太陽能汽車設計論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2 太陽能汽車2</p><p>　　1.3 太陽能汽車的發(fā)展歷史4</p><

2、;p>　　1.3.1 國外太陽能汽車的發(fā)展4</p><p>　　1.3.2 國內太陽能汽車的發(fā)展6</p><p>　　1.4 本文的研究工作與意義7</p><p>　　1.4.1 研究工作7</p><p>　　1.4.2 本文的主要研究內容8</p><p>　　第二章 太陽能汽車的基本結構和原

3、理9</p><p>　　2.1 電力系統(tǒng)10</p><p>　　2.1.1 太陽能電池10</p><p>　　2.1.2太陽能控制器12</p><p>　　2.1.3 蓄電池組13</p><p>　　2.1.4電機控制器13</p><p>　　2.1.5電機13<

4、/p><p>　　2.2 機械系統(tǒng)14</p><p>　　2.2.1 車架和車殼14</p><p>　　2.2.2 底盤和懸架14</p><p>　　2.2.3 駕駛轉向、剎車制動系統(tǒng)15</p><p>　　2.3 太陽能汽車的使用說明17</p><p>　　2.3.1特征與功

5、能17</p><p>　　2.3.2注意事項17</p><p>　　第三章 太陽能汽車電源系統(tǒng)設計18</p><p>　　3.1 設計目標18</p><p>　　3.2 動力性能分析18</p><p>　　3.2.1 汽車的驅動力18</p><p>　　3.2.2 汽車的

6、行駛阻力18</p><p>　　3.2.3 動力性能計算19</p><p>　　3.3 設計校核20</p><p>　　3.3.1 安全性分析20</p><p>　　3.3.2 最大速度估算20</p><p>　　第四章 太陽能汽車性能分析21</p><p>　　4.1

7、太陽能電池板傳熱模型21</p><p>　　4.2 太陽輻射的逐時計算22</p><p>　　4.2.1 太陽輻射計算基礎22</p><p>　　4.2.2 太陽輻射的逐時計算模型26</p><p>　　4.2.3 西安夏天太陽輻射數(shù)據(jù)計算26</p><p>　　4.3 大氣溫度的逐時計算28&l

8、t;/p><p>　　4.3.1 大氣溫度的逐時計算模型28</p><p>　　4.3.2 西安夏天逐時空氣溫度計算28</p><p>　　4.4 太陽輻射和大氣溫度的氣象統(tǒng)計數(shù)據(jù)29</p><p>　　4.5 太陽輻射和氣溫對太陽能電池最大功率的影響29</p><p>　　4.6 汽車重量和外形對性能的影

9、響31</p><p>　　4.7 提高太陽能汽車性能的因素32</p><p><b>　　第五章 總結33</b></p><p>　　5.1 本文總結33</p><p><b>　　5.2 展望33</b></p><p><b>　　參考文獻3

10、5</b></p><p><b>　　致謝36</b></p><p>　　附錄錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　根據(jù)《BP 20

11、30世界能源展望》數(shù)據(jù)：未來20年里，世界的能源需求注定繼續(xù)增長，其中石油、天然氣等化石燃料在能源結構中的份額將持續(xù)下降，而非化石燃料和可再生能源的份額將持續(xù)上升，至2030年，可再生能源（包括生物燃料）將占到能源消費增長的18%，可再生能源在全球能源市場的普及速度將類似于20世紀70年代和80年代核電的出現(xiàn)。由于各國節(jié)能減排政策的實施以及日本核事故的影響，來源廣泛、環(huán)境影響較小的太陽能等新能源受到越來越多的重視。</p>

12、<p>　　太陽能能源是來自地球外部天體的能源(主要是太陽能)。人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。正是各種植物通過光合作用把太陽能轉變成化學能在植物體內貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質年代形成的。它們實質上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風能、潮汐能等也都是由太陽能轉換來的。</p><p>　　太陽能利用基本方式可以分為如下4大類。

13、</p><p><b>　　(1) 光伏發(fā)電。</b></p><p>　　光伏發(fā)電基本原理是利用光生伏打效應將太陽輻射能直接轉換為電能，它的基本裝置是太陽能電池。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要可以分為離網(wǎng)和聯(lián)網(wǎng)兩種運行方式。與公共電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)成為聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，已經(jīng)成為電力工業(yè)的重要組成部分，特別是其中的光伏電池與建筑結合的聯(lián)網(wǎng)屋頂太陽能光伏系統(tǒng)是眾多國家競相發(fā)展的熱點。離

14、網(wǎng)系統(tǒng)主要應用于遠離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和特殊場所，如通信基站、地震氣象臺站、海島燈塔等，同時也是很多邊遠偏僻農(nóng)村、牧區(qū)、海島的生活用電來源。</p><p><b>　　(2) 光熱利用</b></p><p>　　它的基本原理是將太陽輻射能收集起來，通過與物質的相互作用轉換成熱能加以利用。目前使用最多的太陽能收集裝置，主要有平板型電池板、真空管電池板和聚焦電池板等3

15、種。通常根據(jù)所能達到的溫度和用途的不同，而把太陽能光熱利用分為低溫利用(＜200℃)、中溫利用(200～800℃)和高溫利用(＞800℃)。目前低溫利用主要有太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器、太陽房、太陽能溫室、太陽能空調制冷系統(tǒng)等，中溫利用主要有太陽灶、太陽能熱發(fā)電聚光集熱裝置等，高溫利用主要有高溫太陽爐等。</p><p><b>　　(3) 光化利用</b></p>

16、<p>　　這是一種利用太陽輻射能直接分解水制氫的光化學轉換方式。</p><p><b>　　(4) 光生物利用</b></p><p>　　通過植物的光合作用來實現(xiàn)將太陽能轉換成為生物質的過程。目前主要有速生植物、油料作物和巨型海藻。</p><p>　　太陽能資源的普遍、安全可靠、無噪聲、無污染等優(yōu)點，使得太陽能電池是一個優(yōu)

17、良的電力來源。太陽能電池最早用于空間，至今人造衛(wèi)星、空間站等飛行器仍是主要靠太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)來供給的。</p><p>　　一個太陽能光電板能將太陽能轉變?yōu)殡娔?。光子在日光下產(chǎn)生能量帶動電子從一個半運動的金屬粒子的一層轉移到另一個層面，電子的運動產(chǎn)生了通用的電力。</p><p>　　目前，主要有兩種類型的光電板：硅和砷化物。在這里有幾個不同的等級并且有不同的效能。環(huán)繞地球衛(wèi)星是典型的使

18、用砷化合物，而硅則更為普遍的為地球（陸地）基礎設備的使用。</p><p>　　一般等級的太陽能汽車通常使用陸地級硅電池板。許多獨立的硅片（靠近1000個）被組合，形成太陽能陣列。依靠電動發(fā)動機驅動太陽能汽車。這些陳列的通常工作電壓在50-200V，并能提供1000W的電力。能量的大小受到太陽、云層的覆蓋度和溫度的影響陣列的輸出。</p><p>　　超級太陽能汽車通常類型的太陽能光電板也

19、能使用。但更多的是使用太空級光電板。這種板很小，但是比普通的硅片電池板要昂貴的多，然而它們的使用效率非常的高。光電池板具有很強的技術性。它們的發(fā)展和使用是隨著技術的發(fā)展而發(fā)展。并有部分是用于太空旅行和衛(wèi)星輸送系統(tǒng)中。</p><p>　　隨著太陽能電池材料技術的進步和更為先進的太陽能電池生產(chǎn)工藝的發(fā)展，性能更穩(wěn)定、轉換效率更高、成本更低的的太陽能電池已被應用于人們生產(chǎn)生活的各個方面，其中太陽能交通工具，如太陽能飛

20、機、太陽能汽車的發(fā)展格外引人注目。7月6日，瑞士的太陽能飛機“太陽驅動號”進行了首次夜間飛行，載有一個駕駛員，連續(xù)飛行時間能到到26小時9分鐘。其最大飛行高度為海拔8564米，平均時速為大約43公里，最大時速為126公里。而在2008年，瑞士冒險家路易斯·帕爾默駕駛一輛太陽能汽車，不用一滴油完成繞地球行駛3.2萬英里(5.2萬公里)的壯舉。</p><p><b>　　1.2 太陽能汽車<

21、;/b></p><p>　　傳統(tǒng)的石油資源日益枯竭，人們對石油資源的依賴性和石油儲量的不斷銳減形成了鮮明的反差。汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展也給社會環(huán)境帶來了一定的壓力。因此電動汽車應運而生，并在近幾年迅速得到發(fā)展。純電動、混合動力以及燃料電池汽車等相關技術已相對成熟。相比之下，太陽能汽車還很年輕。所謂太陽能汽車就是利用</p><p>　　太陽能電池將太陽能轉換為電能，并利用該電能驅動車輛

22、行駛。太陽能汽車清潔、環(huán)保，可以說是真正“零排放”的交通工具。近年來，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國內外對太陽能汽車的研究方興未艾，這都為太陽能汽車的實用化奠定了基礎。太陽能發(fā)電在汽車上的應用，將能夠有效降低全球環(huán)境污染，創(chuàng)造潔凈的生活環(huán)境，隨著全球經(jīng)濟和科學技術的飛速發(fā)展，太陽能汽車作為一個產(chǎn)業(yè)已經(jīng)不是一個神話。</p><p>　　太陽能汽車最具魅力的部分就是車身。光滑而又具有異域風情的外觀是吸引眼球的部分，太陽能汽車

23、是由若干主體部件組成。由于沒有統(tǒng)一的標準而使得每一輛太陽能汽車各具特色。除了車子長度的強制性要求限制外。當我們設計太陽能汽車的主體時要讓阻力達到最小值。而使太陽能與陽光的接觸比達到最大值，重量要盡量小而安全系數(shù)盡量達到最高。在這些方面我們得到很多理論作為支撐，如在車子的形狀和尺寸上我們花費大量的時間進行試跑測試。進而測出并試圖得到最佳的外形效果。一個好的太陽能汽車外形能夠節(jié)省幾百瓦的能量，這也是制造一輛好的太陽能汽車所必須的。</

24、p><p>　　最初的挑戰(zhàn)就是如何制造出一個高效的太陽能汽車底盤，從而使其強度和安全度達到最佳，并且重量最小。每一公斤的重量都需要足夠大的能量使得在路面上移動。這就意味著工作組力求使車子的重量減到最小。而這個關鍵的部位就是汽車的底盤。然而，安全是一個基本的要求，底盤必須具有嚴格的強度和安全系數(shù)要求。通常，有三種類型的底盤使用在太陽能汽車上。</p><p><b>　　1、空間框架結

25、構</b></p><p>　　2、半單體橫造或碳纖維</p><p><b>　　3、單體橫造</b></p><p>　　一個空間框架使用一個焊接或保護管結構用于支撐裝載或車體，這種車體重量輕，但不能裝載。合成的外殼是可以將分離的底盤組裝起來。半單體橫造或碳橫梁使用合成橫梁和空間隔開達到支撐裝載的能力，而整合就不能支撐裝載并承受

26、一個整體的腹部底盤。在太陽能汽車的頂部每段是經(jīng)常分割成片狀，從而能夠附加到腹部盤的上面。一個單體橫造的太陽能汽車的底盤使用軀體結構并用來支撐裝載。這三種類型的太陽能汽車底盤都能制造出強勁而又輕量型的太陽能汽車出來。許多太陽能汽車使用我們以上提到的三種底盤結構的組合方法。在上面結構中有一個例子就是帶有組合空間框架的半單體橫造，可以很好的保護駕駛員。</p><p>　　由于太陽能汽車中復合材料得到廣泛的應用，在這里

27、我們需要對合成材料進行定義。這種合成材料是由象三明治夾層一樣結構材料構成。碳纖維、KEVLAR和玻璃纖維，是一種普通的合成建筑材料。蜂窩狀和泡沫塑料是常用的合成填充材料。這些材料用環(huán)氧基樹脂保護起來。組合在具有KEVLAR和碳纖維的材料里。能夠獲得人</p><p>　　需要的強度材料（相當于鋼的強度），但是是非常輕質的材料。現(xiàn)就我們掌握的相關技術信息同有志于太陽能汽車研發(fā)和生產(chǎn)的單位或企業(yè)進行探討。</p

28、><p>　　太陽能在汽車上的應用有以下幾個途徑：</p><p>　　第一種途徑：太陽能作為汽車的主要的驅動力，這也是我們通常所說的太陽能汽車。這種太陽能汽車與傳統(tǒng)的汽車不論在外觀還是原理上都有很大的不同，太陽能汽車已經(jīng)沒有發(fā)動機、底盤、驅動、變速箱等構件，而是由電池板、蓄電池和電機組成．利用貼在車體外表的太陽電池板，將太陽能直接轉換成電能，再通過電能的消耗，驅動車輛行駛，車的行駛快慢只要控

29、制輸入電機的電流就可以解決。目前此類太陽車的車速最高能達到l00km/h以上，而無太陽光最大續(xù)行能力也在80km左右。</p><p>　　第二種途徑：還有一種概念上的太陽能汽車，其實就是普通電動車。這種汽車在車體上沒有安裝光伏電池板，而只是配置蓄電池，而電能全部來自專門的太陽能發(fā)電裝置。優(yōu)點是外觀與現(xiàn)有車輛類似，沒有另類的感覺，缺點是要經(jīng)常到太陽能電站充電，當然續(xù)行能力也受到限制。太陽能可以做充電站，比如在建筑

30、或空曠的土地上上搭很多的太陽能電池板，把太陽能收集起來給電動汽車充電。</p><p>　　第三種途徑：太陽能主要是在傳統(tǒng)汽車身上做輔助電池用，而不是作為汽車的驅動力。電池板產(chǎn)生的電能足夠能供給汽車的燈光、音響或其他附件設備，甚至能夠作為輔助電源，為手機、筆記本電腦等充電。一種所謂的“太陽能天窗技術”已在一些奔馳和奧迪車上有了應用。</p><p>　　目前，太陽能汽車代替燃油車在目前還不

31、能實現(xiàn)，主要是因為太陽能電池能量密度小，轉化效率低，價格昂貴，技術還不成熟，所以目前還不能廣泛推廣使用。但是太陽能電動車是最清潔的綠色環(huán)保汽車，所以它的發(fā)展還是非常有前景的。</p><p>　　1.3 太陽能汽車的發(fā)展歷史</p><p>　　1.3.1 國外太陽能汽車的發(fā)展</p><p>　　第一個太陽能汽車通用汽車公司的William G.Cobb制造的，名

32、叫Sunmobile，在1955年8月31日在芝加哥Powerama大會上向公眾展示。這個太陽能車是由12個硅電池供電，汽車后輪上的小電機驅動性行駛。Sunmobile只有15英寸長，顯然是太小了。</p><p>　　1962年，人可駕駛的太陽能汽車第一次向公眾展示。國際整流器公司把一輛老式貝克電動模型車改造成太陽能供電(如下圖所示)，汽車頂上安裝有大約10640個太陽能電池。</p><p

33、><b>　　圖1-1</b></p><p>　　1977年，阿拉巴馬大學教授埃德Passereni建造了一輛名叫“藍鳥”的太陽能汽車，這是一個完全尺寸的太陽能汽車。藍鳥沒有帶蓄電池，其電力完全來自太陽能電池。藍鳥在1982年世界博覽會上展出過。</p><p>　　1977年至1980年，東京電機大學教授藤田正治首先建造了一輛太陽能自行車，接著建造了一輛4輪

34、太陽車，這款車實際上是兩個太陽能自行車放在一起。</p><p>　　1979年英國人弗里曼發(fā)明了一款三輪太陽能汽車，頂上安裝著太陽能板。</p><p><b>　　圖1-2</b></p><p>　　1980年，以色列特拉維夫大學的Arye Braunstein和他的同事在建造了太陽能汽車Citicar(如下圖)。車頂部和前部的電池板由4

35、32個太陽能電池組成，能輸出400瓦的峰值功率。太陽能車使用8個6V蓄電池來存儲存電力。車重1320磅，時速能達到40英里，能行駛50公里。</p><p><b>　　圖1-3</b></p><p>　　1981年，Hans Tholstrup和Larry Perkins建造了一輛太陽能賽車。1982年，兩人成為第一個穿越澳大利亞大陸的車手，從珀斯到悉尼。Thol

36、strup是世界太陽能車挑戰(zhàn)賽(WSC)的創(chuàng)辦者。</p><p>　　1984年，格雷格·約翰森和喬爾·戴維森建造了一輛名叫Sunrunner太陽能賽車。在加州莫哈韋沙漠的創(chuàng)造了時速41英里的只由光伏電池驅動的太陽能汽車(沒有使用電池)的記錄。</p><p>　　1999年5月巴西圣保羅大學的科研人員設計出一款新型太陽能汽車。最高時速超過100km。</p&g

37、t;<p>　　2003年澳大利亞的世界太陽能汽車挑戰(zhàn)賽上，由荷蘭制造的“Nuna II”太陽能汽車取得了冠軍，它以30小時54分鐘的時間跑完了3010公里的路程，創(chuàng)造了太陽能汽車最高時速170公里的新世界紀錄。</p><p><b>　　圖1-4</b></p><p>　　2011年1月17日，澳大利亞的新南威爾士州大學的學生打造的太陽能汽車Sun

38、swift IV刷新了不使用蓄電池的太陽能汽車的速度世界記錄，新紀錄為為每小時54英里(約合每小時87公里)，較原紀錄提高了5英里(約合8公里)。</p><p><b>　　圖1-5</b></p><p>　　1.3.2 國內太陽能汽車的發(fā)展</p><p>　　1984年9月，我國首次研制的“太陽號”太陽能汽車試驗成功，并開進了北京中南海

39、的勤政殿，向中央領導匯報。太陽號由湖北省金屬學會新技術開發(fā)公司的黃繩溥等六位中青年科技人員，僅用了56天時間研制成功。太陽能汽車車頂上安裝了2808塊單晶硅片，組成10m2的硅電池板，裝有三個車輪，自重159kg，操縱靈活，轉向和變速方便，車速20km/h，遇陰雨或晚上，靠兩個高效蓄電池供電，可連續(xù)行駛100km。</p><p>　　1996年，清華大學參照日本太陽能汽車競賽規(guī)范，研制了“追日”號太陽能汽車。該

40、車使用轉換效率為14%的矩形單晶硅電池陣列，在光照條件良好的狀況下(地面日照強度為1000W/m2)，向直流永磁無刷電機提供800W的動力。結構上采用前二</p><p>　　后一的三輪式布置，后輪驅動。最高車速達80km/h。“追日”號是我國第一代參加國際大賽的太陽能賽車。</p><p>　　2001年，上海交通大學設計制造了“思源”號太陽能電動車。該車長、寬、高分別為2100mm、8

41、60mm、800mm，滿載質量400kg。其結構和動力系統(tǒng)與“追日”號相仿。但由于使用的是串聯(lián)電阻的調速方式，其能量利用率低，車速僅20～36km/h，續(xù)航能力也有限。在2005年舉辦的第九屆全國大學生“挑戰(zhàn)杯”賽上，上海交通大學的又一輛太陽能車參加了比賽。</p><p>　　圖1-6 上海交大學生制作的太陽能汽車</p><p>　　1.4 本文的研究工作與意義</p>

42、<p>　　1.4.1 研究工作</p><p>　　本課題以太陽能汽車為研究對象，完成了太陽能汽車的電源系統(tǒng)的初步設計、材料應用，同時對影響太陽能汽車性能的因素，如天氣，汽車重量，外形等，進行了分析。</p><p>　　目前太陽能汽車的開發(fā)技術還不成熟，沒有系統(tǒng)的理論基礎，相關的設計方法都處于探索階段。盡管國外的太陽能汽車發(fā)展方興未艾，但國內的太陽能汽車的研究還是處于初始的階

43、段，高校學生由于受到各種各樣條件的制約，在高校學生中間的太陽能汽車普及也很低。因此，本課題也是很有意義的一次嘗試，我們試圖通過本課題，探索太陽能汽車的設計基本方法和步驟，同時對影響太陽能汽車性能的關鍵因素進行初步的研究。</p><p>　　1.4.2 本文的主要研究內容</p><p>　　本文提出了一個太陽能汽車電源系統(tǒng)設計方案，進行了功率、力的匹配分析和校核，通過分析校核結果對電源系

44、統(tǒng)進行改進。同時對電源系統(tǒng)進行了可靠性分析，并研究了影響太陽能汽車性能的因素，如天氣、汽車重量、外形設計等。具體工作如下：</p><p>　　(1) 介紹了太陽能汽車的結構原理以及在國內外的發(fā)展歷史。</p><p>　　(2) 提出太陽能汽車的設計目標，進行了功率和力的匹配分析分析。</p><p>　　(3) 根據(jù)分析的結果完成了一個太陽能汽車電源系統(tǒng)的初步設

45、計和電氣設備選型，并對設計方案進行了可靠性分析。</p><p>　　(4) 對影響太陽能汽車性能的因素，如天氣、汽車重量和外形等進行了較為詳盡的分析，并根據(jù)分析結果提出太陽能汽車的改進建議。</p><p>　　第二章 太陽能汽車的基本結構和原理</p><p>　　太陽能汽車，即以太陽能為主要驅動力的汽車，它的本質是一個電動車和一個離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的結合體。我們可以

46、把它分成兩個系統(tǒng)：電力系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。其原理和機構如下圖所示。</p><p>　　圖2-1 太陽能汽車的組成</p><p>　　電力系統(tǒng)主要由以下部件構成：太陽能電池板，太陽能(充放電)控制器，蓄電池，電機控制器和電機。該系統(tǒng)的作用是將太陽光的能量吸收轉化成為電能帶動電機旋轉驅動汽車工作，并將多余的電能儲存在蓄電池內。</p><p>　　機械系統(tǒng)主要由車架，車

47、殼，底盤，懸架，轉向系統(tǒng)，制動系統(tǒng)和車輪組成。車架承載了太陽能汽車的所有的零部件和駕駛員。其強度要足夠保證太陽能汽車的安全性。太陽能汽車的車殼和傳統(tǒng)汽車有很大不同。流線型的車殼最大程度地減少了太陽能的風阻系數(shù)，布置合理的采光面可以有效得提供太陽能電池板的工作效率。懸架，轉向和制動對于任何汽車來說都是必不可少的，但是相對于普通車輛太陽能汽車對懸架，轉向和制動系統(tǒng)的要求有很大不同。太陽能汽車的所有部件都盡可能的輕便，可靠，易操作，易維護，因

48、而結構功能簡單是目前太陽能汽車機械系統(tǒng)的特點。我們在設計中，應盡量減少摩擦力和重量，根據(jù)不同的路況來設計需要的強度。輕質金屬如鋁合金和合成金屬是常用的，使重量和強度達到最大程度。針對重量和強度的比例從而制造高效率的組件。機械系統(tǒng)包括剎車制動、方向盤和輪胎等。除了上述兩大系統(tǒng)之外，太陽能汽車還配備有各種電子儀表，傳感器等設備。</p><p>　　圖2-2 普通太陽能汽車的結構</p><p&g

49、t;<b>　　2.1 電力系統(tǒng)</b></p><p>　　2.1.1 太陽能電池</p><p>　　太陽能汽車的心臟部位就是電力系統(tǒng)，它由蓄電池和電能組成，電力系統(tǒng)控制器管理全部電力的供應和收集工作。蓄電池組就相當于普通汽車的油箱。一個太陽能汽車使用蓄電池組來儲存電能以便在必要時使用，太陽能汽車啟動裝置控制著蓄電池組，但是當太陽能汽車開動后，是通過太陽能陣列提供

50、能量，從而再充到蓄電池組內。由于重要的原因，大量的蓄電池作為能量被使用是有限的。而且設備也還要分不同類型蓄電池，在美國太陽能挑戰(zhàn)隊蓄電池主要有如下幾種：1、鉛酸蓄電池，2、鎳鎘蓄電池，3、鋰電池，4、鋰聚合物電池。 　　鎳鎘、鎳氫和鋰電池比普通的鉛酸蓄電池遠遠提高蓄電能力，重量比普通電池要輕的多。但是他們很少在太陽能汽車中被廣泛使用，主要是維護起來很小心，并且很昂貴。電池組是由幾個獨立的模塊連接起來，并形成系統(tǒng)所須的電壓。代表性地，我們

51、可以使用的系統(tǒng)電壓在84-108V，依靠它的電力系統(tǒng)，有時我們在太陽能汽車運動時降低系統(tǒng)電壓。</p><p>　　1839年，法國物理學家A·E·貝克勒爾意外地發(fā)現(xiàn)，用兩片金屬進入溶液構成的伏打電池。光照時會產(chǎn)生額外的伏打電勢，這種現(xiàn)象被稱為“光生伏打效應”(photovoltaic effect)。1883年有人在半導體硅和金屬的接觸處發(fā)現(xiàn)了固體光伏效應。以后人們把能夠產(chǎn)生光生伏打效應的器

52、件成為光伏器件。半導體PN結器件在陽光下的光電轉換效率最高，通常稱這類光伏器件成為“太陽電池”(solar cell)。1954年恰賓(Charbin)等人在美國貝爾實驗室第一次做出了光電轉換效率為6%的實用單晶硅太陽電池。</p><p>　　用于太陽能電池的半導體材料是一種介于導體和絕緣體之間的特殊物質。當受到外來能量的作用時，這些電子就會脫，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在硅晶體中摻入硼、鎵等元素，由于

53、這離軌道而成為自由電子，并在原來的位置上留下一個“空穴”，在純凈的硅晶體中些元素能夠俘獲電子，它就成了空穴型半導體，通常用符號P表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導體，以符號N代表。若把這兩種半導體結合，交界面便形成一個P-N結。太陽能電池的奧妙就在這個“結”上，P-N結就像一堵墻，阻礙著電子和空穴的移動。當太陽能電池受到陽光照射時，電子接受光能，向N型區(qū)移動，使N型區(qū)帶負電，同時空穴向P型區(qū)移動，使P型區(qū)帶正電

54、。這樣，在P-N結兩端便產(chǎn)生了電動勢，也就是通常所說的電壓。這種現(xiàn)象就是上面所說的“光生伏打效應”。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導線，接通負載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。</p><p>　　制造太陽電池的半導體材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多。</p><p>　　太陽能電池按結晶狀態(tài)可分

55、為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形。</p><p>　　按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形，而化合物半導體薄膜形又分為非結晶形(a-Si:H，a-Si:H:F，a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs，InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化鋅等。</p><p>　　太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：

56、硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。</p><p>　　圖 2-3 太陽能單體電池、組件和陣列</p><p>　　國標GB 6495.3-1996規(guī)定的地面用太陽能電池的標準測試條件是：太陽總輻射（直射和散射），相應于AM1.5光譜分布，在與水平面成37

57、6;的傾斜面上的輻照度為1000W/m2，地面的發(fā)射率為0.2。</p><p>　　太陽能汽車上的太陽能電池板的有效面積為8平方米,太陽光照射到電池板每平方米電池上的輻射功率為1千瓦,在晴天,電池對太陽時產(chǎn)生的電壓為120伏,并對車上的電動機提供10安的電流 。</p><p>　　求太陽能電池將太陽能轉化為電能的效率為多少？ </p><p>　　120*10/

58、8*1000=15% </p><p>　　如果這輛汽車的電動機將電能最終轉化為機械能的效率為75%,當汽車受到的牽引力為150牛并在水平面上勻速行駛時,汽車的行駛速度為多大？ </p><p>　　120*10*75%=900瓦 </p><p>　　900/150=6米/秒 </p><p>　　2.1.2太陽能控制器</p>

59、<p>　　太陽能(充放電)控制器是對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進行控制和管理的設備。通常太陽能控制器具有以下一些功能。</p><p>　　信號檢測。檢測光伏系統(tǒng)各個單元的狀態(tài)和參數(shù)，為對系統(tǒng)進行判斷、控制、保護等提供依據(jù)。</p><p>　　蓄電池的最優(yōu)充電控制?？刂破鞲鶕?jù)當前的太陽能資源狀況和蓄電池的荷電狀態(tài)，確定最佳充電方式，實現(xiàn)高校、快速地充電，并充分考慮充電方式對蓄電池

60、壽命的影響。</p><p>　　蓄電池的放電管理。對蓄電池放電過程進行管理，如負載控制自動開關、實現(xiàn)軟啟動、防止負載接入時，蓄電池電壓突降而導致的錯誤等。</p><p>　　設備保護。主要是防止因為故障產(chǎn)生的過壓和因負載短路產(chǎn)生的過流，以及防止蓄電池最太陽能電池的反充電。</p><p>　　故障診斷和運行狀態(tài)指示。光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時，控制器可以自動監(jiān)測故障類型

61、，指示故障發(fā)生位置。通過指示燈、顯示器等指示光伏系統(tǒng)運行狀態(tài)和故障信息。</p><p>　　光伏系統(tǒng)在控制器的管理下運行?？刂破骺梢圆捎枚喾N技術方式實現(xiàn)控制功能。比較常見的有邏輯控制和計算機控制兩種方式。智能控制器采用計算機控制方式。</p><p>　　圖2-4 一種太陽能控制器</p><p>　　2.1.3 蓄電池組</p><p>

62、　　其作用是儲存太陽能電池板受太陽光照時產(chǎn)生的電能并可以隨時向負載供電。太陽能光伏系統(tǒng)對蓄電池組的基本要求如下。</p><p><b>　　·自放電率低。</b></p><p><b>　　·使用壽命長。</b></p><p><b>　　·深放電能力強。</b>&

63、lt;/p><p><b>　　·充電效率高。</b></p><p><b>　　·少維護或免維護。</b></p><p><b>　　·工作溫度范圍寬。</b></p><p><b>　　·價格低廉。</b>&l

64、t;/p><p>　　目前我國與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池。配有200 Ah以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業(yè)密封免維護鉛酸蓄電池；配套200 Ah以下的鉛酸蓄電池一般選用小型密封免維護鉛酸蓄電池。電動汽車常使用的是免維護鉛酸蓄電池，追求輕便的場合下，例如太陽能飛機上常采用鋰離子電池。</p><p>　　2.1.4電機控制器</p><p>

65、;　　電動車控制器是用來控制電動車電機的啟動、運行、進退、速度、停止以及</p><p>　　電動車的其它電子器件的核心控制器件，是電動車上重要的部件。電動車就目前來看主要包括電動自行車、電動二輪摩托車、電動三輪車、電動三輪摩托車、電動四輪車、電瓶車等，電動車控制器也因為不同的車型而有不同的性能和特點。</p><p><b>　　2.1.5電機</b></p&

66、gt;<p>　　電動車所用直流電機按電機本身類型可分成以下幾類。</p><p>　　普通永磁直流電動機。這類電機即為通常使用的永磁直流電動機。電機定子為鐵氧體或釹鐵硼永磁磁鋼磁極，轉子為普通直流電機轉子，電機轉速2000～4000r/min。這類電機需配備減速齒輪箱后才能用于電動自行車上。</p><p>　　普通無刷直流電機。將有刷直流電機改為無刷直流電機，所不同的是定

67、子為多相散嵌繞組，而轉子為永磁磁極。這類電機轉速設計的較低，一般不需減速機構，電機轉速500～1000r/min。電機裝于自行車的中軸上(習慣稱中置電機)。由于采用無刷電機，因此這類電機通過驅動線路控制很容易實現(xiàn)調速。</p><p>　　印制繞組、線繞盤式直流電機。采用這兩種電機的主要目的是利用這類電機薄餅式結構特點，使電機整體便于在車上合理安放。這類電機轉速較高，3000～4000r/min，電機功率較大。本

68、類電機需要與減速齒輪機構相配才能用于電動自行車上。線繞盤式直流電機由于其繞組參數(shù)便于調整，因此設計上可使電機特性有較大的變化，能適應多種負載特性要求。</p><p>　　外轉子無刷直流電機。這類電機軸向尺寸短，而鐵心外徑較大，因此結構上為扁平式，其電機結構和工作原理與普通無刷電機相類似，但該電機為外轉子(定子磁鋼)式無刷直流電機，電機極數(shù)較多，轉速較低，在200r/min左右，無需減速齒輪，結構簡單，安裝在自行

69、車后輪軸上。</p><p><b>　　2.2 機械系統(tǒng)</b></p><p>　　2.2.1 車架和車殼</p><p>　　車架和車殼統(tǒng)稱太陽能汽車的車身，其主要作用是承載太陽能電池板，保護車內的電子電力系統(tǒng)以及其他控制設備，防塵、防水、擋風，形成良好的流線以減小風阻，另外，車身還應該有足夠的強度來承受車在行駛過程中的震動和碰撞。<

70、;/p><p>　　太陽能車與普通車輛最大的不同之處就在于它的結構相對簡單，功能單一，對于車身和其機械系統(tǒng)的安全性要求較高，但是對于其舒適性要求則相對較低。太陽能汽車的車架形式多為框架式。用鋁合金管件，利用絎架結構構成太陽能電動汽車內部的唯一承載部件，懸掛，轉向，電池，電機等所有的零部件都安裝在該桁架結構上。太陽能電池板貼附在車殼外表面的采光而上，同樣加載于絎架結構上。這種結構的優(yōu)點是：結構簡單，制作加工比較容易，車

71、內零部件的布置比較靈活，可以根據(jù)需要隨時調整，整車重量可以控制在很低的范圍內。</p><p>　　懸架太陽能車的外形在保證其足夠的太陽能電池板分布面積的前提下，最主要考慮的問題就是其空氣動力學問題。外形的設計必須保證最小的空氣阻力和太陽能車在高速行駛時足夠的車輪附著力。外形的光滑和流線型以及比較小的迎風面面積是減小空氣阻力的有效途徑。而保證車體上表面空氣流動速度高于其下表面的空氣流動速度，是車體承受下壓力是保證

72、車輪附著力的關鍵。由于太陽能車結構相對簡單，車體扁平，底盤非常低。故對于其側風影響可以考慮得少一些。</p><p>　　圖2-5 桁架式車架</p><p>　　2.2.2 底盤和懸架</p><p>　　太陽能電動汽車的底盤系統(tǒng)比傳統(tǒng)意義上的車輛要簡單的多，其首要考慮的問題是在確保強度以適應不同的路況的情況下，如何把質量控制在最小范圍內。鋁合金在太陽能電動汽車車

73、體結構中使用得最為廣泛，因為他們能夠達到比較高的強度質量比。通常，太陽能電動汽車底盤的機械系統(tǒng)包括懸掛，制動，轉向，車輪等幾個部分。</p><p>　　通常太陽能電動汽車有三個車輪，為兩個前輪和一個后輪的結構，前輪轉向，后輪驅動。主要為了減少與地面的接觸面積，減少滾動阻力，減少行駛時的能耗；使用雙輪轉向，確保行駛穩(wěn)定性。</p><p>　　太陽能電動汽車采用全獨立懸架，前輪采用不等長雙

74、橫臂，后輪采用單縱臂懸掛設計。主要考慮的問題是減少震動對車體造成的沖擊載荷，使太陽能電動汽車的行駛更順暢。在太陽能電動汽車的行駛過程中，安全應該是優(yōu)先考慮的。故太陽能必須具備有效的制動系統(tǒng)。碟剎因為其具有良好的適應性、穩(wěn)定性和制動系統(tǒng)。碟剎因為其具有良好的適應性、穩(wěn)定性和制動性能，所以在太陽能電動汽車中被采用。</p><p>　　圖2-6 車輪的懸置方式</p><p>　　2.2.3

75、駕駛轉向、剎車制動系統(tǒng)</p><p>　　太陽能車結構簡單，但是對于其轉向系的要求卻比較高，除了滿足以上要求外，太陽能車的轉向系還應嚴格控制質量。由于動力有限，所以太陽能車不可能采用動力轉向，這樣一來，對于太陽能車轉向操縱的輕便要求就更高了。不過，穩(wěn)定和可靠始終還是第一考慮的因素。</p><p>　　汽車的轉向系由轉向器和轉向傳動機構組成。采用動力轉向的汽車，還有動力系統(tǒng)。為了保護駕駛

76、員，許多汽車在轉向系中還裝設了防撞裝置。</p><p>　　圖2-7 常見的轉向機構設計</p><p>　　在整個行駛中太陽能汽車的安全是重中之重，太陽能汽車必須有高效的剎車性能并符合標準，這是每一輛太陽能汽車所必須具備的，一般有兩個獨立的剎車系統(tǒng)。在太陽能汽車中圓盤剎車是普遍采用的一種。因為它們很適合，并有很好的制動力，有些愛好者使用機械型剎車，利用的是水力學的原理。機械剎車比水力性

77、剎車要小而且輕，但是不需提供如此多的剎車阻力而是需要相互協(xié)調。為了達到最好的效果，剎車被設計成通過剎車操作桿自由移動，從而使剎車墊摩擦剎車表面進行剎車。</p><p>　　圖2-8車輪的懸置方式</p><p>　　在太陽能汽車的駕駛系統(tǒng)，像駕駛員制動系統(tǒng)變化是很大的。我們必須制造一個弧型半徑，按要求用特殊方式使用。但是設計必須是很自由活潑的。專業(yè)設計的理念應是保證駕駛的可靠性和安全高效

78、。駕駛系統(tǒng)必須經(jīng)過精確的駕駛測試才能設計。因為任何細微的失誤都可能導致無法估量的后果，進而造成輪胎爆裂。在過去的比賽中，由于自行車車輪和車胎重量輕而且很小的摩擦力，經(jīng)常被使用到太陽能汽車上（滾動摩擦力?。?。當支撐起整個太陽能汽車時這些車輪和車胎就出現(xiàn)超重情況了。從而影響太陽能汽車的駕駛和安全性能。ASC規(guī)則中明確規(guī)定不準出現(xiàn)太陽能汽車車輪和車胎出現(xiàn)超載現(xiàn)象。幸運的是，現(xiàn)在流行的太陽能汽車競賽敦促一些輪胎生產(chǎn)廠家制造符合太陽能汽車的輪胎。

79、我們使用先進的輪胎，重量輕、摩擦力強，從而提高了太陽能汽車的安全和使用效能。</p><p>　　2.3 太陽能汽車的使用說明</p><p>　　2.3.1特征與功能</p><p>　　1.電瓶：6V/4.5AH一個</p><p>　　2.本車配置腳踏啟動和遙控操控兩種功能模式，可前進/后退，左轉/右轉。</p><

80、;p>　?。?）左控桿：向前推，車子提速前進，向后拉，車子倒退行駛。</p><p>　?。?）右控桿：打向左邊，車子左轉，打向右邊，車子右轉。</p><p>　　3.車子前進時車前燈亮。</p><p>　　4.安全帶和安全裝置設計周到，使您用得更安心。</p><p>　　5.方向盤為獨立供電系統(tǒng)，配置發(fā)生器和電源開關，設置多種功

81、能鍵：中英文切換鍵，音樂鍵，喇叭鍵，左轉鍵，右轉鍵。</p><p><b>　　圖2-9 遙控器</b></p><p><b>　　2.3.2注意事項</b></p><p>　　1.本車之適用于平坦地面行駛，請盡量避免于泥沙或凹凸不平之地行駛。</p><p>　　2.本車只能乘坐一人，限載重

82、量32KG，請不要超載。</p><p>　　3.本車行駛時，請勿隨意切換“前進/后退”開關，以免造成齒輪箱損壞，待停車后可切換開關。</p><p>　　第三章 太陽能汽車電源系統(tǒng)設計</p><p><b>　　3.1 設計目標</b></p><p>　　長×寬×高：950 mm×49

83、5mm×465mm</p><p>　　質量：40kg(包括駕駛人員的質量32kg)</p><p>　　迎風面積A：0.23 m2</p><p>　　空氣密度ρ：1.2kg/m3</p><p>　　空氣阻力系數(shù)Cd ：0.3(普通汽車的空氣阻力系數(shù)為0.3~0.5)</p><p>　　設計時速速度v：

84、3 km/h=0.83m/s</p><p>　　滾動阻力系數(shù)f：0.015(一般來把滾動阻力系數(shù)看作與速度無關的系數(shù)，普通汽車與摩托車輪胎的滾動阻力系數(shù)大概是0.01)</p><p>　　圖3-1 太陽能汽車模型</p><p>　　3.2 動力性能分析</p><p>　　3.2.1 汽車的驅動力</p><p>

85、;　　汽車發(fā)動機產(chǎn)生的轉矩，經(jīng)傳動系傳至驅動輪上。此時作用于驅動輪上的轉矩T產(chǎn)生一個對地面的圓周力，地面對驅動輪的反作用力即使驅動汽車的外力。</p><p>　　3.2.2 汽車的行駛阻力</p><p>　　汽車在水平道路上等速行駛時，必須克服來自地面的滾動阻力和來自空氣的空氣阻力。當汽車在坡道上上坡行駛時，還必須克服重力沿坡道的分力，成為坡度阻力。汽車加速時也必須克服加速阻力。因此汽

86、車的總阻力為。</p><p>　　圖3-2 汽車的力分析</p><p><b>　　1.行駛阻力</b></p><p>　　根據(jù)《汽車理論》，汽車在中低速行駛時，汽車的行駛阻力與汽車的重量成正比，即</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式

87、中，f為滾動阻力系數(shù)。</p><p><b>　　2.空氣阻力</b></p><p>　　汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力，成為空氣阻力?？諝庾枇Ψ譃閴毫ψ枇湍Σ磷枇刹糠?。作用在汽車表面上的法向壓力的合力在行駛方向上的分力成為壓力阻力。摩擦阻力是由于空氣的粘性在車身表面產(chǎn)生的切向力的合力在汽車行駛方向上的分力。壓力阻力可以分為四部分：形狀阻力，

88、干擾阻力，內循環(huán)阻力和誘導阻力。</p><p>　　在汽車行駛范圍內，空氣阻力的數(shù)值通?？偨Y成如下的阻力公式。</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中，為空氣阻力系數(shù)；為空氣密度，一般；A為迎風面積，即汽車行駛方向上的投影面積；為空氣和汽車的相對速度。本章只討論無風條件下的汽車運動，即為汽車的行駛速度。<

89、;/p><p><b>　　3.加速阻力</b></p><p>　　汽車加速行駛時，需要克服其加速運動時的慣性力，就是加速阻力。汽車的質量分為平移質量和加速質量兩部分。加速時不僅平移質量產(chǎn)生慣性力，旋轉質量也要產(chǎn)生慣性力。汽車的加速阻力可以表示為</p><p><b>　　(3-3)</b></p><

90、p>　　式中，δ為汽車旋轉質量換算系數(shù)，δ＞1；m為汽車質量(kg)，a為汽車加速度(m/s2)。</p><p>　　3.2.3 動力性能計算</p><p>　　在進行汽車設計時，我們只需考慮汽車在平坦路面上勻速行駛的情況，因此，不用考慮啟動的坡度阻力和加速阻力。</p><p><b>　　1.空氣阻力Fd</b></p>

91、;<p><b>　　根據(jù)阻力公式有</b></p><p>　　Fd=1/2×Cd×A×ρ×v2=1/2×0.3×0.23×1.2×0.83=0.03N</p><p><b>　　2.滾動阻力</b></p><p>　　F

92、r=m×g×f=40×9.8×0.015=5.88N</p><p>　　3.電動機的功率Pe</p><p>　　Pe=（Fd+Fr）×Vmax/ηt=（0.03+5.88）×0.83/0.95=5.4W</p><p>　　其中ηt是傳動系效率，取值0.95。</p><p>　

93、　為了保證太陽充足時，太陽能電池能單獨向電動機供電。我們假定太陽能汽車的能源系統(tǒng)和機械系統(tǒng)分別有80%的效率，那么需要太陽能電池的功率為6.75W以上。</p><p><b>　　3.3 設計校核</b></p><p>　　3.3.1 安全性分析</p><p>　　根據(jù)上面的設計，汽車上坡行駛時與其在平整路面上時相比多了一個坡度阻力。&l

94、t;/p><p>　　根據(jù)根據(jù)我國公路路線設計規(guī)范，高速公路平原微丘區(qū)最大縱坡為3%，山嶺重丘區(qū)為5%；一級汽車專用公路平原微丘區(qū)最大縱坡為4%，山嶺重丘區(qū)為6%；一般四級公路高速公路平原微丘區(qū)最大縱坡為5%，山嶺重丘區(qū)為9%。因此在一級公路上的平原微丘區(qū)縱坡下，汽車受到的坡度阻力為</p><p>　　再加上不超過6N的滾動阻力和空氣阻力，汽車在上坡時的總阻力小于22N。如果考慮到機械系統(tǒng)8

95、0%的效率，因此汽車還能以的速度行駛，即時速0.72km。</p><p>　　正常行駛時，車輪受到的阻力矩為為N·m，約等于電機的額定轉矩。實質上，我們的設計很保守，汽車車輪受到的阻力矩遠小于1.95N·m。</p><p>　　3.3.2 最大速度估算</p><p>　　根據(jù)功率平衡方程我們有，，即是。我們取，ρ=1.2kg/m3，=0.3

96、，f=0.015，η=80%。解這個方程我們得到這個太陽能汽車的最大行駛速度v=0.72m/s=2.6km/h。</p><p>　　第四章 太陽能汽車性能分析</p><p>　　太陽能能汽車的唯一能量來源是太陽能，而太陽能則受天氣條件影響很大，這些因素包括太陽輻射量和溫度等。另外太陽能汽本身的設計也對太陽能汽車的性能有著巨大影響，影響因素包括太陽能汽車的重量，外形設計等。</p&

97、gt;<p>　　4.1 太陽能電池板傳熱模型</p><p>　　太陽能電池板的傳熱模型十分簡單。概括地說，陽光照射到太陽能電池板上，部分(約15%)太陽能被通過光伏效應轉換成電能，供給到蓄電池和負載。另外大部分(約85%)的太陽能被電池板吸收使電池板的溫度升高。與此同時，由于電池板的溫度升高，會向環(huán)境散失熱量。</p><p>　　根據(jù)傳熱學的知識，太陽能電池板和外界的換

98、熱過程有以下幾種，如下圖所示。</p><p>　　圖4-1太陽能電池板傳熱模型</p><p>　　1. 太陽對太陽能電池板的輻射換熱</p><p>　　太陽輻射中有15%被太陽能電池板轉換為電能，因此太陽對水平地面的輻射傳熱量：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>

99、;　　式中，太陽輻照度q我們可以通過理論計算和天文氣象資料查詢得到。</p><p>　　2. 風與太陽能電池板的對流換熱</p><p>　　根據(jù)牛頓冷卻公式，氣流與太陽能電池板之間的對流換熱量是：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　式中，h為對流換熱系數(shù)；A為太陽能電池板面積;為空氣

100、溫度。</p><p>　　Macdams(1954年)在報告中給出了計算傳熱系數(shù)的經(jīng)驗公式，</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　式中，h是對流換熱系數(shù)(W/(m2·℃))，v是風速(m/s)。</p><p>　　3. 太陽能電池板對天空的輻射換熱量</p>&

101、lt;p>　　在離地的某個高度，某個天空溫度下，可以把天空看成黑體，因此面朝天空的太陽能電池板與天空間的輻射換熱量可以按下式計算：</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　式中，A為太陽能電池板面積；ε為發(fā)射率；為天空溫度；為電池板表面溫度。</p><p>　　Swinbank(1963)給出了當?shù)靥炜諟囟群?/p>

102、空氣溫度的關系為</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p>　　式中，為當?shù)氐目諝鉁囟?；為天空溫度?lt;/p><p><b>　　4. 底部熱損失</b></p><p>　　底部及邊框的熱損失是通過隔熱層和殼體，以熱傳導的方式向環(huán)境散熱。根據(jù)平板導熱的基本公式，有</p

103、><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　式中，為隔熱層和殼體的厚度；為隔熱層和殼體材料的導熱系數(shù)。</p><p>　　平板型電池板的底部損失遠比面部損失小，只有頂部熱損失的10%以下，換熱數(shù)值在2W/(m2·K)以下。</p><p>　　5. 側面邊框熱損失</p><

104、p>　　同理，側面邊框換熱損失也可以用上式進行計算。一般側邊框的換熱損失只占底部和頂部熱損失的1%，因此在計算時可以忽略不計。</p><p>　　6. 太陽能電池的能量平衡方程</p><p>　　太陽能電池板上的能量來自于太陽的輻射，熱損失是由頂部熱損失(輻射換熱和對流換熱)，底部熱損失和側面熱損失三部分組成。由于底部和側面熱損失極小，在這里我們可以忽略。因此，根據(jù)能量守恒定律，

105、太陽能電池板的能量平衡方程為：</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p><b>　　即，</b></p><p><b>　　(4-8)</b></p><p>　　我們可以得到如下的一個四次方程，</p><p><b&g

106、t;　　(4-9)</b></p><p>　　解這個方程，我們就可以得到電池板的溫度。這個方程是個四次方程，我們可以通過牛頓迭代法來求出它的根。求根C語言源程序見附錄。</p><p>　　4.2 太陽輻射的逐時計算</p><p>　　4.2.1 太陽輻射計算基礎</p><p>　　電池板上的太陽輻射量受到許多因素的影響，太

107、陽輻射量的大小與太陽輻射的性質和大氣氣候條件緊密相關。太陽輻射的性質取決于太陽的結構和特性，氣候條件則由地球與太陽之間的時間、空間關系所決定，歸納起來有以下幾個方面：</p><p>　　天文地理因素：日地距離的變化，太陽赤緯角，太陽時角，地理經(jīng)緯度，海拔高度和氣候等；</p><p>　　大氣狀況：云量，大氣透明度，大氣組成及污染程度(灰塵離子密度，二氧化碳和氟氯烴等的含量)；</

108、p><p>　　電池板的設計考慮：電池板的傾斜角和方位角，是否采用和采用什么涂層，安裝場地是否受到建筑和樹木的阻擋等。</p><p>　　由于因素很多，隨機性很強，要完全依靠理論計算還難以取得精確結果。目前采用如下方法：用輻射儀實測水平面上的輻射數(shù)據(jù)，常用的有月平均日總量和小時總量兩種；在大量試驗統(tǒng)計的基礎上，用相關的氣候參數(shù)整理出一些相關的關系式，借助它們將水平面上的實測總量分解成為直射和

109、散射兩部分；最后用公式計算電池板在任意方位上接受太陽能輻射量。</p><p>　　太陽輻射是太陽能系統(tǒng)設計中最重要的數(shù)據(jù)。對于沒有實測輻射數(shù)據(jù)的地方，一是根據(jù)鄰近地區(qū)的實測值進行差值計算；二是用相對容易測量的太陽持續(xù)時間(日照百分率)或云量等數(shù)據(jù)推算。</p><p><b>　　1.太陽</b></p><p>　　太陽內部通過核聚變把氫轉

110、變?yōu)楹ぃa(chǎn)生巨大的能量。反應過程中，太陽每秒鐘要虧損400萬噸質量，根據(jù)只能互換定律可產(chǎn)生360×1036kW功率。這股能量以電磁波的形式向太陽四周的空間傳播，到達地球大氣層上界的功率只占上述總功率的20億分之一，即180×1012kW，考慮到穿越大氣層的衰減，實際最后導到地球表面的功率為85×1012kW。它相當于全世界發(fā)電量的幾十萬倍，從這個意義上來說太陽提供的能量是無窮無盡的。</p>

111、<p>　　太陽并不是某一固定溫度的黑體輻射體，而是各層發(fā)射和吸收各種波長的綜合輻射的結果。不過在太陽能熱利用中，可將太陽看成溫度為6000K，波長為0.3－3μm的黑體輻射。</p><p>　　2.氣球的公轉和赤緯角</p><p>　　地球在一個橢圓形的軌道上圍繞太陽公轉，運行的周期是一年，橢圓軌道所在的平面成為黃道平面。地球自轉軸與黃道平面的夾角是66°33′

112、，該軸在空間的方向始終不變，因而地球赤道平面與黃道平面的夾角為23°27′。但是，地心與太陽中心的連線(即午時太陽光線)與地球赤道平面的夾角是一個以一年為周期變化的量，它的變化范圍是±23°27′，這個角就是太陽赤緯角。</p><p>　　每天的赤緯角可由下式計算：</p><p><b>　　(4-10)</b></p>

113、<p>　　式中，n是所求日期在一年中的日子數(shù)。</p><p>　　表4-1 推薦的每月的平均日及相應的日子數(shù)</p><p>　　3.地球的自轉與太陽時</p><p>　　地球式中繞著地軸由向東自轉，每轉一周(360°)為一晝夜(24小時)。顯而易見：對于地球上的觀察者來說，太陽每天清晨從東方升起，傍晚在西方落下；用角度表示的話，每小時相

114、當于地球自轉15°。</p><p>　　在以后導出的太陽角度公式中，涉及的時間都是當?shù)靥枙rTs，它的特點是午時(中午12點)陽光正好通過當?shù)刈游缇€，即在空中的最高處，它與日常使用的標準時間T并不一致。轉換公式是</p><p><b>　　(4-11)</b></p><p>　　式中，——準時間采用的標準經(jīng)度</p>