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太阳能汽车是终极的电动汽车吗?

2022-01-05 14:57:41 Bill Schweber 阅读:
为何只考虑通过电网或先进的家用太阳能、水力、地热系统充电的电动汽车呢?为何不干脆将太阳能电池置于车顶上,从而有可能不需要连接到任何系统呢?它是属于个人的,可以携带,也是可以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?

全电动汽车(EV)由于很多原因,是当今设计、制造和销售方面的一个热门话题。尽管2020年在美国销售的汽车只有大约2%是纯电动汽车,但预计这一数字将在未来五年、十年和二十年内大幅增长。由于做此类预测的市场分析师和专家采用各种预测方法,预测结果从适度增长到大幅增长都有,因此会增长多少很难有个明确的答案。v7kednc

然而,为何只考虑通过电网或先进的家用太阳能、水力、地热系统充电的电动汽车呢?为何不干脆将太阳能电池置于车顶上,从而有可能不需要连接到任何系统呢?它是属于个人的,可以携带,也是可以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?v7kednc

尽管听起来雄心勃勃,但有些公司正在开发通过此类面板充电的汽车(它们还包括为传统电动汽车充电的车载充电机)。此类汽车不是我们在著名的澳大利亚世界太阳能挑战赛(Australian World Solar Challenge)中所看到的那些车辆——该挑战赛已经举办了有三十多年之久,赛中共有三种等级的汽车(1),其中甚至没有一辆是接近“可以在街道上合法行驶”的。v7kednc

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图1:澳大利亚世界太阳能挑战赛自1987年起每两年举办一次;它的参赛车辆都是独一无二的,而且没有一辆是接近“可以在街上合法行驶”的。(图片来源:澳大利亚世界太阳能挑战赛)v7kednc

Lightyear(总部位于荷兰)是致力于开发可行驶的太阳能汽车的公司之一,他们开发的车型名为Lightyear One(2)。该车具有大约50平方英尺(4.6m2)的太阳能电池和四个轻量级的电机(每个车轮一个),以将重量减到最轻,并延长续航里程,而非单一的电机和变速箱。v7kednc

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图2:Lightyear One看起来像是一辆传统的轿车,但是它能够完全独立地进行太阳能充电。(图片来源:Lightyear)v7kednc

Lightyear One原型车据称,在充满电后,续航里程可超过440英里(700km);一整天在阳光下的续航里程则可以达到40英里(64km)。若您想知道它的“价格”和“上市日期”,答案是“175,000美元”和在“明年”进行生产。在您表示“这太疯狂了”之前,该公司声称在欧洲预订的汽车已有160多辆,其中大部分是预先付好款项的(美国的销售计划在稍后进行)。v7kednc

另外一家太阳能汽车的开发厂商是位于美国圣地亚哥市的Aptera Motors Corp。其Luna产品是一款两人、有像海鸥翅膀的三轮汽车(3)。该车具有大约24平方英尺(2.2m2)的太阳能电池,据称在夏日的阳光下充电一整天后,其续航里程可达40英里;不论是来自太阳能还是电网,其配备的350V电池组在充满电后都可以让该车行驶250到1,000英里,具体取决于电池组的容量,其范围高达700Wh。v7kednc

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图3:Aptera Luna是一款三轮的太阳能汽车,据称在一整天充满电后,续航里程可达到40英里。(图片来源:Aptera Motors Corp.)v7kednc

至于在价格上,该厂商表示明年将为美国客户提供续航里程为400英里的汽车版本,基本车型的起步价为29,800美元——远低于Lightyear One。该厂商将此车型归类于三轮摩托车,而不是汽车,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。)v7kednc

由于使用了非常先进的复合材料,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)(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。v7kednc

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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。(图片来源:Aptera Motors Corp.)v7kednc

所有这些许诺都不错,但也许是反思现实的时候了。虽然我并不怀疑这些初创公司的诚意,但我却对其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、季节和地球纬度最佳的情况下,此类光伏电池可用的表面积也无法提供太大的电量;即使其效率大幅提升,抵达地球的太阳辐射量充其量也不是太多。v7kednc

情况是这样的:地球表面大约99%的太阳辐射或短波辐射是介于紫外线和近红外线之间从0.3到3.0µm的区域。在地球大气层的上方,太阳辐射的强度约为1380W/m2,称为太阳常数。在纬度为40°的地方,由于大气衰减的缘故,在夏季月份日照正午的晴天,地表的太阳辐射强度值约为1000W/m2(请参见美国能源部的“Solar Radiation Basics”)。v7kednc

利用您认为现在和在不久将来对光伏电池、电源转换及管理电路、逆变器、电池和电机而言属于实际的数字,自己“在信封背面”进行粗略的计算(5),您可能会看到,即使在充满夏日阳光的“理想”条件下,可以捕获并随后可用的太阳能量是相当低的(请记住,一马力约为750W)。v7kednc

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图5:可以在数值分析的时候用这个用“信封背面”做成的独一无二的定制笔记簿进行粗略的估计——要注意的是,准确并非总是件好事,与意味着最终答案不切实际的准确性相比而言,粗略估计的数字通常更好。(图片来源:作者)v7kednc

当然,由于云层、阴影、较短的白天和众多其他因素,这种情况会迅速恶化。再者,当阳光充足且汽车未使用时,通过增加更多电池捕获更多太阳能来增加潜在续航里程,意味着只会增加重量并造成续航里程缩短。v7kednc

您对这些太阳能汽车是否可行有何看法?在这方面有许多问题,包括:v7kednc

  • 在更长远、雄心勃勃且也许还令人兴奋的产品开发旅程中,它们是否迈出了第一步?
  • 或者,对于那些每天不需多少负重并且只需要通勤几英里的人而言,它们只是昂贵的“玩具”吗?
  • 它们真的更像是采用外部充电但添加了这些太阳能面板“功能/噱头”的电动汽车吗?
  • 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因为随着太阳的移动,阴凉处也会跟着移动,进而寻找阳光充足的地方停车而避开停车场,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)以及目前如暖气和空调等舒适的标准功能的话,人们会接受吗?

有许多疑问,也有很多观点——看起来我们得过几年再来做番审视了!v7kednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Are solar-powered cars the ultimate electric vehicles?,由Franklin Zhao编译。)v7kednc

本文为《电子技术设计》2022年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里v7kednc

本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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