太阳能电动自行车的可行性分析与设计.pdf

第50卷第3期doi：103969jissn16733142201203008太阳能电动自行车的可行性分析与设计刘大诚（淮安信息职业技术学院汽车工程系，江苏淮安223003）摘要针对太阳能应用技术现状，分析了太阳能电动自行车的可行性，对太阳能电动自行车的设计思路进行了介绍，并给出了整辆车的设计方案。关键词电动自行车；太阳能；可行性分析；设计中图分类号TK513文献标志码A文章编号1673-3142(2012)03-0029-03TheFeasibilityAnalysisandDesignonSolarElectricalBicycleLiuDacheng（DepartmentofAutomotiveEngineering，HuaianCollegeofInformationTechnology，Huaian223003，China）Abstract：ThefeasibilityofsolarelectricalbicyclewasanalyzedbasedonthetechnicalstatusofsolarenergyapplicationtechnologyThedesignideasofsolarelectricalbicycleareintroducedandthedesignschemeofthewholebicycleisprovidedKeywords：electricbicycle；solarenergy；feasibilityanalysis；design0引言电动自行车以方便、舒适、经济、节能的特性受到广大消费者的青睐，2010年电动自行车产量为2954万辆，销售总量超过2200万辆，而2011年行业产量为2600万辆，销售数据与2010年基本持平，专家预计2012年电动自行车产销量将突破3000万辆。中国自行车协会提供的数据显示，在过去的10余年里，我国电动自行车行业一直保持40的高速增长，国内电动自行车整体销售规模已达到近15亿辆的规模，行业年产值近600亿元。电动自行车在全国每百户达到了28辆，江苏达到了70辆，山东55辆，河南48辆。国内市场的潜力非常大，再加上国际市场上对需求的持续增加，电动自行车还有非常巨大的潜力和市场。但是目前我国电动自行车使用的电池中，铅酸电池占到90的份额，锂电池受成本限制在电动自行车市场所占份额不过5。铅酸蓄电池不仅质量重、充放电困难，还存在着环境污染问题，报废的铅酸蓄电池早已列入国家危险废物名录。每辆电动自行车的电池重量约在1216kg之间，按每个电池平均使用寿命1年计，我国每年有25万t电动自行车用电池1。这种电池如果酸液泄露，土地和水源就会受到污染。目前我国处理报废电池的工作还只在起步阶段，随着电动自行车正迅速进入寻常百姓家并逐渐替代自行车，如何处置每年更换下来的大量废铅酸电池也已成了一个令人头痛的问题。1研究价值太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色新能源，太阳能电池是为人类提供电能的最理想的方法之一，因此也理所当然地将成为为电动自行车提供电能的最理想的方法。中国的国情决定了我们的交通工具不可能像欧美发达国家那样全面使用小轿车，而电动自行车无论动态还是静态，都能够节约大量的道路资源。所以大力研究和开发环保、节能的太阳能电动自行车符合当前国家提出的建设资源节约型和环境友好型社会的要求2。太阳能电动自行车，作为一种新型的绿色交通工具，它具有零排放、低噪声、能源补充来源广等很多优点。既清洁、外形美观高档，又可以很大程度提高电动自行车的续航里程和降低蓄电池使用容量，提高一次充电的行驶里程和蓄电池的使用寿命。在城市10km以下的短距离代步交通工具中有着与其它交通工具无法比拟的优势，很好地扮演着“绿色出行代步工具”的角色，非常适合中国的国情和广大普通消费者，太阳能电动自行收稿日期：20120201项目来源：淮安市科技支撑计划（工业）项目（HAG09020）作者简介：刘大诚（1976），男，讲师，硕士，主要研究方向：机械设计、汽车车身CAD。农业装备与车辆工程AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERING第50卷第3期Vol50No32012年3月Mar2012农业装备与车辆工程2012年车将成为既清洁又有发展前景的绿色环保电动自行车。2可行性分析单从太阳能电池的输出特性看，它在轻负载时，表现出恒压特性，相当于恒压源；在重负载时，表现出恒流特性，相当于恒流源。在实际电路分析中一般把它当做恒流源，这非常不适合驱动直流电动机，所以电动自行车都需配有蓄电池，它可以给直流电动机提供瞬间大电流。由直流电动机驱动的太阳能电动自行车的可行性取决于电动自行车和太阳能电池的特性，对于电动自行车，最重要的是通常情况下电动自行车的额定转矩和电动机的功率。电动机的额定功率Pn（W）：PnTnN95501047TnN其中Tn摩擦阻力、道路阻力、风阻力和坡度阻力所产生的转矩，Nm；N额定转速，rmin。试验表明，无风时，普通电动自行车在平坦路面上以20kmh速度行驶时，需要的牵引力为1520N，转矩为46562Nm，此时转速为180rmin，电动机的额定功率为876116W。如果考虑到迎风和道路不平的影响，电动机的额定功率消耗为1095145W。实际测试结果是：蓄电池电压为36V的电动自行车在平坦路面上以20kmh速度行驶时的平均电流为45A3。太阳能电池的一个单片为一个PN结，单片电池的开路电压在04506V之间，电池串联的片数越多电压越高。单片电池的电流取决于单个PN结实际受光面积，其短路电流一般为1530mAcm2，面积越大或并联的片数越多则电流越大。那么以现有电动自行车通用的48V12Ah铅酸蓄电池为例，如果直接用太阳能电池组件给蓄电池充电需要片数为：67205135片。考虑到太阳能电池的发电效率会受到季节、气候、地理环境和光照时强度多方面因素的制约，实际片数还要多。目前72片的单晶电池板（158080840mm）的开路电压（最大电压）约为40V，因此一块电池板没法满足充电需求。按照实际应用来说，必须要减小电池板的尺寸，然后进行升压转换。3太阳能电动自行车的设计与实践太阳能电动自行车的主要设计思路如下：由市电充电的蓄电池作为主要动力源，在控制系统的作用下，太阳能电池向蓄电池充电，同时多余的电能还可以直接参与电动自行车的驱动。由于太阳能电池只能在白天发电，它的日电量等于输出电流与有效光照时间的乘积，而蓄电池的容量则是放电时间和放电电流的乘积，通过电功率公式就可以计算出蓄电池的容量与太阳能发电量的关系。在计算过程中为了更加准确，还要考虑蓄电池的充电效率。蓄电池的充电效率一般为65到80之间，其充电效率的高低取决于充电的方式，即充电的速率和电池内部的活性物质的利用率等客观条件，一般的经验是充电效率的高低按照充电时间率和电流率来分别选取。目前太阳能电池的种类一般有三种材料的种类，即非晶硅、单晶硅和多晶硅。非晶硅电池光电的转换效率一般为8左右，现在已经基本被淘汰。单晶硅转换效率一般在15，而多晶硅的转换效率在16。而且太阳能电池的发电功率也会受到季节、气候、地理环境和光照时强度多方面因素的制约。提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。综合以上，我们选用3块20W（3060cm）的太阳能电池板组件，安装方式如图1所示。测试结果：在良好的天气条件下（全天温度815，天气晴朗），充满48V12Ah的蓄电池所用时间约为135h。在我国南方和北方的地区由于地理纬度上的差异，夏季和冬季的太阳日照时间和光照效率有较大差异；很显然，日照时间与太阳能的有效发电时间不同，有效光照时间为：hH光照效率。（下转第50页）图1太阳能电池板安装方式30农业装备与车辆工程2012年我国一般地区都有8h以上的日照时间，但是有效的发电时间一般也就是46h，故若要缩短充电时间，应该采用更高功率的太阳能电池组件或者提高光电转换效率。4总结为了缓解环境的污染，采用可再生、无污染的能源如太阳能作为交通工具的能源系统已经受到人们的日益重视。但是由于太阳能汽车的造价几十万，不利于低成本的大规模推广使用；太阳能电动自行车造价不高，而且可以省去充电费用，有望将来成为中国有前途的绿色交通工具。参考文献1张雪霞警惕电动自行车成为新污染源J资源节约与环保2007，（6）2王凤和电动自行车十年回顾与未来趋势J中国自行车，2008，（4）3王毅，熊大庆“轻便型”太阳能电动车造型设计研究J包装工程，2008，（5）（上接第30页）机电控系统软件中，然后对电喷摩托车发动机进行台架试验。通过FC2000测控系统调整控制参数来实现发动机不同工况点的研究试验，记录发动机动力性、经济性与排放性能指标值，并且与传统的化油器式发动机进行比较，如图8为节气门为50时电控发动机与化油器式发动机的性能对比图。4结语为了满足摩托车发动机电喷系统匹配需要，本文采用层次分析方法实现了发动机经济性、动力性和排放性的综合性能优化，通过不同的权重系数解决了各性能指标之间的矛盾。根据此方法提出了一套摩托车发动机最优喷油量匹配标定试验方法，基于自主开发的摩托车电喷系统建立了试验台架，进行了发动机台架试验，获取了电喷发动机不同工况下的最优喷油脉谱图。在线试验结果表明，基于该最优喷油脉谱图电喷摩托车发动机的动力性能、排放性能、经济性能皆优于传统油器式发动机，验证了所提出的最优喷油量匹配标定方法的可行性。参考文献1刘利，卓斌电控汽油机发动机的匹配标定试验研究J上海汽车，1999，（8）：492赵宗红电控摩托车发动机标定系统开发与参数匹配技术研究D淄博：山东理工大学，20103黄海燕汽车发动机试验学教程M北京：清华大学出版社，2009：5314江洪摩托车电子燃油喷射系统试验研究D重庆：重庆大学，20065李滨，张敏中基于层次分析法的汽车系统分析J江苏理工大学学报，2000，（21）：24276胡春明，王海铭等摩托车汽油机电喷系统怠速工况的优化匹配研究J小型内燃机与摩托车，2002，（31）：1112图8节气门50时电控发动机与化油器式发动机性能