1. What is a “solar car”? - Что такое «солнечный автомобиль»?
2. What is the energy source used in solar cars? –Какой источник энергии используется в солнечных автомобилях?
3. Are solar cars a common means of transport? Who drives them, and when? – Солнечные автомобили являются обычным средством передвижения? Кто водит их и когда?
4. What is a concept model? – Что такое концепт модель?
5. What was the purpose of developing solar cars? - Какова была цель разработки солнечных автомобилей?
6. How different is a new concept model developed by Ford? - Чем отличается новая концепт модель, разработанная Ford?
7. What is the advantage and disadvantage of solar cars? - В чем преимущество и недостаток солнечных автомобилей?
Solar cars
Did you know that there are cars which do not need “traditional” energy sources like petrol or diesel? They are solar powered cars, using the energy of the Sun. They are ecologically friendly as they are free of exhaust fumes, but their speed is not as high as that of conventional petrol and diesel fuel cars.
Solar powered cars have been developed and driven around the world for years, but almost exclusively in contests or research programmes - just to show that cars could travel without petrol. In most cases, the cars have been small capsules designed to hold only the driver.
Today Ford has developed a concept model solar car for everyday use.
(отрывок из текста)
Солнечные автомобили (автомобили на солнечных батареях)
Знаете ли вы, что есть автомобили, которые не нуждаются в «традиционных» источниках энергии, таких как бензин или дизельное топливо? Это автомобили на солнечных батареях, использующие энергию Солнца. Они экологически безопасны, поскольку они не производят выхлопных газов, но их скорость не так высока, как у обычных бензиновых и дизельных автомобилей.
Автомобили на солнечных батареях были разработаны и их водят во всем мире в течение многих лет, но почти исключительно в конкурсах или научно-исследовательских программах - просто чтобы показать, что автомобили могут ездить без бензина. В большинстве случаев автомобили были маленькими капсулами, предназначенными только для водителя.
Сегодня Форд разработал концепт модель солнечного автомобиля для повседневного использования. Концепт транспортное средство или показательный автомобиль – это автомобиль, сделанный чтобы продемонстрировать новый стиль и новые технологии.
Их часто показывают на авто-шоу, чтобы увидеть, как клиенты реагируют на новые и радикальные проекты, которые могут или не могут быть массового производства. Концепт-кары часто радикальны в двигателе или дизайне. Некоторые из них используют нетрадиционные, экзотические или дорогие материалы. Другие имеют уникальный внешний вид, 3 или 5 (или более) колес, или особые способности, как правило, не свойственны автомобилям. Многие концепт-кары никогда не имели прошлых небольших моделей, или даже рисунков в компьютерном дизайне. Концепт-кары никогда не идут в производство напрямую. Тем не менее, многие из функций и технологий, которые мы видим в современных автомобилях, были когда-то впервые показаны в концепт моделях годы назад.
Бушующий в мире энергетический кризис вдвойне неприятен автомобилистам: кроме резкого повышения цен на услуги автосервиса, ещё возрастают и затраты на горючее. Естественно, что в этом случае есть смысл изучить возможность приобретения/переделки автомобиля, который бы двигался при помощи возобновляемых (альтернативных) источников энергии, в том числе – и энергии Солнца.
История и прогресс в развитии «солнцемобилей»
Первый , который преодолел более-менее значительное расстояние - это машина датчанина Х. Толструпа, с помощью которой изобретателю в 1982 году удалось пересечь Австралию. Правда, сейчас достигнутая им скорость передвижения в 20 км/ч кажется смешной. Поэтому представленный в начале ХХI века автомобиль «Dream» уже развивал скорость в 135 км/ч. Вроде бы, прогресс есть, да ещё какой. Но…
Движется автомобиль на солнечных батареях благодаря наличию фотопреобразователей. Они отвечают за процесс накопления солнечной энергии, которая затем приводит в движение двигатель. И вот тут-то возникают проблемы:
- коэффициент полезного действия фотоэлементов не превышает 12%;
- лёгкие бесколлекторные или низкооборотистые двигатели (встраиваемые прямо в ведущие колёса) наличествуют только в опытных образцах, и их производство не поставлено на поток. Что и понятно, учитывая небольшой спрос на такие двигатели;
- вес автомобиля, от которого будет зависеть его энергоэффективность, невозможно постоянно снижать, поскольку рано или поздно это неблагоприятно скажется на прочности и безопасности машины. Карбоновые же кузова очень дороги;
- шины «солнцемобиля» должны иметь минимальное значение коэффициента трения качения, и при этом обладать достаточным сцеплением с дорожным покрытием. Фирмой Michelin уже освоен выпуск таких шин (модель Radial X), но о массовом их производстве речь тоже пока не идёт.
Единственное, в чём преуспели энтузиасты строительства автомобилей на солнечных батареях – так это в дизайне кузова. С помощью 3D-моделирования и последующей продувке готового образца в аэродинамической трубе обтекаемость машины практически достигает максимума нынешних технических возможностей. Возможно, поэтому лучшие образцы «солнцемобилей» имеют весьма необычные формы и очертания (см. рис.1).
Существующие конструкции автомобилей на солнечных батареях
Производством опытных экземпляров подобных машин занимаются такие гиганты автомобилестроения, как BMW , Toyota , Mercedes , а также французская фирма Venturi , швейцарская компания Green GT и др.
Разработки идут по двум направлениям:
- создание смешанной конструкции автомобиля на солнечных батареях, который в пасмурную погоду мог бы подзаряжаться от электросети, и работать как простой электромобиль;
- создание транспортного средства, в котором бы энергия Солнца использовалась для некоторых вспомогательных потребностей: например, для функционирования навигационной системы, либо кондиционера машины.
Как видим, вопрос о создании «чистого» автомобиля, работающего исключительно на солнечной энергии, пока на повестке дня не стоит. Между тем, экспериментальные конструкции таких машин уже испытаны и предлагаются для продажи весьма состоятельным автолюбителям, которым уже поднадоели традиционные конструкции.
Наиболее удачными технологическими решениями автомобиля на солнечных батареях считаются:
- «Astrolab » (см. рис.2) от фирмы Venturi – максимальная скорость 120 км/ч, запас хода по шоссе 110 км, площадь панели с фотопреобразователями 3,6 м 2 , цена – 92000 евро;
- «Sunswift eVe » (см. рис.3) – совместное детище австралийских компаний Bilstein и Ohlins. Машина разгоняется до скорости 75 км/ч, при запасе хода в 300 км. О цене не сообщается.
Можно ли переделать имеющийся автомобиль в «солнцемобиль»?
Китайский студент Zhu Zhen Lin, студент West Virginia University (США) сумел переделать в автомобиль на солнечных батареях обычную серийную автомашину (см. рис.4). Автомобиль имеет запас хода до 70 км, при максимальной скорости около 40 км/ч.
Солнечные батареи автомобиля состоят из 22 фотоэлектрических преобразователей, установленных на крыше, по бокам и на капоте машины. Особо эстетичной данную конструкцию назвать, конечно, нельзя, но необходимая функциональность в условиях передвижения по городским улицам у такого автомобиля есть. И главное – на всё переоборудование китайский студент затратил всего $ 2400.
Таким образом, перспективы у автомобилей, использующих солнечную энергию, имеются. Наилучшим способом они смогут быть реализованы в качестве комбинированного движителя, который не будет зависеть от погоды и атмосферных условий.
В стремлении сделать транспортные средства независимыми от бензоколонки и розетки, на фоне борьбы за экологию, родилась идея создания автомобиля, работающего только за счет полученной солнечной энергии. Хотя, учитывая удар по той же экологии, наносимый при изготовлении кремниевых солнечных элементов (90% панелей сделаны на основе кремния), аргумент в пользу природы вызывает сомнения. Независимость и бесплатное «топливо», на котором работает солнцемобиль, – более понятная мотивация.
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.
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.
Яркие представители семейства солнцемобилей
По вместимости лидирует группа Solar Team из 22 студентов голландского Эйндховенского технологического университета, которая создала гелиомобиль Stella весом в 380 кг. Правда, эта разработка не полностью обеспечивается солнечной энергией. Половина заряда она получает от бытовой или высоковольтной электросети. Также Stella может «отдавать» полученную энергию из своих аккумуляторов обратно в коммунальную сеть, или запитывать бытовые приборы. Интересным моментом в нидерландской разработке является руль, размер которого способен интуитивно меняться в зависимости от скорости.
Возможности аккумуляторов обеспечивают Stella запас хода до 600 км, максимальная скорость составляет 110 км/ч. Изобретение студентов пока только концепт, до потокового производства этого солнцемобиля требуется еще работать и работать.
Astrolab – первый серийный солнцемобиль французской компании Venturi. Его стоимость впечатляет – € 90,000. В движение его приводит асинхронный мотор с воздушным охлаждением. Мощность 16 кВт, крутящий момент 50 Нм. Питание двигатель берет от никель-металлогидридных аккумуляторов весом 110 кг. Astrolab собран в основном из композитных материалов, шасси из углеволокна усилено алюминиевыми вставками. Вес всего авто 300 кг.
Площадь солнечных элементов невелика – 3,6 кв. м., их суммарная мощность – 600 Вт. Они полностью могут обеспечивать электромобиль «топливом», но при недостатке запаса энергии можно подзарядиться от обычной розетки. Максимальная скорость – 120 км/ч, запас хода в автономном режиме — 110 км.
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…
Автомобили, работающие на солнечной энергии, все еще находятся в стадии разработки, поэтому сильно отличаются друг от друга по внешнему виду, конструкции и основным параметрам. Но все эти автомобили, как и те, что показаны в этой статье имеют основные общие закономерности. Главная - это наличие солнечных собирающих панелей, которые поглощают солнечный свет и преобразуют его в электричество. В большинстве моделей это электричество накапливается в аккумуляторах, откуда оно поступает в электродвигатель, а тот вращает колеса.
Конструкторы стремятся сделать солнечные автомобили такими, чтобы они могли с большей эффективностью использовать свои запасы энергии. Поэтому большинство подобных автомобилей изготовлено из легких материалов и имеют обтекаемую форму, чтоб уменьшить сопротивление ветра. Теоретически солнечный автомобиль способен работать бесконечно долго, ведь ему не требуется иного топлива, кроме солнечного света. К тому же он не производит никаких выбросов, то есть не портит природу. Однако у него есть большой недостаток: такой автомобиль не может двигаться ночью и при сплошной облачности. Сейчас специалисты работают над тем, чтобы преодолеть подобные ограничения.
Схема устройства автомобиля на солнечных батареях
Электричество, получаемое в панелях солнечных коллекторов, передается по проводам в накопительную батарею, то есть в аккумулятор. Аккумулятор питает электродвигатель, который вращает колесный вал и колеса. Специальная система механической передачи, имеющая 12 скоростей, позволяет эффективно использовать энергию в разных дорожных условиях.
Солнечная батарея
Каждый солнечный элемент состоит из двух слоев кремния: Р-типа, то есть позитивный или положительный, и N-типа, то есть негативный или отрицательный. Когда свет попадает на такой элемент, он освобождает электроны в слое Р-типа, которые сами переходят в слой N-типа. Двигатель солнечного автомобиля пользуется запасами этого тока.
Автомобиль "Southern Cross"
Автомобиль "Southern Cross" имеет наклоняемую солнечную панель
Японский "Саузен кросс" имеет длину около 20 футов, весит 620 фунтов и двигается по ровной поверхности со скоростью до 25 миль в час. А так же он оснащен подвижной солнечной панелью.
Подвижная солнечная панель
Чтобы солнечные коллекторы поглощали наибольшее количество света, панель может наклоняться (справа) по направлению к солнцу - даже во время движения автомобиля.
Коллекторная солнечная панель обтекаемой формы
Автомобиль "Солар флер"(Solar flare), построенный в Калифорнийском университете, участвовал в автомобильной гонке "World Solar" - "Мир солнца" 1990 года. Тогда он прошел по необжитым районам Австралийского материка 1800 миль и занял в гонке 11-е место. Автомобиль имеет в длину двадцать футов и 9200 солнечных элементов толщиной меньше визитной карточки. Корпус автомобиля сделан из эпоксидной смолы, армированной углеродом. На борту находится серебряно-цинковая аккумуляторная батарея. Одного ее заряда - без дополнительной солнечной подпитки - хватает на 125 миль пути.
Гонка по Австралии не обошлась без трудностей. Часто ломалась цепная передача, которая использовалась для привода заднего колеса, - как в мотоцикле. И часто прокалывались колеса. Непредвиденные остановки снижали среднюю скорость. Во время той гонки она оказалась равной 27 милям в час вместо предполагавшихся 42 миль в час. После технической доработки "Solar flare " принял участие в двух автогонках по Соединенным Штатам в 1991 году и победил в них.
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.
На центральной панели расположен необычный салонный фильтр на основе… мха. Как заявляют разработчики, мох фильтрует до 20% мелких частиц пыли и заодно поддерживает необходимый уровень влажности в салоне. А ещё есть 10-дюймовый сенсорный экран. Sion будет продаваться в Европе с 2019 года по цене всего 16 тысяч евро, но в стоимость не включена батарея: за неё нужно доплатить ещё 4000, либо оформить аренду.
