Основные типы солнцемобилей

В 1975 г. англичанином Аланом Фридманом сконструирован и опробован первый СМ. Эволюция СМ шла так стремительно, что в настоящее время уже начато их производство.

Существующие СМ по принципу эксплуатации можно систематизировать в следующие группы: индивидуальные, специальные для экологически чистых зон, городские и спортивные (рис. 3.17).

Систематизация текущих СМ

Рис. 3.17. Систематизация текущих СМ

К индивидуальным СМ относятся велосипеды, скутеры, одноместные веломобили с СБ. Новая техника и технология позволяют превратить «классический» велосипед в транспортное средство с комбинированным приводом: педальным, электрическим, а затем и «солнечным». При этом сохраняются все преимущества двухколесного транспорта: возможность развивать мышечную активность, небольшая масса (25—35 кг), маневренность, невысокая стоимость, бесшумность, экологичность. Оборудованные ТАБ (емкостью 100—400 Вт), СБ (мощностью 50—80 Вт) и тяговым электродвигателем (мощностью 300—400 Вт), солнечные велосипеды приобретают новые потребительские свойства: более высокую скорость (30—40 км/ч), способность преодолевать большие расстояния (40—60 км в день без подзарядки ТАБ) и крутые подъемы (15—17 %) с меньшими затратами физических усилий. Прототипы электро- и «солнечных» велосипедов появились во многих странах. Скутеры массой 30—40 кг с более энергоемкой ТАБ (500—600 Вт ч) имеют пробег в день 60—80 км. В последнее время стал популярным новый вид велотранспорта — веломобиль, сочетающий простоту, экономичность и экологичность велосипеда с комфортом автомобиля. Веломобили могут быть одно-, двух- и многоместными. Их грузоподъемность превышает 100 кг. Считают, что благодаря устойчивости и удобствам веломобиль заменит велосипед людям среднего и старшего возраста и найдет разнообразное применение для повседневных поездок в городе и сельской местности, активного отдыха, в том числе семейного спорта и туризма, получит распространение как вспомогательный транспорт на производстве и в сфере обслуживания. Трех- и четырехколесные веломобили имеют гораздо больше возможностей для оборудования электроприводом и СБ, чем двухколесные велосипеды. Эти СМ с полной массой 350—400 кг, СБ мощностью 200—500 Вт, ТАБ энергоемкостью 3—4 кВт ч, ТЭД мощностью 4—5 кВт, могут преодолевать расстояния 200—250 км в день, развивая скорость до 70—85 км/ч.

В группу специальных СМ входят СМ для гольфа, парковые, прогулочные и рикши. Чтобы увеличить ресурс небольшой ТАБ, их оборудуют дополнительной панелью СБ. Такие машины предназначены для поездок со скоростью, ограниченной 10—15 км/ч.

В настоящее время разработаны опытные образны городских СМ — легковые двухместные, четырехместные, развозные пикапы, микроэлектробусы. В этих СМ основным источником энергии является ТАБ электрохимической системы. Трехколесный двухместный немецкий СМ полной массой 1050 кг, с никель-кадмиевой ТАБ энергоемкостью 10,8 кВт ч, ТЭД постоянного тока мощностью 11 кВт имеет запас хода 75—80 км в день. Небольшая СБ (мощностью 200— 300 Вт) дополняет энергией ТАБ при движении СМ и заряжает ее при стоянке. Легковой СМ японского университета Tokyo Denki University с СБ мощностью 270 Вт преодолевает в день расстояние 250 км со свинцово-кислотной и около 500 км с никель-металлогидридной ТАБ, развивая скорость до 120 км/ч. СБ этого СМ обеспечивает в день

6—7 % общей энергии, требуемой для преодоления выше отмеченных расстояний (см. рис. 3.17).

Спортивные СМ, как правило, предназначены для многодневных гонок на тысячи километров. Здесь источник энергии обладает существенной емкостью за счет большой площади (8—9 м2) СБ и продолжительности заряда от солнечной радиации. Традиционные тонки СМ являются Tour de Sol в Швейцарии, Sunrayce в Америке (протяженность 2500 км), World Solar Challenge в Австралии (протяженность 3000 км), World Solar-Car Rally в Японии и т. д. В табл. 3.5 приведены технические характеристики победителей всемирных гонок СМ World Solar Challenge.

Таблица 3.5. Технические характеристики солнцемобилей, победителей World Solar Challenge

Параметры

Годы

1987

1990

1996

Название солнцемобиля,

изготовитель

Sunraycer 87 фирма GMC, США

Spirit of Biels 11, Швейцария

Honda Dream, Япония

Масса снаряженная/полная масса, кг

163,3/248

175/255

170/330

Габариты (длина х ширина х высота), м

6x2x1

5,6x2x1

5,98x2x1

Число колес

4

3

4

Шасси/кузов

Алюминий/

композит

Алюминий/

композит

Угольное

волокно

Коэффициент аэродинамического сопротивления

0,125

0,13

0,1

Лобовая площадь, м

1,08

1,1

1,14

Коэффициент сопротивления качению

0,0066

0,006

0,004

Стоимость разработки, тыс. долл.

2000

976

2000

Привод

Левое заднее ведущее, редуктор 4:1, КПД 99 %

Мотор-колесо левое заднее

ведущее

Мотор-колесо левое заднее

ведущее

Фирмы

Mitsubishi (Япония), AS НС, Spectrolab СП

Tdcfunkcn

Systemtechnik,

Германия

Unisearch, США

1-й тип

  • 80 % GaAs,
  • 20 % c-Si

c-Si

c-Si

Площадь, м2

9

7,67

8

КПД, %

19

17,5

23

Номинальное напряжение, В

150

100

Максимальная мощность, Вт

1550

1585

1900

Окончание табл. 3.5

Параметры

Годы

1987

1990

1996

Аккумуляторная батарея (AgZn)

Фирмы

Hughes Aircraft

Eagle-Picher

Yuasa

Энергоемкость, кВт ч

3

4,78

4,98

Масса, кг

27

39

62,3

Номинальное напряжение, В

102

111

124,5

Тяговый электродвигатель

Вентильный

Номинальная мощность, кВт

1,5

1,5

1,5

Максимальная мощность, кВт

7,5

7

6

Масса,кг

5

6,5

12,8

КПД, %

92

94,5

95

Номинальное напряжение, В

130

130

124

Номинальная скорость, об/мин

4000

7000

7000

Бортовой вентильный преобразователь

Трехфазный транзисторный

КПД, %

98

98

Масса, кг

3,6

5,1

Скорость, средняя/максимальная, км/ч

66,9/113

65,19/100

89,76/140

По внешнему виду СМ можно подразделять на три типа.

1. СМ с каплевидным корпусом. В этих солнцемобилях солнечная панель, корпус и кабина водителя представляют собой единую форму, напоминающую крыло самолета или каплю стекающей по стеклу воды. Все СМ этой группы имеют очень низкий коэффициент

Городской легковой солнцемобиль

Рис. 3.18. Городской легковой солнцемобиль

Спортивный солнцемобиль

Рис. 3.19. Спортивный солнцемобиль

аэродинамического сопротивления (Сх = 0,1—0,13) и относительно небольшую массу (рис. 3.18).

  • 2. СМ с солнечными панелями, отделенными от кузова. Основные преимущества этих конструкций — небольшая масса, потенциально высокая выработка электроэнергии, низкая стоимость. Однако их аэродинамическое сопротивление выше и ниже динамическая устойчивость, чем у СМ первого типа (рис. 3.19).
  • 3. СМ типа катамарана. Их преимущество — возможность монтировать солнечные панели на боковых стенках для увеличения выработ-
Спортивный солнцемобиль с дополнительными СБ

Рис. 3.20. Спортивный солнцемобиль с дополнительными СБ

ки электроэнергии при низкой интенсивности солнечного излучения (рис. 3.20). Технические характеристики спортивных СМ систематизированы в табл. 3.6. Анализ технических характеристик современных СМ показывает, что на сегодня эффективны только спортивные. Они созданы с применением последних научно-технических достижений в областях автомобилестроения, металлургии полупроводниковых материалов.

В большинстве из них применяются композитные материалы для изготовления шасси, кузовов, высокоэффективные СБ (г| = 20—27 %) и энергоемкие ТАБ (е = 80—150 Вт ч/кг), вентильные ТЭД с высокими удельными показателями (1,5—2,5 кВт/кг), специальные шины с уменьшенным коэффициентом сопротивления качению (f- 0,004— 0,008), также современные СМ имеют малый коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх = 0,08—0,12).

СМ относятся к электромобилям с автономными источниками энергии, включающими солнечные и тяговые аккумуляторные батареи (СБ и ТАБ). В последних, как правило, используются аккумуляторы электрохимической системы (свинцово-кислотные, никель-кад-миевые, никель-металлогидридные, литий-ионные, серебряно-цинковые и т. д.).

Перечислим особенности совместной работы СБ и ТАБ в КЭУ. СБ дополняет энергией разгон и равномерное движение по ровной дороге и на подъем и обеспечивает подзаряд ТАБ на стоянке, при движении СМ под уклон и торможении. ТАБ, как тяговый источник

Таблица 3.6. Общие технические характеристики спортивных солнцемобилей

Внешний вид

С Б, корпус и кабина водителя представляют собой единую форму. СБ отделены от кузова.

Типа катамарана

Полная масса, кг

250...450

Шасси, кузов

Алюминиевый сплав, композитные материалы

Коэффициент аэродинамического сопротивления сг

о

о

о

и

Лобовая площадь, м2

1,1—1,2

Коэффициент сопротивления качения

0,004...0,008

Тяговый электродвигатель

Тип

Вентильный

с постоянным магнитом

Максимальная мощность, кВт

4...7

КПД, %

92...95

Удельная мощность, кВт/кг

2...3

ВВП

Тип

Трехфазный транзисторный

КПД, %

97...98

Удельная масса, кг/кВт

0,5...0,8

Тяговая аккумуляторная батарея

Тип

РЬ-РЬ02, g-Zn (в последнее время используется РЬ-РЬ02 для снижения стоимости)

Энергоемкость, кВт ч

3...5

Масса, кг

До 130

Площадь, м

8...9

Максимальная выходная мощность, Вт

900... 1900

Солнечная

батарея

Тип

Монокристаллический кремний

КПД, %

14...23

Удельная масса по мощности, кг/кВт

2...13

Удельная масса по площади, кг/м

0,4...2,2

Окончание табл. 3.6

Регулятор максимальной мощности С Б

Тип

Повышающий, понижающий (предпочтительно понижающий, чтобы С Б могла питать ТЭД при неработоспособности регулятора)

КПД, %

  • 99 (при номинальной мощности);
  • 95 (при 20 % номинальной)

Удельная масса по мощности, кг/кВт

0,45...0,60

Привод

Мотор-колесо, однодвигательный, одно заднее ведущее колесо

Средняя скорость, км/ч

65...90

Максимальная скорость, км/ч

100...140

Пробег в день, км

300...500

энергии, реализует динамические и перегрузочные режимы СМ, причем на разгоне выделяет мощность для требуемого ускорения, а при торможении поглощает рекуперируемую кинетическую энергию. Отмеченная совокупность процессов энергопреобразования в СМ, как в гибридном транспортном средстве, сконцентрирована в блок-схеме энергетики СМ (рис. 3.21).

Суммарная энергоемкость каждого бортового источника за световой день за цикл работы ТАБ предлагается основным критерием классификации их в качестве основного либо буферного. Например, в спортивных СМ основным является СБ, а буферным — АБ. В других видах СМ это соотношение меняется.

В табл. 3.7 систематизированы соотношения для различных бортовых источников энергии в СМ, существующих в настоящее время.

Проблема успешного внедрения СМ в городских условиях требует повышения его технико-эксплуатационных показателей при умеренных ценах. Эта проблема реализуема решением следующих крупных комплексных задач:

  • • рационализацией конструкции СМ;
  • • максимальным снижением массы экипажа, в том числе за счет использования новых материалов;
Энергетика солнцемобиля

Рис. 3.21. Энергетика солнцемобиля

Таблица 3.7. Соотношения энергии различных источников в солнцемобилях

Показатель

Вид СМ

индивидуальные

специальные

городские

спортивные

Соотношение энергии ?доп и XV

У < XV

ттдоп

У < У

тдоп ^

у < У

ттдоп — т

У > XV

ттдоп

  • • максимальным снижением коэффициентов сопротивления движению за счет улучшения аэродинамической формы, применения новых типов шин и т. д.;
  • • усовершенствованием энергетической установки разработка С Б с высоким КПД и меньшей стоимостью;
  • • разработкой ТАБ повышенной энергоемкости и мощности;
  • • оптимизацией агрегатов тягового привода;
  • • разработкой более экономичных ТЭД и применением современных полупроводниковых преобразователей;
  • • оптимизацией процессов управления энергопреобразованием.

Для решения данных задач необходимо выполнить большой круг

разноплановых теоретических, имитационных и экспериментальных исследований.

СБ уже достаточно широко применяются на ТС. Многие зарубежные специалисты считают, что дальнейшее совершенствование СЭ и конструкций ТС приведет в недалеком будущем этот экологически чистый вид транспорта к полноправному участию в дорожном движении.

СБ современной конструкции не позволяют создавать энергию с такой же скоростью, с которой она расходуется при движении автомобиля по дороге. Площадь панели, которую можно разместить на автомобиле, составляет примерно 5 м2. КПД современных СЭ в среднем составляет 10 %, мощность солнечного генератора не превышает 1,2 кВт. Поэтому энергию СБ в составе КЭУ чаще используют в приводе СМ для подзарядки ТАБ.

Условно все спортивные СМ с КЭУ можно свести в три группы. К первой относятся спортивные, соответствующие регламенту трансконтинентального ралли, преодолевающие большие расстояния по равнинной местности с массой от 50 до 150 кг, эффективным электродвигателем и высокоэффективными легкими аккумуляторными батареями. СМ Массачусетского технического университета массой 154 кг при электродвигателе 10 кВт развивает скорость 113 км/ч.

Ко второй группе относят семейство СМ, удовлетворяющих техническому регламенту гонок Tour De Sol. СМ, как правило, кузовами индивидуального изготовления массой не более 600 кг.

Лучшим для данного класса признан СМ, сконструированный в Высшем техническом училище г. Дармштадта (Германия). У этого четырехколесного транспортного средства с асимметричной кабиной, не очень похожего на автомобиль, передние колеса — управляемые с независимой подвеской на А-образных рычагах, задние — ведущие, с подвеской на продольных рычагах. В приводе задних колес используются асинхронный электродвигатель максимальной мощностью 12 кВт (двигательная мощность 3 кВт) и зубчато-ременная передача. Кузов изготовлен из композитного материала.

На верхних плоскостях размещены панели солнечных элементов из кремния (450 ячеек) общей площадью 5,6 м2. Мощность солнечной батареи 540 Вт. Для питания электродвигателя используется также свинцово-кислотная аккумуляторная батарея (40 А ч; 10x12 В) энергоемкостью 4,8 кВт ч. Для экономии энергии применено рекуперативное торможение. Солнцемобиль оснащен шинами размером 80/70—16. Его габаритные размеры: 4,7x1,8x1,0 м, масса 359 кг, из них 125 кг — аккумуляторные батареи. Минимальный расход энергии при скорости 25 км/ч — 2 кВт ч на 100 км.

В солнечный день при движении по ровной дороге такой расход энергии обеспечивается одними солнечными батареями. С места СМ разгоняется до 50 км/ч за 9,2 с и способен развивать скорость до 130 км/ч.

К третьей группе относится семейство СМ с автомобильными или специальными кузовами серийного производства. Много новых разработок появилось в последние годы у японских фирм. Nissan спроектировала солнечный одноместный автомобиль Sun Favor («Любимец солнца»). Обтекаемый кузов из алюминия и пластмассы установлен на трехколесном шасси. Заднее колесо ведущее.

Пост управления находится спереди, а задняя часть машины выполнена в виде платформы, на которой размещена солнечная батарея, питающая тяговый двигатель постоянного тока мощностью 12 кВт ч. Sc6 = 6 м2; ш = 400 кг. Низкое сопротивление качению и аэродинамическое лобовое сопротивление в сочетании с эффективной трансмиссией позволяют Sun Favor развивать скорость до 120 км/ч. Длина машины 6 м, ширина 2 м.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >