大学毕业设计---太阳能电池在电动汽车上的应用.doc

河南机电高等专科学校毕业设计/论文毕业设计论文论文题目： 太阳能电池在电动汽车上的应用 0摘 要太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。太阳能电池与电动汽车的有机结合，既为电动汽车提供电能，增加续航能力，又能为太阳能电池的应用开辟了新的天地。本文概述了太阳能电池的现状，介绍了电动汽车中电池的发展，重点阐述了太阳能电池在电动汽车上的应用，并对太阳能汽车的前景进行了展望。关键词：太阳能电池，电动汽车，应用ABSTRACTSolar energy is inexhaustible human renewable energy， with adequate cleanliness， adequacy and potential economic security， the relative breadth， really long life and maintenance-free， resources etc.， have an important role in long-term energy strategy. The combination of solar cells and electric vehicles， both to provide power for electric vehicles， increase endurance， but also for the application of solar cells opens up new horizons.This paper outlines the current status of solar cells， introduced the development of battery electric vehicles， focusing on the solar cell applications in electric vehicles， and the prospects for solar car prospected.Key Words:Solar energy，Electric cars，Application0目 录摘要.绪论.1第1章 太阳能电池的现状.31.1 概述.31.2 硅太阳能电池.41.3 多元化合物薄膜太阳能电池.91.4 有机物太阳能电池.91.5 本章小结.10第2章 电动汽车中电池的发展.112.1 电动汽车简介.112.2 电动汽车用铅酸蓄电池.112.3 电动汽车用镍金属电池.112.4 电动汽车用锂离子电池.122.5 电动汽车用太阳能电池.13第3章 太阳能电池在电动汽车上的应用.143.1 概述.143.2 太阳能汽车的发展.153.3 太阳能电动汽车的工作原理.153.4 太阳能汽车的基本系统构造.163.5 发展太阳能汽车所面对的问题.173.6 太阳能汽车的技术发展趋势.17展望.19致谢.20参考文献.210绪 论 能源是人类社会发展的重要基础资源。但由于世界能源资源产地与能源消费中心相距较远，特别是随着世界经济的发展、世界人口的剧增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续增大，由此导致对能源资源的争夺日趋激烈、环境污染加重和环保压力加大。近几年我国出现的“油荒”、“煤荒”和“电荒”加重了人们对能源危机的担心，促使我们更加关注世界能源的供需现状和趋势。 就汽车能源而论，用的燃料是汽油和柴油等，它们都是从石油中提炼出来的。然而，石油这种矿物燃料是不能再生的，用一点就少一点，总有一天要用完。据科学家们预计，目前世界上已探明的石油储量将于2020年左右被采尽。因此，汽车将会出现挨受“饥饿”的危险，人类将面临着能源的挑战。从另一方面来说，石油本身就是一种宝贵的化工原料，可以用来制造塑料、合成橡胶和合成纤维等。把石油作为燃料烧掉了，不但十分可惜，而且还污染了人类赖以生存的环境。解决这个难题的唯一可行办法，就是加紧开发新能源。而太阳能就是这些新开发能源中的佼佼者。太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等由太阳能导致或转化成的能量形式。利用太阳能的方法主要有：太阳能电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电等。太阳能清洁环保，无任何污染，利用价值高，太阳能更没有能源短缺这一说法，其种种优点决定了其在能源更替中的不可取代的地位。无论是家庭还是企业，都能处处接触到。太阳能属于清洁能源，绿色环保，取之不尽。太阳能发电在汽车上的应用，将能够有效降低全球环境污染，创造洁净的生活环境，随着全球经济和科学技术的飞速发展，太阳能汽车作为一个产业已经不是一个神话。燃烧汽油的汽车是城市中一个重要的污染源头，汽车排放的废气包括二氧化硫和氮氧化物都会引致空气污染，影响我们的健康。现在各国的科学家正致力开发产生较少污染的电动汽车，希望可以取代燃烧汽油的汽车。但由于现在各大城市的主要电力都是来自燃烧化石燃料的，使用电动汽车会增加用电的需求，即间接增加发电厂释放的污染物。有鉴于此，一些环保人士就提倡发展太阳能汽车，太阳能汽车使用太阳能电池把光能转化成电能，电能会在储电池中存起备用，用来推动汽车的电动机。由于太阳能车不用燃烧化石燃料，所以不会放出有害物。据估计，如果由太阳能汽车取代燃汽车辆，每辆汽车的二氧化碳排放量可减少43至54%。太阳能的关键技术主要在于太阳能电动汽车的控制系统，即光电技术，其中的光伏电池板是将太阳能转化为电能；还有电动汽车的心脏部位是电源和蓄电池，而运行系统基本上是由电源、电控、电极来组成的，在关键技术中最为重要的是太阳能电池，它是一种将光能直接转化成电能的半导体器件，目前以硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、有机物太阳能电池为主。 到目前为止，太阳能在汽车上的应用技术主要有两个方面：一是作为驱动力，二是用作为汽车辅助设备的能源。作为驱动力这一应用方式，一般采用特殊装置吸收太阳能，再转化为电能驱动汽车运行。本文主要概述了太阳能电池的现状，介绍了电动汽车中电池的发展，重点阐述了太阳能电池在电动汽车上的应用，并对太阳能汽车的前景进行了展望。2第1章 太阳能电池的现状1.1 概述 随着时代的发展，能耗越来越大，传统化石燃料，如石油、煤、天然气等的储量已不能满足人类持续发展的需求，并且化石燃料的燃烧释放出大量的SO2、CO2、NOx等有害气体，造成了严重的环境污染，在当今能源日益短缺，环境污染严重的背景下，太阳能作为一种可再生的绿色能源备受瞩目。 太阳能电池的发展现状虽然太阳辐射的总量很大，但其能流密度很低，在北回归线附近，全年日夜平均只有200W左右。另外，由于受到自然条件及天气的影响，到达地面的太阳辐射能是极不稳定的。为了使太阳能成为连续稳定的能源，并能成为传统能源的替代能源，必须解决蓄能问题。太阳能电池的诞生实现了太阳能的收集，并通过光生伏打效应把光能转换成电能，进行储存。 在过去的几十年里，光伏发电的核心太阳能电池有了很大的发展。从硅太阳能电池的发明开始，就被用于空间站为其提供能源，这已成为高性能太阳能电池的稳定市场。19世纪70年代的第一次石油危机刺激了太阳能电池的应用研究。按照太阳能电池使用基本材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池和有机物太阳能电池。目前，硅基太阳能电池已广泛应用于并网发电、离网发电及商业应用等领域。硅基太阳能电池又可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池的转换效率可达到 16%20%，多晶硅太阳能电池的转化效率达到14%16%，而非晶硅太阳能电池的转换效率只有5%-7%。由于多晶硅太阳能电池成本低，转换效率较高，生产工艺成熟，占有主要的光伏产业市场，成为现代太阳能电池的主导产品。我国拥有十分丰富的太阳能资源，1971-2000年的近30年，太阳年总辐射量平均在1050-2450kWh/m2之间，大于1050kWh/m2的地区占国土面积96%以上。中国陆地表面每年接受的太阳能辐射相当于1.7万亿t标准煤。按年太阳能总辐射量空间分布，我国可以划分四个区域，四个区域的太阳能资源量及其分布见表1-1所示。 表1-1 中国的太阳能资源划分名称符号指标/kW.h/m2.a占国土面积/%地区最丰富带175017.4西藏大部分、新疆南部以及青海、甘肃和内蒙古的西部很丰富带1400175042.7新疆北部、东北地区及内蒙古东部、华北及江苏北部、黄土高原、青海和甘肃东部、四川西部至横断山区以及福建、广东沿海一带和海南岛丰富带1050140036.3东南丘陵区、汉江流域以及四川、贵州广西、西部等地区一般带10503.6川黔区注：、及区域，中国太阳能的丰富地区共占国土面积的96%以上。 1.2 硅太阳能电池 太阳能作为一种清洁、可再生的能源，对它的利用一直被人们所关注。从最简单的阳光下晒被褥到并网发电的太阳能电站，都是利用太阳能的方式。在利用太阳能的各种方法中，光生伏打技术是一个重要分支，这也就是一般所说的光伏技术。从1839年法国物理学家贝克勒尔在光直接照射的电解液中发现的光生电压效应，到今天美国SunPower公司生产的效率为21.5的单晶硅太阳能电池，光伏已经从实验室中的一种物理化学现象变成一种产业。在能源问题和环境问题突显的今天，它也是能同时缓解能源短缺和环境污染的有效途径。当今的光伏技术中，硅太阳能电池技术是主要技术。据统计2005年，世界光伏市场中，硅太阳能电池占据的比重为87。硅是地壳中含量第二的元素，所以，生产硅太阳电池的原材料非常容易获得。而且硅太阳电池的性能稳定，使用寿命长。由于硅太阳电池技术是建立在半导体工业技术之上，所以，这个技术被普遍地接受和理解。 目前，尽管硅太阳电池在光伏领域中占据主要地位，但是在能源供应中并不是主要的供应来源。无论是国内还是国外，它还仅仅是一种辅助供应能源的方式。与水电，火电和核电相比，硅太阳能电池的电力价格是比较高的，所以，它的成本回收周期需要很长时间。居高不下的成本是限制硅太阳电池成为主要供能方式的关键因素。在硅太阳电池的研究中，成本和电池效率是需要同时考虑的两个因素。要求在降低成本的同时，保持效率不变甚至提高。1.2.1 单晶硅太阳能电池 单晶硅是一种比较活泼的非金属元素晶体，是晶体材料的重要组成部分，处于新材料发展的前沿。单晶硅太阳能电池使用的硅原料主要为：半导体硅碎片，半导体单晶硅的头、尾料，半导体用不合格的单晶硅。单晶硅材料制造要经过如下过程，石英砂-冶金级硅-提纯和精炼-沉积多晶硅锭-单晶硅-硅片切割。其主要用途是用作半导体材料和利用太阳能光伏发电、供热等。 单晶硅太阳能电池是当前开发得最快的一种太阳能电池，它的构成和生产工艺已定型，产品已广泛用于宇宙空间和地面设施。这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。将单晶硅棒切成片，一般片厚约 0.3 毫米。硅片经过成形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳能电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就在硅片上形成 PN 结。然后采用丝网印刷法，将配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉，至此，单晶硅太阳能电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳能电池组件（太阳能电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，最后用框架和封装材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳能电池组件组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 15左右，实验室成果也有 20以上的。用于宇宙空间站的还有高达 50%以上的太阳能电池板。 单晶硅太阳能电池是研究应用最早的硅太阳能电池，其转换效率最高，技术也最为成熟，多用于光照时间少、光照强度小、劳动力成本高的区域，如航空航天领域等。通过采用各种不同的硅片加工及电池处理技术，国内外各科研机构及电池厂家都生产制备出了较高效率的单晶硅电池。 2009年3月，全球第三大光伏电池模块制造商无锡尚德声称，采用Pluto技术己经实现单晶硅电池转换效率达到19%。2010年5月，中国企业500强晶龙集团核心子公司（晶澳太阳能公司）传来喜讯：该公司研发的“超高效”电池转换技术实现重大突破，单晶硅太阳能电池转换效率达到了18.7%，跃居世界领先水平。2010年5月，硅谷高科技公司SunPower联合新南威尔士大学发布了最新的E19系列太阳能电池板，它能提供19%及更高的光电转换效率。单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于受单晶硅材料价格及相应繁琐的电池工艺影响，致使单晶硅成本价格居高不下，要想大幅度降低其成本是非常困难的。为了节省高质量材料，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表（太阳能电池原理见图1-1）。图1-1 太阳能电池原理1.2.2 多晶硅太阳能电池通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350450微米的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成，因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从20世纪70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜，但由于生长的硅膜晶粒太小，未能制成有价值的太阳能电池。为了获得大尺寸晶粒的薄膜，人们一直没有停止过研究，并提出了很多方法。多晶硅太阳能电池的制作工艺与单晶硅太阳能电池相近，但是从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要低得多。目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法，包括低压化学气相沉积（LPCVD)和等离子增强化学气相沉积（PECVD）工艺。此外，液相外延法（LPPE）和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。多晶硅太阳能电池的光电转化效率相比单晶硅太阳能电池要低。20世纪末多晶硅太阳电池首次超过单晶硅太阳电池。但是单晶硅太阳电池产量并非止步不前一路下滑，而是仍然继续发展，形成与多晶硅太阳电池并驾齐驱各领风骚的态势。多晶硅太阳能电池在全球光伏产品的应用中占50%左右，而且其市场份额在最近几年中不断提高，但多晶硅太阳能电池的效率总体上没有单晶硅的高。多晶硅薄膜太阳能电池是兼具晶体硅太阳能电池的高光电转换效率、稳定长寿和非晶硅太阳能电池的材料制备工艺简单、成本低并且无污染，可大面积生长等优点于一身的新一代太阳能电池，具有广阔的发展前景。多晶硅太阳能电池占据主流，除取决于此类电池的优异性能外，还在于其充足、廉价、无毒、无污染的硅原料来源，而近年来多晶硅成本的降低更将使多晶硅太阳能电池大行其道。但是多晶硅薄膜的晶粒尺寸、晶粒形态、晶粒晶界、膜厚以及基体中有害杂质的含量及分布方式严重地影响着太阳光的吸收率和载流子的复合率，从而影响着光电转化效率，这也是多晶硅薄膜太阳能电池的性能仍落后于单晶硅太阳电池的主要原因。目前，多晶硅的生产工艺有多种，最常见的有改良西门子法和硅烷热分解法。二者相比之下改良西门子法稍具优势，这种方法的主要技术是：（1）在大型反应炉内同时加热许多根金属丝，减小炉壁辐射所造成的热损失；（2）炉的内壁加工成镜面，使辐射热反射，减少散热；（3）提高炉内压力，提高反应速度等；（4）在大型不锈钢金属反应炉内使用100根以上的金属丝，单位电耗由过去300kW.h/kg降低到80kW.h/kg，多晶硅产量由改良前每炉次100200kg提高到56t。其显著特点是加强尾气回收，在-15-90对尾气加压多级冷凝分离。分离产物再回系统利用且能耗低、产量高、质量稳定。随着改良西门子法技术的不断完善与发展，使原辅材料及能耗大为降低，产品成本也随之降低。新硅烷法不断取得进展，除保证多晶硅纯度较高的特点外，直径也从原来的不足100mm增大至140mm，晶粒多晶硅已规模生产。多晶硅生产均采用闭路循环工艺流程，使副产物得以合理、充分的利用。多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶面取向不同的晶粒，则这些晶粒结合起来，就结晶成多晶硅。多晶硅可作拉制单晶硅的原料，多晶硅与单晶硅的差异主要表现在物理性质方面，如在力学性质、光学性质和热学性质的各向异性方面，远不如单晶硅明显；在电学性质方面，多晶硅晶体的导电性也远不如单晶硅显著，甚至几乎没有导电性；在化学活性方面，两者的差异极小。多晶硅和单晶硅可从外观上加以区别，但真正的鉴别须分析测定晶体的晶面方向、导电类型和电阻率等。1.2.3 非晶硅太阳能电池在美国RAC实验室Carlson和Wronski的共同努力下，第1块非晶硅薄膜太阳能电池于1976年问世，从此拉开了薄膜光伏技术研究与发展的序幕，目前非晶硅薄膜太阳能电池正在进入显著的技术进步和规模化应用阶段。由于硅料的供应紧缺为非晶硅太阳能电池（又称薄膜太阳能电池）带来了良好的发展机遇，转换效能上，多晶硅因其不可改变的物理特性，其最高效能为15%16%；非晶硅薄膜可透过沉淀不同化学特性的物质于不同段层，将转换效能由6%提升至12%或更高，理论上最高更可达17.8%。其次，薄膜吸收较广的阳光波长，在阴天或微弱阳光下运作亦较佳；相反，多晶硅的效能在较暗的情况下就会急速下降，因此非晶硅薄膜在实际环境下的转换效能比多晶硅高出10%以上。再者，非晶硅薄膜的转换效能虽然只及多晶硅的1/2，但生产成本亦只有多晶硅 的1/3。多晶硅生产过程需要1100高温，不但耗能大，而且所带来的污染问题亦十分严重。非晶硅薄膜只需将气体沉淀转化成等离子附在玻璃上即可，生产过程只需150低温，消耗电能少，无污染，因此可以低成本大面积连续生产非晶硅电池。目前非晶硅电池转换效率及稳定性仍不及晶体硅电池，但其硅料使用量少、制程简单且易大面积量产、产品透光性佳及应用范围广等优点仍获得市场的追捧。非晶硅又称无定形硅，它是单质硅的一种形态，是棕黑色或灰黑色的微晶体；不具有完整的金刚石晶胞，纯度不高；熔点、密度和硬度也明显低于晶体硅；化学性质比晶体硅活泼，可由活泼金属（如钠、钾等）在加热下还原四卤化硅，或用碳等还原剂还原二氧化硅制得。结构特征为短程有序而长程无序的-硅，纯-硅因缺陷密度高而无法使用。由非晶态合金的制备可知，要获得非晶态，需要有高的冷却速率，而对冷却速率的具体要求随材料而定。硅要求有极高的冷却速率，用液态快速淬火的方法目前还无法得到非晶态。近年来，发展了许多种气相淀积非晶态硅膜的技术，其中包括真空蒸发、辉光放电、溅射及化学气相淀积等方法。一般所用的主要原料是单硅烷（SiH4）、二硅烷（Si2H6）、四氟化硅（SiF4）等，纯度要求很高。非晶硅膜的结构和性质与制备工艺的关系非常密切，目前认为以辉光放电法制备的非晶硅膜质量最好，设备也并不复杂。采用辉光放电气相沉积法就可得含氢的非晶硅薄膜，氢在其中补偿悬挂链，并进行掺杂和制作PN结。开发太阳能电池的两个关键问题就是，提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，但非晶硅作为太阳能材料，尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延长而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。在发展非晶硅作为太阳能材料上，如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。据世界能源组织(IEA)、欧洲联合研究中心、欧洲光伏工业协会预测，2020年世界光伏发电将占总电力的1%，到2040年光伏发电将占全球发电量的20%，按此推算未来数十年全球光伏产业的增长率将高达25%30%。可以预言，在21世纪中叶，太阳能光伏发电成为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有一定的地位。1.3 多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜铟硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。1.4 有机物太阳能电池 在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制备的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机 PN 结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰，外层聚合物的还原电位较高，电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移，只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。 由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。1.5 本章小结 薄膜太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件。太阳能电池开发和制备过程中必须考虑的两个因素是提高转化率和降低成本。而电池的薄膜化无疑是降低成本的有效途径。 目前所开发研制的薄膜太阳能电池中硅基薄膜和多元化合物薄膜太阳能电池效率较高，并部分实现了商品化，但受材料制约，与其他薄膜太阳能电池相比成本相对较高。纳米晶薄膜太阳能电池和有机薄膜太阳能电池原料易得、成本低，但目前转化效率和稳定性不够好，所以研制新的低成本光电材料、开发新的大面积薄膜电池制备工艺以提高纳米晶薄膜太阳能电池和有机薄膜太阳能电池的稳定性和光电转换效率仍是未来薄膜太阳能电池的研究热点。第2章 电动汽车中电池的发展2.1 电动汽车简介 电动汽车一般指以车载电源为动力，全部或部分由电机驱动行驶的汽车。电动汽车以其污染小、噪声低、能源效率高和能源来源多元化等优点备受青睐，成为现代汽车工业发展的方向之一。目前，电动汽车在许多重要技术领域已经取得了突破性的进展，接近实用化阶段。但是，电动汽车大规模商业化发展仍面临技术、经济等方面的诸多瓶颈，中长期发展存在较大的不确定性。2.2 电动汽车用铅酸蓄电池 铅酸电池最早用作内燃机汽车的起动动力源，后经过发展成为电动汽车蓄电池。由于技术成熟、价格便宜，它是目前在汽车领域应用最为广泛的电池。铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点：一是比能量低，一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。近期铅酸电池仍将作为动力源应用于旅游观光车、电动叉车或一些短行程的公交车上。应用于电动汽车的新一代阀控式密封铅酸蓄电池不需维护，允许深度放电，可循环使用。但由于金属铅的高密度，仍存在比能量和比功率低的致命弱点，在轻度混合动力汽车中有应用前景，但不适于重度混合汽车或纯电动汽车。近期正在开发的电动汽车用先进铅酸电池主要有：水平铅酸电池、双极密封铅酸电池和卷式电极铅酸电池等。2.3 电动汽车用镍金属电池 目前在电动汽车上使用的镍金属电池主要有镍镉电池和镍氢电池。与铅酸电池相比，镍镉电池在比能量、比功率和使用寿命方面都占有一定的优势，且可以快速充电。但是镍镉电池由于镉的污染，目前许多发达国家都已限制发展和使用。镍氢电池则是一种绿色镍金属电池，和同体积的镍镉电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且无记忆效应，适合电动汽车使用。镍氢电池已被列为近期和中期电动汽车首选动力电池，但还存在价格高，均匀性较差，特别是在高速率、深放电情况下，电池之间的容量和电压差较大，自放电率较高，性能水平和现实要求还有差距等问题，这些都影响镍氢电池在电动汽车上的广泛使用。2.4 电动汽车用锂离子电池 锂电池最早出现于1958年，20世纪70年代进入实用化，80年代趋向研究锂离子电池，90年代后生产出的高容量可充电电池，比镍氢电池能存储更多的能量，比能量大、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应和环境污染，是当今各国能量存储技术研究的热点，主要围绕大容量、长寿命和安全性三方面进行研究。目前在电动汽车中应用较多的锂离子电池是磷酸铁锂电池，由于热稳定性和安全性较好，价格相对便宜，使其成为小型电动汽车和插电式混合动力汽车动力电池的首选，但不适合大型纯电动汽车，相对而言，钴酸锂和锰酸锂电池等在大型电动汽车上更具优势。目前，锂离子电池以小容量、低功率电池为主，大容量、高功率的锂离子电池还在进一步试产及试运行阶段。锂离子电池大量应用于电动汽车仍然存在问题，主要是因为多种性能的限制，包括锂离子电池的安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应。此外，电池组的电池管理系统中一些技术的不成熟，如均衡充电技术，也是锂离子电池尚未在电动汽车中广泛应用的重要原因之一。 铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池（锂离子电池和锂聚合物电池）的基本性能比较如图2-1所示。从图中可以看出，这几种电池技术没有一种可以占据多个方面性能的优势地位。其中锂离子电池和锂聚合物电池除在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于绝对领先地位，在未来有进一步研发和大规模应用的前景。铅酸电池的价格优势使其在轻度混合或者短途行驶的电动汽车中仍占一席之地；镍氢电池是电动汽车过渡阶段使用的电池，但在近期和中期仍然是非常关键的动力电池之一；锂离子电池目前在电动汽车中占据着重要位置，将成为未来电动汽车电池最具前景的主流之一。价格和大功率锂离子电池的安全性是锂离子电池的最主要缺点。图2-1 三种化学电池性能比较2.5 电动汽车用太阳能电池 太阳能清洁无污染且易获取，但太阳能具有地域性、季节性和时域性等特点，同时太阳能电池能量密度小、转化效率低（20%）及成本高，导致太阳能电池在汽车上还不能广泛使用。太阳能电池作为第一驱动力驱动汽车，目前主要用在太阳能赛车和短距离电瓶车上。太阳能汽车功率普遍较小，续航里程短（最大为200km），承重能力低。 目前，改善太阳能电池的性能，降低制造成本及减少大规模生产对环境造成的影响是未来太阳能电池发展的主要方向。作为太阳能电池材料，其中：（1）由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品；（2）-V族化合物及CIS等属于稀有元素，尽管转换效率很高，但从材料来源看，这类太阳能电池不可能占据主导地位；（3）有机太阳能电池对光的吸收效率低，从而导致转换效率低；（4）染料敏化纳米TiO2薄膜太阳能电池的研究已取得喜人成就，但还存在如敏化剂的制备成本较高等问题。另外目前多沿用液态电解质，但液态电解质存在易泄漏、电极易腐蚀、电池寿命短等缺陷，使得制备全固态太阳能电池成为一个必然方向。目前，大部分全固态太阳能电池光电转换率都不很理想。纳米晶太阳能电池以其高效、低价、无污染的巨大优势挑战未来，我们相信，随着科技发展以及研究推进，这种太阳能电池应用前景广阔无限。第3章 太阳能电池在电动汽车上的应用3.1 概述汽车工业在最近几十年中突飞猛进的发展，极大地提高了人们的生活水平。与此同时，也带来的诸多的社会问题，例如能源问题日益凸显，环境污染日益加剧，汽车工业所带来的负面效应也越来越引起人们的关注。传统能源汽车均是以石化燃料作为能量来源，石化燃料是不可再生能源，并且在燃烧过程中会产生大量有害物质（CO、HC、NOx、颗粒物等），对环境产生严重污染，对人体呼吸系统会造成严重伤害。电动汽车是针对内燃机车辆提出来的概念。谓之“电动”，是因为它的能源是蓄电池而不是汽油（或柴油）等石油产品。电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。电动汽车与传统能源汽车对比详见表3-1。表3-1 电动汽车与传统能源汽车对比电动车VS汽油车没有尾气排放大量温室气体污染环境电力公司石油公司150公里左右的里程500公里以上的里程充电需要几个小时加油只需几分钟每公里仅需0.1-0.12元每公里需要0.6-0.7元 太阳能汽车由于其零污染、能源丰富，代表了汽车发展的新水平，因此被人们称为“未来汽车”。和传统汽车不同，太阳能汽车已经没有发动机、底盘、驱动、变速箱等构件，而是由电池板、储电器和电机组成。但因其造价昂贵、动力受太阳照射时间限制及承载能力差等特点而无法普及。这些太阳能汽车普遍采用质轻价贵的航空、航天材料，力求达到车体轻、速度快。3.2 太阳能汽车的发展 世界上第一辆太阳能汽车早在1978年便在英国研制成功，时速达到13公里。1982年墨西哥研制出三轮太阳能车，速度达到每小时40公里，由于这辆汽车每天所获得电能只能行驶40分钟，所以它还不能跑远路。1999年5月巴西圣保罗大学的科研人员设计出一款新型太阳能汽车。最高时速超过100km。2003年澳大利亚太阳能汽车比赛上，由荷兰制造的“nuna”太阳能汽车取得了冠军，它以30小时54分钟的时间跑完了3010公里的路程，创造了太阳能汽车最高时速170公里的新世界纪录。国内太阳能汽车发展起步较晚。1984年 9 月，我国首次研制的“太阳号”太阳能汽车试验成功，太阳号由湖北省金属学会新技术开发公司的黄绳溥等六位中青年科技人员，仅用了56 天时间研制成功。1996年，清华大学参照日本能登竞赛规范，研制了“追日”号太阳能汽车。重800公斤左右，最高车速达80公里每小时，造价为7.8万美元。其采用的电池板是我国第五代产品，太阳能转化率只能达到14%。2001年全国高校首辆可载人的太阳能电动车“思源号”在上海交通大学诞生。无需任何助动燃料，只要在阳光下晒三、四个小时，便能轻松跑上10多公里。中山大学太阳能系统研究所的一辆太阳能电动车，外观上跟公园的电瓶车一个样，可以搭乘6 名乘客，但是国产的时速最高却只有48公里，持续行驶时间也就1个小时。到目前为止，太阳能在汽车上的应用技术主要有两个方面：一是作为驱动力，二是用作为汽车辅助设备的能源。作为驱动力这一应用方式，一般采用特殊装置吸收太阳能，再转化为电能驱动汽车运行。而作为汽车辅助能源，主要用在电气设备上的辅助应用，大部分还是靠燃料的供给。3.3 太阳能电动汽车的工作原理阳光照射太阳能电池阵列的电池，就生产电流，见图3-1。能量（电流）能传输到蓄电池贮存，也可以直接到电动机控制器或者两者的结合。送到控制器的能量用来为转动车轮并且使汽车移动的电动机提供动力。通常如果汽车在运动中，被转变的太阳光被直接传送到电动机控制器，但是有时有更多的来自阵列的能量以至于超过了电动机控制器的需要。当这种情况发生时，那些额外的能量会在蓄电池内储存起来供以后使用。当太阳能电池阵列不能产