Применение солнечных панелей в автомобилестроении

Еще 31 августа 1955 года в Чикаго состоялась презентация экспериментальной модели автомобиля на солнечных батареях, сконструированная Уильямом Коббом. Модель была оснащена селеновыми фотоэлементами и двигалась за счет работы одного электромотора. Появление солнцемобиля вызвало настоящий фурор среди поклонников «зеленых» технологий и, казалось бы, в недалеком будущем недорогие и экологически чистые электромобили будут колесить по дорогам солнечной Калифорнии, как гордо заявлял создатель солнцемобиля. Однако, ни его грандиозным планам, ни чаяниям многочисленных приверженцев экологичности, сбыться в ближайшие годы так и не удалось.

Несмотря на совершенствование технологий солнечных батарей, неуклонное возрастание их КПД, более эффективные модели на углеводородном топливе от компаний Ford и Hummer заставили свернуть исследования и на время забыть о солнцемобилях. Тогда, в середине 20 века ни парниковый эффект, ни связанное с ним глобальное потепление, ни истощение запасов углеводородного топлива не являлись столь актуальной, животрепещущей темой, как в наши дни.

Однако, огромное количество автомобилей, ежедневно извергающих тонны токсичных веществ и углекислого газа в окружающую атмосферу, стремительно ухудшающаяся экология, заставили ведущие автомобильные компании пересмотреть свои взгляды и обратить внимание на альтернативные источники топлива. Автомобили с бензиновым двигателем вполне справедливо называют чумой 20 века, поскольку именно они являются главным источником шума и загрязнения воздуха. Назревшая необходимость в создании экологически чистого транспорта привела к тому, что один за другим снова стали появляться проекты автомобилей на солнечных батареях. К этому времени уже было достаточно развито производство кремниевых фотоэлементов и их КПД достиг невиданного на тот момент уровня 15 %, что давало возможность солнцемобилям на их основе развивать вполне приемлемую скорость. Начался настоящий бум строительства солнцемобилей: их создавали независимо друг от друга и энтузиасты, и крупные исследовательские центры для отработки различных технологий, например электродвигателей или аккумуляторов, а также крупные автомобильные компании и университеты. Каждая из вновь созданных экспериментальных моделей была в своем роде уникальным экземпляром, совершенно не похожим на своих собратьев. Лишь с течением времени конструкторы пришли к некой унифицированной «тараканьей» форме корпуса: солнцемобили стали широкими и длинными трехколесными конструкциями.

"Санрейсер" компании "Дженерал моторс" выпуска 1987г. работает на солнечных батареях.

Электромобили давно уже не редкость на улицах современных городов. Однако солнцемобили, полностью работающие от фотоэлектрических преобразователей, все еще встречаются нечасто. Это пока еще дорогой, не доступный широкому потребителю вид транспорта. Высокая стоимость обуславливается как оригинальными техническими решениями, так и новейшими материалами, используемыми при их создании. Так, двухместный солнцемобиль «Мечта» производства японской компании «Хонда» обошелся ей в 2 миллиона долларов.

Как оказалось, деньги не были выброшены на ветер. На состоявшемся в 1996 году трансавстралийском ралли, трассу в 3000 км он прошел со средней скоростью 90 км/ч, а на прямом участке достиг рекордной для солнцемобилей скорости 135 км/ч.

Конструирование солнцемобилей и испытания их в гонках привели к созданию нового технического вида спорта — «брейнспорта», который по сути представлял скорее всего соревнования интеллектов создателей. Ведь для того, чтобы солнцемобили, обладающие всего 1,5-2 кВт максимальной мощности солнечных батарей и электромотора, могли на равных состязаться с традиционными гоночными автомашинами, требовалось использование самых последних достижений аэродинамики, электро- и гелиотехники, электроники и др. наук, применения наиболее легких и надежных конструкционных материалов, высокоэффективных систем электропривода, специально разработанных для солнцемобилей протекторов для покрышек, обладающих минимальным сопротивлением качению и т. д.

Результатом многолетней конкурентной борьбы создателей гоночных солнцемобилей стал минимальный для наземного транспорта коэффициент аэродинамического сопротивления — 0,1, легкие бесколлекторные двигатели постоянного тока с магнитами из редкоземельных металлов, КПД которых достиг 98%, а также эффективные микропроцессорные системы управления. Новаторская идея, так называемого, мотор-колеса, при котором низкооборотные двигатели встраиваются непосредственно в ступицы колес, позволила в конструкциях солнцемобилей обойтись без трансмиссии, что подняло КПД привода до рекордных 96-97 %. Подобная конструкция была использована еще в 1993 году на трех автомобилях — лидерах трансавстралийских гонок. В 1996 году уже 12 таких солнцемобилей приняли участие в австралийской супергонке.

По расчетам специалистов конкурентоспособность солнечного транспорта станет реальностью по достижении КПД серийно выпускаемых фотоэлементов 40-50 %. Пока что реальная эффективность фотоэлектрических преобразователей находится в диапазоне 10-12%.

Рекордной средней скорости 102,75 км/час удалось добиться команде голландских гонщиков в 2005 году, затративших на автопробег в 3 тысячи километров всего 29 часов 11 минут. Теоретически же их солнцемобиль Nuna 3, изготовленный с использованием новейших космических технологий и весом всего около300 кг, способен разогнаться до 170 км/час, используя лишь солнечную энергию. Приходится признать, что массовое появление столь эффективных конструкций солнцемобилей в ближайшем будущем не предвидится, хотя отдельные элементы уже внедряются в производство. Зависимость фотопреобразования от погоды, также является фактором, сдерживающим широкое распространение солнцемобилей. Более перспективными вариантами транспорта на альтернативных источниках энергии являются гибридные модели, работающие на двух (и более) энергоносителях: фотоэлектрических батареях и водородных топливных ячейках.

Солнечные батареи на обычных автомобилях используются для кондиционирования воздуха в салонах, подзарядки пусковых аккумуляторов на парковках, питания теле- и радиоаппаратуры.

Автомобиль, воплотивший мечту человека о свободе передвижения, должен быть экологически чистым. Во многих передовых странах мира уже приняты государственные программы по экологичному и экономичному транспорту. Только в США по программе PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles — сотрудничество в создании нового поколения транспортных средств) в 1999-2004 гг был выделен 161 млн долларов на разработку образца экологически чистого автомобиля с расходом топлива не более 3 л на 100 км пробега. Пока что самым перспективным из предполагаемых транспортных средств на ближайшие десятилетия является электромобиль, источниками энергии в котором являются аккумуляторные батареи. Конечно, пока они не сопоставимы с традиционными автомобилями по своим техническим параметрам и могут иметь лишь ограниченное применение. Относительно «чистое» и, в то же время, конкурентоспособное транспортное средство при нынешнем уровне развития техники возможно создать лишь при наличии в гибридном автомобиле комбинированной энергетической установки, состоящей из двигателя внутреннего сгорания, электродвигателя и буферного накопителя энергии. Большая экологичность такого автомобиля обусловлена меньшим расходом углеводородного топлива и работой двигателя внутреннего сгорания в оптимальном режиме. Поскольку аккумуляторы классического электромобиля заряжаются энергией от тепловых электростанций, работающих на нефти, угле и газе, то полной экологической чистоты в таких транспортных средствах добиться не удастся.

Солнцемобиль Venturi Astrolab можно назвать первым серийным солнцемобилем, предназначенным для широкого потребителя, способного выложить за него 90 тысяч евро, и обладающим всеми необходимыми для повседневной езды характеристиками. Мощность асинхронного двигателя с воздушным охлаждением составляет всего 16 кВт, крутящий момент 50 Нм. Вес солнцемобиля — 300 кг, причем 110 кг из них составляет вес металлогидридных аккумуляторных батарей. Подобный показатель стал возможен благодаря использованию в конструкции легких композитных материалов. Шасси солнцемобиля Venturi Astrolab состоят из углеволокна и снабжены алюминиевыми усилителями спереди и сзади. В настоящее время углеволоконные шасси являются обязательным атрибутом гоночных автомобилей и, естественно, суперкаров. При полном заряде солнечной батареи общей площадью 3,6 кв. метра и мощностью 600 Вт автономный ход Venturi Astrolab составляет 110 километров, а максимальный разгон, учитывая ультралегкое углеволоконное шасси и правильную аэродинамику, может достигнуть 120 км/час. В ясную погоду постоянное питание даже при движении солнцемобиля, обеспечивается солнечными батареями, а, в случае необходимости, недостаток энергии можно возместить из обычной электророзетки.

Средний электромобиль может без подзарядки проезжать около 80 км, что, в общем то, вполне достаточно для рядового потребителя. Если же Вам необходима большая дальность, то неплохим выбором будет модель S электромобиля Tesla, проезжающая почти 500 км на одной зарядке. Подзарядку аккумулятора электромобиля можно производить дома по вечерам либо иметь сменные аккумуляторы, предназначенные для экстренных поездок. Рост доли электромобилей на мировом транспортном рынке вызвал необходимость развития и соответствующей инфраструктуры. Солнечная энергетика становится постепенно частью нашей жизни. Солнечные батареи могут применяться как в самом электромобиле для снижения нагрузки на аккумуляторы, так и, на специально созданных для электромобилей, станциях зарядки. Такие заправочные станции могут быть как в мобильном исполнении, так и полноценными электрозаправочными станциями, зачастую объединенными с парковкой.

Geotecturas Green Gasoline Station. Оригинальный дизайн этой электрозаправочной станции, разработанный компанией Geotectura, может служить примером эффективного использования пространства. Ветрогенераторы, размещенные неподалеку, предназначены для выработки электричества при недостатке солнечной энергии (в пасмурные, ненастные дни либо в часы пикового электропотребления).

Evergreen Solar Fuel Station. Электрозаправочная станция во Франкфурте, позволяющая не только зарядить электромобиль, но и заменить разрядившиеся аккумуляторные батареи.

Согласно прогнозам министерства энергетики США количество гибридных и электромобилей в США к 2015 году достигнет 1,2 миллиона, причем 550 тысяч из них будет приходиться на гибридный автомобиль Chevrolet Volt, по праву признанный самым экологичным автомобилем 2011 года. 300 тысяч экземпляров предположительно достигнут продажи Nissan Leaf. Далее в порядке убывания популярности следуют Fisker Karma, Ford Focus EV, Think City и Tesla Model S.

Think City, Chevrolet Volt, Nissan Leaf

Fisker Karma, Ford Focus EV, Tesla Model S

В России, появление электромобилей серийного производства в ближайшем будущем не предвидится.

В марте 2011 года Еврокомиссией была утверждена программа «Единая транспортная зона ЕС», основной целью которой было постепенное снижение зависимости транспорта в Евросоюзе от ископаемого топлива, что позволило бы снизить токсичные выбросы в окружающую среду. Реально воплотить в жизнь этот план возможно, по мнению еврокомиссара Калласса, полностью запретив использование бензиновых и дизельных автомобилей к 2050 году. План рассчитан на поэтапную его реализацию: сначала будут приняты законы о взимании платы за въезд в центры крупных городов автомобилей на углеводородном топливе, к 2030 году количество традиционных автомобилей, которым будет позволено въезжать в крупные населенные пункты будет лимитировано 50 процентами, а к 2050 году предполагается полный запрет. Таким образом, создание «единой транспортной зоны» послужит мощным толчком к появлению массовых электромобилей.