Электромобиль сегодня: прорыв в будущее
И только в начале девяностых годов прошлого столетия, когда коэффициент полезного действия солнечной панели поднялся до 15%, начался бум изобретений солнце мобилей одиночными изобретателями, в который, в последствие, включились и крупные автоконцерны. Совершенно недавно компания Spektrolab, являющаяся подразделением концерна Boeing, разработала панели с эффективностью около 36%, что явилось настоящим прорывом в сфере использования энергии Солнца.
Сегодня производство электромобилей, где применяется батарея от солнца является сосредоточием самых последних технических изобретений и находок в материаловедении. Ведь невысокую эффективность панелей необходимо компенсировать низкими механическими потерями и небольшим весом самой техники.
Поэтому в таких моделях применяются самые последние изобретения в области трансмиссий, на них устанавливаются шины с самым низким сопротивлением качению и для их кузовов используются самые легкие композитные материалы высокой прочности. Кроме того, солнечные электрокары служат концептами для отработки последних достижений в автомобилестроении.
Так, специально для электромобилей разработаны легкие электродвигатели постоянного тока бесколлекторного типа с полюсами из редкоземельных магнитных материалов. А на ряде экземпляров для полного исключения механических потерь в трансмиссии стали устанавливать так называемые мотор-колеса, когда электродвигатель находится, непосредственно, в каждом колесе автомобиля. Компании-производители автошин, такие как Michelin, Dunlop и ряд других, заняты разработкой шин специально для электромобилей, коэффициент сопротивления качению которых, в настоящее время, достиг 0,007. Аналогичные шины высокого уровня сбережения энергии, используя наработки для электромобилей, разрабатываются и для обычных серийных моделей.
Большим подспорьем для автомобилестроителей стало изобретение батарей от солнца настолько тонких, что ими можно оборудовать не только крышу, но и любую поверхность автомобиля, тем самым увеличив общую площадь поглощения световой энергии. В последнее время при конструировании энергообеспечения серийных моделей стали применять солнечные панели для питания систем микроклимата, мультимедийных систем и систем подзарядки автомобильного аккумулятора на стоянках. Коэффициент аэродинамического сопротивления электромобилей достиг минимально возможной величины (0,1).
Новый вид спорта — ралли солнцемобилей
В результате бума разработок автомобилей на солнечных батареях возник и новый вид спорта брейнспорт, в рамках которого ежегодно в Австралии проводятся ралли солнцемобилей с пробегом около 3000 км между городами Дарвин и Аделаида. Эти соревнования собирают тысячи зрителей, а миллионы наблюдают за ними по телевидению. Не обделены вниманием эти соревнования и со стороны крупных автомобильных концернов, понимающих, что за этим видом энергии будущее.
Результатом более чем пятидесятилетнего прогресса, стал ряд конструкций электромобилей, питающихся от панелей, преобразующих солнечную энергию в электрическую.
Так, в 1996 году на австралийском ралли, автомобиль Мечта компании Honda прошел 3010 километров со скоростью 90 км/час и максимальной скоростью 135 км/час.
В этом же году компанией GeneralMotors был представлен автомобиль Sunracer, разгоняющийся до скорости 100 км/час за 9 секунд и имеющий максимальную скорость 130 км/час. Он был оснащен передовым, на тот момент, электродвигателем с высоким КПД и на обычных свинцовых аккумуляторах мог пройти около 100 километров.
В одном из австралийских соревнований третье место заняло детище студентов Мичиганского университета. Автомобиль Momentum показал скорость 105 км/час, неся на своем борту водителя и панели из более 3000 солнечных батарей. Мощность двигателя составила 2 кВт и вес 290 килограмм вместе с водителем. Техника имеет три колеса шириной всего 65 миллиметров для снижения сопротивления качению.
Победителями австралийского ралли в 2001 и 2003 годах стала команда гонщиков из Голландии на автомобилях Nuna3, которые прошли дистанцию за двадцать девять часов одиннадцать минут при средней скорости 102,75 км/час. Теоретической максимальной скоростью этого автомобиля является показатель в 170 км/час.
Разработки новых проектов
Французская фирма Venturi имеет два проекта автомобилей на солнечных батареях, практически готовых к выпуску в серию: Ecletic и Astrolab. Ecletic имеет крышу, расположенной на ней солнечной панели и электродвигатель мощностью 22 л/с, что позволяет ему проехать со скоростью 50 км/час около 50 километров. Более совершенный экземпляр Astrolab способен преодолеть 110 километров и на отдельных участках иметь скорость 120 км/час.
Недавно был представлен автомобиль на солнечных батареях, разработанный группой преподавателей и студентов Университета Южной Австралии. Разгон до 100 км/час у модели Trev составляет 10 секунд, при максимальной скорости 150 км/час. Пробег свыше 150 километров ему обеспечивает литиевая батарея весом 44 килограмма, подзаряжаемая от солнечной панели. Машина имеет 2 места и достаточно объемный багажник. Техника весит 270 килограмм, оснащен эффективным электрическим приводом с низким уровнем шума и конструктивно может эксплуатироваться на дорогах общего пользования. Солнце мобиль позиционируется разработчиками как городской транспорт ближайшего будущего.
Стоимость подобного транспортного средства превышает полмиллиона долларов, а некоторые экземпляры достигают стоимости и в 2 миллиона, как Мечта от корпорации Honda. Поэтому, массовость автомобилей, использующих панели, берущие энергию от солнца, скорее всего, наступит не скоро. А пока такие модели могут обрести владельца, обладающего соответствующим капиталом. Правда, некая компания-производитель из Венесуэлы объявила о скором выпуске легковых единиц и малых грузовиков на солнечной тяге стоимостью не более 6000 долларов, но дальше обещаний дело пока не пошло.
Достоинства и недочеты электромобиля
Как бы ни развивалось это направление разработки транспорта, автомобили на солнечных батареях имеют множество положительных качеств, способных стать приговором транспорту с ДВС:
- неограниченный ходовой запас на энергии, накопленной в течение светового дня;
- отсутствие сети заправочных станций;
- большой рабочий ресурс солнечной панели;
- полное отсутствие вредных выбросов;
- бесплатность энергии.
Пока же эти преимущества становятся, наоборот, недостатками солнце мобилей, не позволяющими им стать широко распространенным видом транспорта.
Автомобили на солнечных батареях присутствует в программе практически каждого крупного автомобильного концерна. Кроме того, эти же концерны финансируют разработки в этой области небольшими конструкторскими бюро и коллективами учебных заведений. По оценкам специалистов, серийный электромобиль сможет появиться только тогда, когда солнечная батарея достигнет коэффициента полезного действия в 50%. Тогда автомобили на солнечных батареях смогут успешно конкурировать с машинами, движущей силой которых служат двигатели внутреннего сгорания.
Solar Taxi: вокруг света на солнечном такси
В июле 2007 года швейцарский инженер-изобретатель Луи Палмер отправился в кругосветное путешествие на экологически чистом автомобиле. Около 40 стран и более 50 тысяч километров Палмер преодолел на машине, которая фактически потребляла лишь солнечную энергию. Конструктор даже выкрасил свой автомобиль в желтую окраску такси и прокатил на нем таких известных личностей, как Джея Лено, Джэймса Камерона, генсека ООН Пан Ги Муна и мэра Нью-Йорка Майкла Блумберга.
Естественно, двухместная машина не смогла бы вместить достаточное количество солнечных батарей, поэтому независимые производители решили приделать к своему такси прицеп. Он вместил на себе панель площадью 6 кв. метров, состоящую из солнечных элементов Q-Cells. Прицеп не сильно прибавил вес автомобилю, вместе с ним SolarTaxi весит всего 750 килограмм. Зато солнечные панели за один день способны накапливать энергии, которой хватит на 100 километров пути.
Solar Taxi — это электромобиль, основной движущей силой которого является 20-киловаттный электромотор. Компактный силовой агрегат питается от энергоемких натрий-никель-хлоридных батарей Zebra, которые можно подзаряжать от 110 или 220-вольтовой сети. При этом 50-процентный потенциал можно будет восполнить всего за 30 минут, а полная зарядка может занять от 6-8 часов.
Батареи Zebra, в отличие от литий-ионных и никель-металлогидридных аккумуляторов, легко утилизируются, и стоят в разы дешевле! Вкупе высокотехнологичные аккумуляторы и солнечные панели дают 350 километров абсолютно чистого и безвредного для окружающей среды хода. При этом трицикл довольно проворен, он легко может разогнаться до 90 км/ч.
В декабре 2008 года команда SolarTaxi удачно завершила свое путешествие, доказав себе и всему миру, что автомобили на солнечной энергии — это реально.
Astrolab
Двух-местный Astrolab разработан базирующейся в Монако фирмой Venturi Automobiles в 2006 году. Пробег на полностью заряженной батарее составляет 110 километров. Максимальная скорость 120 км/час.
Разработчик машины Sacha Lakic постарался сделать ее как можно легче. Минимизация массы машины позволяет использовать относительно компактные и легкие мотор и аккумулятор. Многое было заимствовано из технологий, применяемых при постройке машин Формулы 1. В результате вес пустого автомобиля составляет всего 280 килограмм. Места для водителя пассажира располагаются друг за другом в центре автомобиля.
Длина автомобиля — 3,8 м., ширина- 1,84 м., колесная база — 2,5 м. Солнечные панели общей площадью 38,75 кв.м. размещены на горизонтальной поверхности. Солнечной энергии, поставляемой солнечными батареями в течение дня при средней освещенности, хватает примерно на 18 километров пробега.
Astrolab приводится в движение электромотором мощностью 16 киловатт, рассчитанным на 3500 оборотов в минуту. Крутящий момент составляет 50 ньютон-метров. Аккумуляторная батарея NiMH Venturi NIV-7 может заряжаться как от солнечных панелей, так и встроенного зарядного устройства. Для полной зарядки батареи от внешнего источника требуется 5 часов.
Фотоэлектрические ячейки солнечных панелей располагаются под нано-призмами, которые эффективно концентрируют солнечную энергию. Тормозная система позволяет рекуперировать энергию при торможении.
Daedalus
Daedalus был разработан в Университете Миннесоты для участия в World Solar Challenge в 2013 году. Команда студентов этого университета разработала уже 11 моделей электромобилей на солнечной энергии. Daedalus был первой моделью, рассчитанной на двух человек. В автомобиле установлены мягкие сиденья, звуковая система и дисплей на основе планшета Nexus 7.
Daedalus оборудован солнечной панелью мощностью 1300 Вт, состоящей из 391-ой солнечной ячейки. Панель позволяет заряжать литий-ионную аккумуляторную батарею емкостью 16,2 КВт-часа и/или питать два электромотора. Четыре колеса закрыты большими обтекателями по обеим сторонам машины. Машина может передвигаться со скоростью 90 миль в час и может преодолеть ночью до 480 миль.
Как вы могли заметить, в основном здесь были перечислены электромобили, принимавшие участие в соревнованиях «солнечных» автомобилей World Solar Challenge, прошедших в 2013 году. Полный список команд, представивших свои модели на эти соревнования вы можете найти на сайте http://www.solarracing.org/. Между прочим, уже готовится новое соревнование World Solar Challenge 2015, которое пройдет 18-25 октября. Полагаю, что на этом мероприятии будут представлены новые модели электромобилей,, так и усовершенствованные версии тех, которые участвовали в прошлых стартах.
World Solar Challenge 2015 — не единственные соревнования электромобилей, которые состоятся в этом году. Вот еще несколько соревнований, запланированных на этот год:
Строим солнечный двигатель
Солнечный двигатель часто используется в качестве бортового источника тока, применяемого в BEAM-роботах, которых часто называют «живущими» роботами (см. обсуждение BEAM-роботов в главе 8). Свое распространение солнечные двигатели получили благодаря работам Марка Тилдена, который сконструировал первый подобный двигатель. Другим изобретателем был Дэйв Хранкив из Канады, который построил свою версию солнечного двигателя для питания «танцующего» робота. Мне так понравились эти разработки, что я решил сделать свой вариант солнечного двигателя. В процессе работы мне удалось придумать новый вариант схемы, который увеличил его эффективность по сравнению с оригинальным вариантом.
На рис. 3.1 изображена электрическая схема солнечного двигателя. Рассмотрим ее работу. Солнечная батарея заряжает конденсатор емкостью 4700 мкФ. По мере заряда конденсатора, напряжение на нем возрастает. Однопереходный транзистор входит в режим колебаний и посылает импульс, отпирающий тиристор. Когда тиристор открыт, вся запасенная в конденсаторе энергия разряжается через двигатель с высоким КПД. Во время разряда конденсатора двигатель вращается. Потом происходит остановка и цикл повторяется.
Рис. 3.1. Схема солнечного двигателя
Схема солнечного двигателя проста и некритична к используемым деталям. Она может быть собрана на макетной плате, выводы элементов при этом соединены проводниками. Для желающих собрать двигатель на печатной плате – чертеж платы представлен на рис. 3.2. Печатная плата входит в набор для создания солнечного двигателя. На рис. 3.3 показана схема расположения деталей на печатной плате. На рис. 3.4 помещена фотография двигателя в сборе.
Рис. 3.2. Чертеж печатной платы
Рис. 3.3. Размещение деталей на печатной плате
Рис. 3.4. Солнечный двигатель в сборе
Список деталей солнечного двигателя
• транзистор 2N2646 (1)
• тиристор 2N5060 (1)
• конденсатор электролитический 22 мкФ (1)
• конденсатор электролитический 4700 мкФ (1)
• двигатель постоянного тока
• элемент солнечной батареи (2)
• печатная плата
• резистор 200 кОм 0,25 Вт
• резистор 15 кОм 0,25 Вт
• резистор 2,2 кОм 0,25 Вт
Двигатель с высоким КПД
Далеко не все электродвигатели имеют высокий КПД. Например, небольшие моторчики постоянного тока из радионаборов, как правило, имеют низкий КПД. Для определения этого существует простая процедура. Повращайте пальцами ось двигателя. Если ротор вращается плавно и продолжает вращение, когда вы отпустите ось, то, возможно, это двигатель с высоким КПД. Если ось ротора поворачивается рывками, и вы чувствуете сопротивление, то, скорее всего, КПД такого двигателя невелик.
Особенности конструкции солнечного двигателя
Солнечные элементы, использованные в устройстве, имеют высокий КПД и высокое выходное напряжение. Для солнечных элементов типично выходное напряжение в пределах 0,5–0,7 В при различных токах, которые зависят от размеров элемента. Солнечный элемент, использованный в данной схеме, дает паспортное напряжение порядка 2,5 В, но без нагрузки он заряжает конденсатор до уровня 4,3 В.
Я уверен, что некоторые из тех, кто захочет построить подобную схему, уже думают о возможности более быстрого заряда емкости через увеличение количества солнечных элементов. Данной вещи делать не следует. Дополнительные элементы действительно увеличат ток заряда и, соответственно, сократят его время, но только в первом цикле. Для того чтобы тиристор закрылся и начался новый цикл, необходимо, чтобы ток, протекающий через тиристор, прекратился (или стал очень малым). А в случае, если солнечная батарея будет отдавать достаточно большой ток, то тиристор «залипнет» в открытом состоянии. Соответственно, вся энергия батареи будет через открытый тиристор рассеиваться на подключенной нагрузке. Конденсатор не будет заряжаться, и схема выйдет из циклического режима.
Для правильной работы детали схемы специальным образом подобраны. Единственный компонент, допускающий вариации в значительных пределах, это накопительный конденсатор. Меньшие значения емкости приведут к более быстрому циклу «заряд-разряд». Большие значения емкости или использование нескольких конденсаторов приведут к запасанию большего количества энергии и, соответственно, совершению большей работы, однако следует помнить, что при использовании подобных емкостей цикл «заряд-разряд» может сильно удлиниться.
Применение
Схема солнечного двигателя может находить массу новых и неожиданных применений, например, как бортовой источник энергии солнечного гоночного автомобильчика, источник питания реле, бакена, собранного на светодиодах, моторчика для передвижения робота или, как показано на рис. 3.5, устройства поворота американского флага.
Рис. 3.5. Поворот флажка с помощью солнечного двигателя
Привлекательность солнечного двигателя в том, что он может работать «вечно», пока не выйдет из строя какая-то из его частей, что может произойти через годы.
Поделитесь на страничке
Следующая глава >
