be obtained 173000TW. At sea level standard for peak intensity 1kw/m2, a point on the Earths surface 24h of the annual average radiation intensity 0.20kw / , which is equivalent to have 102000TW energy.Human dependence on these energy to survive, including all other forms of renewable energy (except for geothermal energy resources), although the total amount of solar energy resources is the human equivalent of the energy used by ten thousand times, but low energy density of solar energy, and it vary from place to place, from time to time change, the development and utilization of solar energy which is facing a major problem. These features will make solar energy in the integrated energy system of the role of subject to certain restrictions.The use of solar cells, through the photoelectric conversion to solar energy conversion is included in electricity, the use of solar water heaters, the use of solar heat hot water and use water for power generation, using solar energy for desalination. Now, the use of solar energy is not very popular, the use of solar power costs are high there, the problem of low conversion efficiency, but for satellite solar cells to provide energy has been applied.Although the Earths atmosphere solar radiation to the total energy only 22 billionths of a radiation energy, it has been as high as 173,000 TW, that is to say a second exposure to the suns energy on Earth is equivalent to five million tons of coal. Earth wind energy, hydropower, ocean thermal energy, wave energy and tidal energy as well as some comes from the sun; even in the face of the earths fossil fuels (such as coal, oil, natural gas, etc.) that is fundamentally Since ancient times the storage of solar energy down, so by including a broad range of solar energy is very large,The narrow sense is limited to solar radiation of solar light thermal, photovoltaic and photochemical conversion of the directly.Solar energy is the first time, but also renewable energy. It is rich in resources, can use free of charge, and without transportation, without any pollution to the environment. For mankind to create a new life, so that social and human energy into a era of reducing pollution.Solar cells have to respond to a light and convert solar energy to power the device. Photovoltaic effect can produce many kinds of materials, such as: single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, gallium arsenide, copper indium selenium. They are basically the same principle of power generation is now crystal as an example to describe the process of light generation. P-type crystalline silicon available after phosphorus-doped N-type silicon, the formation of P-N junction.When the surface of solar light, the silicon material to be part of photon absorption; photon energy transfer to the silicon atom, electronic transitions have taken place, as a free-electron concentration in the PN junction formed on both sides of the potential difference, when the external circuit connected when the effects of the voltage, there will be a current flowing through the external circuit have a certain amount of output power. The substance of this process are: photon energy into electrical energy conversion process.Si is our planets abundance of storage materials. Since the 19th century, scientists discovered the properties of crystalline silicon semiconductor, it almost changed everything, even human thought, end of the 20th century. Our lives can be seen everywhere, silicon figure and role of crystalline silicon solar cells is the formation of the past 15 years the fastest growing industry. Production process can be divided into five steps: a, purification process b, the process of pulling rod c, slicing the process of d, the process of system battery e, the course package.Solar photovoltaicIs a component of photovoltaic panels in the sun exposure will generate direct current power generation devices, from virtually all semiconductor materials (eg silicon) are made of thin photovoltaic cells composed of solid. Because there is no part of activity, and would thus be a long time operation would not lead to any loss. Simple photovoltaic cells for watches and computers to provide energy, and more complex PV systems to provide lighting for the housing and power supply. Photovoltaic panels can be made into components of different shapes, and components can be connected to generate more power. In recent years, the surface of the roof and building will be the use of photovoltaic panels components,Even be used as windows, skylights or sheltered part of devices, which are often called photovoltaic facilities with PV systems in buildings.Solar thermalModern technology solar thermal polymerization sunlight and use its energy produced hot water, steam and electricity. In addition to the use of appropriate technology to collect solar energy, the building can also make use of the suns light and heat energy is added in the design of appropriate equipment, such as large windows or use of the south can absorb and slowly release the sun heat the building materials .According to records, human use of solar energy has more than 3,000 years of history. To solar energy as an energy and power use, only 300 years of history. The real solar as the near future to add much-needed energy, the basis of the future energy mix is the latest thing. Since the 20th century, 70s, solar technology has made rapid advances, solar energy use with each passing da
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