Автомобили на солнечных батареях

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).

Будущее «солнцемобилей»

Все это не делает невозможным использование солнечных батарей, но пока это не слишком практично. Крупный транспорт вроде автобусов и поездов может выиграть из-за большей площади «рабочей» поверхности, но пока не будут достигнуты значительные успехи в технологии солнечных панелей, полностью работающие от солнца легковые автомобили вряд ли получат путевку в жизнь.

Инженеры сейчас больше озабочены тем, как интегрировать солнечную энергию в электромобили, чтобы сделать их более эффективными. Tesla, к примеру, планирует использовать «солнечное стекло», превращающее люк на крыше в прозрачную солнечную батарею. Некоторые современные продукты Tesla поставляются с солнечными панелями, которые можно хранить в багажнике и разворачивать над крышей. Это вдохновило многих производителей начать разработку собственных электромобилей, использующих солнечные батареи для расширения возможностей.

Вдохновляет то, что затраты в «солнечной отрасли» падают. Международное энергетическое агентство (МЭА) недавно опубликовало ежегодный отчет, где впервые отмечено, что солнечная энергия является самым дешевым источником электроэнергии для большинства стран мира. И в автомобильной отрасли будут активно использовать эти возможности.

Заключение

Солнечные панели на автомобилях пока не получили широкого распространения. Их недостаточно, чтобы стать единственным источником энергии, но он чище и экономнее других. Вероятно, мы нескоро увидим на дороге машины, работающие на одной солнечной энергии, но идея определенно кажется разумной.

Транспорт – едва ли не главное орудие убийства планеты как по ресурсам, которые он сжигает, так и по выбросам в окружающую среду. Поэтому естественно, что и потребители, и производители ищут более чистые и экономичные решения для транспортировки, и фотоэлектрические панели непременно сыграют в этом свою роль.

Видео о коммерческом авто на солнечной энергии:

Основные концепции солнцемобиля

Солнцемобиль обычно включает в себя:

Солнечную батарею;
Накопитель энергии, позволяющий перемещаться ночью или в условиях сильной облачности, когда уменьшается и без того малая удельная мощность солнечного излучения;
Электродвигатель, который устанавливается чаще непосредственно на ведущие (-ее) колеса (-о), чтобы исключить потерю мощности при трансмиссии. Чаще задействуют низкооборотные моторы постоянного тока, у которых КПД равен 98%;
Управляющий блок, который занимается распределением полученной энергии (излишек накапливается в аккумуляторе) и регулированием параметров работы солнечной батареи (охлаждение, ориентирование на солнце);
Шасси.

Для максимально эффективного преобразования солнечного света в скорость, питания некоторых узлов и запаса хода необходимы:

Хорошая аэродинамика;
Большая площадь для размещения фотогальванических элементов;
Малая масса электромобиля.

Первые два пункта обусловливают причудливую форму кузова, напоминающую насекомое или крыло самолета. В некоторых концепциях колеса прикрыты обтекателями. О солидном клиренсе солнцемобиль может и не мечтать. Крыша обычно выполнена как единое целое с капотом и багажником. Некоторые концепты напоминают гольф-кары – двухместные, без стекол и дверей. А полноценная крыша над головой и вовсе подразумевается не у всех (пример – француз Venturi Astrolab).

Ради легкости конструкции, помимо прочих, используются такие материалы, как углепластик, композиты с карбоновыми включениями.

Солнцемобиль также требователен к шинам. Ему лучше подходят те, у которых низкий коэффициент сопротивления качению. Лучшим их производителем признан Michelin.

Какие существуют солнцемобили

Практически в каждой компании ведутся разработки по созданию эффективных солнцемобилей. Вот какие проекты концепт-каров уже готовы:

Французский электрокар, имеющий данный тип источника питания,– Venturi Eclectic. Концепт был разработан в 2006-м году. Автомобиль оснащен силовой установкой, мощность которой достигает 22 лошадиные силы. Максимальная скорость транспорта – 50 км/ч., при которой запас хода составляет полсотни километров. В качестве дополнительного источника энергии производитель использует ветряной генератор.
Astrolab Eclectic – еще одна разработка той же французской компании, работающей от солнечной энергии. Особенность автомобиля заключается в том, что он имеет открытый кузов, а панель расположена по периметру вокруг водителя и его пассажира. Это позволяет сохранить центр тяжести максимально близко к земле. Такая модель разгоняется до 120 км/ч. Сам аккумулятор имеет большую емкость, и расположен непосредственно под солнечной панелью. Мощность установки составляет 16 кВт.
Нидерландский солнцемобиль для всей семьи – Stella. Модель была разработана группой студентов в 2013-м году. Машина получила футуристические очертания, а кузов выполнен из алюминия. Максимальная дистанция, которую может преодолеть авто, составляет около 600 километров.
В 2015 году появилась еще одна действующая модель – Immortus, которую создала компания EVX Ventures из Мельбурна, Австралия. Этот двухместный электрокар получил приличную солнечную панель, площадь которой составляет 2286 квадратных сантиметров. В солнечную погоду транспорт способен целый день ездить без подзарядки на любое расстояние. Для обеспечения энергией бортовой сети используется АКБ емкостью всего 10 кВт/час. В пасмурный день машина способна преодолеть расстояние в 399 км, и то при максимальной скорости в 59 км/ч. Компания планирует пустить модель в серию, но лимитированную – всего около сотни экземпляров. Стоимость такого автомобиля будет составлять примерно 370 тысяч долларов.
Еще один автомобиль, использующий данный тип энергии, показывает неплохие результаты, даже в качестве спорткара. Модель Green GT от Solar World GT обладает мощностью в 400 лошадиных сил, а предел скорости находится на отметке в 275 километров в час.
В 2011-м году состоялось соревнование среди солнцемобилей. Его выиграл Tokai Challenger 2 – японский электромобиль, использующий энергию солнца. Весит болид всего 140 килограмм, а разгоняется до показателя в 160 км/ч.

Параметры

Запас хода у серийной модели выше почти вдвое, в сравнении с предыдущей. Мощность составляет 16 кВт, скорость ограничена отметкой 120 км/час.

Какие проблемы приходится решать

Когда в 2016 году «Сол» только появился в СМИ, о нем писали, что проект Политеха — это на 80 % импортозамещение. Сейчас этот не совсем так: если считать хитро — от массы автомобиля, — то получается 70 % соларкара действительно отечественного производства. На деле же в России изготовлено только 30 % комплектующих: рама, детали подвески, программное обеспечение, мелкие подконтроллеры для двигателя, панелей и аккумулятора.

Амортизаторы и солнечные батареи для «Сола» сделаны в США, рулевая рейка — в Италии, тормозная система почти полностью британская, двигатель словенский, аккумулятор из Китая.

Как объясняют инженеры, работу со спонсорами осложняет бюрократия. Но есть и технические проблемы: например, российская силовая электроника для кастомного проекта не подходит.

— Мы работаем в проектных реалиях, — говорит Захлебаев. — Даже когда есть деньги, не так-то просто достать нужные материалы и комплектующие. Конечно, хочется сделать акцент на отечественных, но если их просто нет, выбирать не приходится. Сами могли бы что-то сделать, но это уже совсем другая история и другие деньги. Нужно понимать, что у нас не очень стандартная задача — мы не можем прикрепить колеса от «девятки», руль от «Приоры» и поехать.

Самое сложное с инженерной точки зрения — это меняющиеся регламенты соревнований. Когда Политех готовил машину к несостоявшемуся участию в австралийских гонках, у нее была легкая конструкция. К американским ралли в машину пришлось установить пространственную раму — каркас безопасности. «Сол» стал тяжелей, но по требованиям гонки, он должен ускориться не менее чем до 105 км/час.

— Пока тестировали на 60. Времени осталось немного, но мы справимся — и не такое бывало, — добавляет Захлебаев.

В конструкции «Сола» используют американские солнечные батареи из кремния Sun Power. С российскими моделями не получилось: свободно заказать этот продукт у наших производителей нельзя.

— Почему — я не знаю, — говорит Евгений. — Но по американскому регламенту, они должны быть в свободной продаже.

Пока инженерам приходится самостоятельно изготавливать корпус и колесные диски. Чтобы полностью сосредоточиться на инженерных задачах, команда должна передать исполнение профессионалам, но для этого нужны деньги.

Поэтому фандрайзинг — основной пункт в планах Polytech Solar.

— Почему я до сих пор в проекте? Скажу просто: это мое детище и его хочется довести до логического конца, — говорит Захлебаев. — Над «Солом» всё время язвят: ха-ха, питерский солнцемобиль, как же он будет ездить по нашим дорогам и так далее. К критике я отношусь спокойно. Разве что объясняю каждый раз: нет, это не автомобиль будущего, не прототип для массового рынка и уж тем более не конкурент Tesla. «Сол» предназначен для университетских соревнований.

Солнечная батарея как опция

Такие мировые автопроизводители, как Mercedes Benz, BMW, Toyota, в качестве опции устанавливают на крышу солнечные элементы, энергия от которых расходуется на работу навигации и кондиционера. Учитывая высокую цену фотогальванических элементов и сложность при их установке (контроллеры, доработка кузова, т. к. тяжелая крыша играет не на пользу его жесткости), стоимость опции составляет порядка $2,000. Основным «применением» солнечной крыши выступает охлаждение салона автомобиля кондиционером во время длительной стоянки под лучами солнца. Такая машина, конечно, не является солнцемобилем, но идея реализации питания, пусть не всего транспортного средства, а лишь некоторых его элементов от солнца максимально приближает его к таковым.

Несмотря на ограничения, сопутствующие гелиотранспорту, идея создать полноценный солнцемобиль продолжает развиваться. Главный сдерживающий фактор – низкая производительность фотоэлементов, но открытия в этой области появляются постоянно, и как знать, может уже через пару десятков лет бензоколонки будут уже не актуальны…

Мне нравится1Не нравится

До привычного автомобиля как до звезд

Внешность солнцемобиля весьма забавна: обтекаемая форма с максимально большой плоской верхней поверхностью, на которой размещены солнечные панели. Кроме легкого внешнего сходства эти творения инженерной мысли имеют не так много общего с привычными автомобилями. Малая полезная поверхность для размещения солнечных элементов и их невысокий КПД (максимум лишь 20-22%), заставляет конструкторов предельно уменьшать массу, используя легкие материалы и отказываясь от всего «лишнего». Под эту категорию даже иногда попадает колесо, делая электромобиль трехколесным.

По этой же причине солнцемобиль, который не может перевозить тяжелый груз, а ведь обычное авто, сравнимое по габаритам с седаном, может вместить с достаточным комфортом 4-5 человек, и груз до 300 кг и чуть более для него не проблема. В случае с «солнцеядным» транспортным средством здесь сплошь ограничения. Как правило, внутреннее пространство рассчитано на 1-2 человек, но есть исключения – голландский концепт Stella – первый в мире 4-х местный электромобиль.

Жесткость кузова гелиомобиля не лучшим образом сказывается на безопасности. Это у обычных машин есть металлические ребра жесткости, специальная конструкция и разная сопротивляемость удару, благодаря чему гасится энергия удара ради минимальной деформации салона. Здесь пока что преобладает не пассивная безопасность, а обеспечение жизни самой идеи создания гелиотранспорта. Конечно, с достижением достаточно высокого КПД фотоэлементов ситуация будет меняться.

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.

Три инженера из Мюнхена занимались разработкой доступного электромобиля на солнечных батареях в течение трёх лет. Средства на инженерно-конструкторские работы немцы привлекли с помощью краудфандинговой кампании, собрав за несколько месяцев более 600 тысяч евро на постройку первого ходового прототипа и его испытания. В результате получился электромобиль под названием Sion, оборудованный солнечными панелями.

Всего на компактном кузове удалось разместить 330 фотоэлементов, защищённых от механического воздействия и неблагоприятных условий окружающей среды тонким поликарбонатным покрытием. Солнечные батареи сами по себе способны обеспечить Sion запас хода в 30 километров. Sono Motors планировали выпускать «солнечный» электромобиль с двумя вариантами аккумуляторных батарей — ёмкостью 14,4 и 30 кВт⋅ч.

В первом случае запас хода составлял около 100 километров, а во втором — уже 250 километров. Однако от «младшей» версии решено отказаться — предварительные заказы клиентов поступали только на «старшую» модель. С помощью системы быстрой зарядки батареи электрокара можно зарядить от розетки на 80% всего за 40 минут. Впрочем, аккумулятор можно зарядить и с помощью солнечных батарей — всего за восемь часов.

Как в автомобилестроении используется солнечная энергия?

Топливный кризис в мире не за горами. Не так давно озвучивались данные о том, что при сохранении нынешних темпов добычи нефти в России, её хватит на 30 лет. То есть, запасы тают с каждым днём, а потребление растёт. Кроме того, есть и другая проблема. От большого количества автомобилей ежедневно в атмосферу поступает масса выхлопных газов с вредными веществами. Эти проблемы нужно решать. Причём в ближайшее время. Некоторые специалисты видят выход в создании электромобилей, работающих на солнечной энергии. Действительно, это не фантастический рассказ, а реальные разработки. Конечно, до выпуска серийных моделей ещё далеко, но уже есть рабочие образцы, включая гоночные кары.

Впервые фотоэлектрические панели на крыше автомобиля попробовали установить довольно давно. В наше время появились полноценные авто, которые приводятся в движение исключительно от солнечной энергии. И эти автомобили делаются не в единичном экземпляре энтузиастами, а в производственных цехах крупных автомобильных корпораций.

Концерн General Motors ещё в середине прошлого столетия представил модель с электродвигателем, который работает на солнечной энергии. В длину машина была не больше полуметра. Н крыше были закреплены 10 солнечных батарей.

Разработкой автомобиля занимался Уильям Кобб ─ инженер компании GM. Эти исследования были профинансированы автомобильным гигантом в надежде на прорыв. Но тогда исследования свернули из-за низкой рентабельности, а вернулись к ним лишь через несколько десятилетий.

Плюсы

Солнечная энергия бесплатна;
Не требуется сеть заправочных станций;
Фотоэлементы имеют большой срок службы (до 30 лет);
Не выбросов а атмосферу;
Использование таких авто стимулирует разработку передовых технологий в смежных сферах.

Минусы

Низкий КПД фотоэлектрических панелей (максимум 12─15%);
Высокая стоимость солнечных панелей;
Эффективность выработки электроэнергии зависит от времени суток и погоды;
Необходимо осуществлять накопление энергии от батарей.

Обзор солнцемобилей

Stella

Автомобиль был разработан в 2013 году командой студентов из Технологического университета Эйндховена (Голландия). Он был представлен как авто семейного типа, работающий исключительно за счет солнечного излучения. Суммарная площадь батарей, которые вырабатывают энергию для передвижения транспортного средства – 5,8 кв. м, скорость – до 125 км/час. При полном заряде аккумуляторной батареи машина проедет до 1000 км.

Основной материал корпуса – углеродистое волокно и алюминий, благодаря этому автомобиль получился легким и аэродинамичным. Вес без пассажиров – 375 кг. Транспортное средство оснащено инновационными устройствами, в том числе и необычной навигационной системой. Она следит за изменениями погодных условий и автоматически выбирает тот маршрут движения, по которому получит максимальное количество солнечного света. Фото автомобиля на солнечных батареях вы увидите далее.

Trev

Это транспортное средство было разработано австралийскими учеными в качестве пробного образца. Разработчики уверены в том, что в скором времени автомобиль Trev станет популярным средством передвижения. Изобретение проходит стадию регистрации, когда будут получены все необходимые документы – машины поступят в продажу.

Характеристики авто на солнечных батареях Trev:

масса – 270 кг;
время разгона до 100 км/час – 10 секунд;
масса батареи – 44 кг;
расстояние, которое машина проедет без подзарядки – 150 км;
количество сидений – 2;
бесшумный ход;
есть большое багажное отделение.

Конструкция автомобиля обеспечивает пассажирам комфорт и безопасность. Источником энергии может быть как солнце, так и ветер.

Solar World Gt

Машина на солнечных батареях была создана в 2011 году разработчиками из Бохумского университета (Германия). По внешнему виду она напоминает легковое купе, в котором с комфортом смогут разместиться два человека и багаж. На крыше и бампере электромобиля расположены высокопроизводительные солнечные элементы, а во внутреннем отделении – аккумуляторы для накопления электричества. Скорость, которую способно развивать транспортное средство, – до 100 км/час.

В 2011 году работающая на солнечной энергии машина участвовала в ежегодной гонке World Solar Challenge в Австралии, но не выиграла ее. Зато она стала победителем в номинации «Лучший дизайн». После завершения гонки автомобиль отправился в кругосветное путешествие, за год он преодолел более 30 тыс. км.

Sono Sion

Это первый автомобиль на солнечных батареях, который будет запущен в серийное производство. Разработчики обещают сделать это в 2019 году. Созданием транспортного средства в течение трех лет занималась группа инженеров из Мюнхена.

На кузове электромобиля размещено 330 фотоэлементов. От неблагоприятных условий окружающей среды и механического воздействия они защищены поликарбонатным покрытием. Солнечные батареи способны обеспечить машине запас хода в 30 км. Время заряда встроенных аккумуляторов от солнечных панелей – 8 часов, от розетки – 1 час. Ожидаемая стоимость транспортного средства – 16 тыс. евро, батареи будут продаваться отдельно.

Venturi Astrolab

Гоночный автомобиль на солнечной батарее был разработан французской компанией Venturi, его стоимость составляет 90 тыс. евро. Транспортное средство обладает рядом характеристик, которые делают его подходящим вариантом для повседневной езды:

асинхронный двигатель с воздушным охлаждением;
аккумуляторные батареи 7 кВт/час;
источник питания – фотогальванические элементы мощностью 600 Вт;
автономный ход при полном заряде – 110 км;
скорость – до 100 км/час;
вес устройства – 300 кг;
корпус изготовлен из легких композитных материалов.

Преимущества и недостатки солнцемобилей

Машины на солнечной энергии имеют такие преимущества:

отсутствие вредных выбросов в окружающую среду;
продолжительный срок эксплуатации;
энергия, которая обеспечивает работу транспортного средства, абсолютно бесплатная;
отсутствие необходимости останавливаться на заправочных станциях;
низкие затраты на эксплуатацию.

К недостаткам можно отнести следующее:

низкая скорость движения по сравнению с машинами, работающими на обычном топливе;
высокая стоимость;
отсутствие специализированных ремонтных сетей и автосервисов, что усложняет эксплуатацию солнцемобилей.

Такие автомобили пока не получили широкого распространения среди населения. Это обусловлено высокой ценой и низким КПД по сравнению с обычными транспортными средствами. Но технологии постоянно развиваются, и вполне возможно, что через несколько лет производителям удастся создать мощные и надежные солнцемобили, которые по своим характеристикам ни в чем не будут уступать машинам с бензиновыми двигателями.

Основные концепции солнцемобиля

Солнцемобиль обычно включает в себя:

Солнечную батарею;
Накопитель энергии, позволяющий перемещаться ночью или в условиях сильной облачности, когда уменьшается и без того малая удельная мощность солнечного излучения;
Электродвигатель, который устанавливается чаще непосредственно на ведущие (-ее) колеса (-о), чтобы исключить потерю мощности при трансмиссии. Чаще задействуют низкооборотные моторы постоянного тока, у которых КПД равен 98%;
Управляющий блок, который занимается распределением полученной энергии (излишек накапливается в аккумуляторе) и регулированием параметров работы солнечной батареи (охлаждение, ориентирование на солнце);
Шасси.

Хорошая аэродинамика;
Большая площадь для размещения фотогальванических элементов;
Малая масса электромобиля.