На днях солнцелет Solar Impulse под управлением Бертрана Пикара отправился в полет через все Соединенные Штаты Америки из Сан-Франциско в Нью-Йорк. И появление в наше время данного транспортного средства выглядит как нечто само собой разумеющееся. Ведь по всему миру с каждым днем становится все больше и больше самолетов, автомобилей и прочих средств передвижения , работающих на энергии Солнца . О них и пойдет речь в этом обзоре.

Solar Impulse – это самолет, который не использует никакие другие источники энергии, кроме как солнечные панели. Для того, чтобы это стало возможным, создателям данного транспортного средства пришлось оснастить его крыльями с размахом 61 метр, на них и были расположены упомянутые выше элементы питания. В конце мая 2013 года Solar Impulse оправился в полет через всю США, от Западного Побережья страны до Восточного.

Построенная в 2010 году яхта PlanetSolar стала одним из самых уникальных и интересных в мире плавательных средств. Ведь вся ее палуба покрыта солнечными панелями, а создан данный корабль был для осуществления давней мечты своего хозяина – кругосветного путешествия на энергии Солнца.

В небольшом швейцарском городе Тенна в Альпах, являющемся одним из центров горнолыжного туризма, в 2012 году появилась канатная дорога на солнечных батареях, первый в мире объект подобного рода. Панели в ней весят вдоль линий подъемника.

Конечно, велосипеду для движения никакое электричество не нужно – он едет вперед за счет силы ног владельца либо гравитации. Однако энергия не помешала бы всевозможным мобильным устройствам человека, который передвигается на этом транспортном средстве.

Самые современные электромобили могут проехать на одной зарядке аккумуляторов максимум пару сотен километров. Но этот показатель можно увеличить практически до бесконечности, если оснастить транспортное средство солнечными панелями. В качестве примера тому можно привести электрический автомобиль SolarWorld GT, на котором его владельцы совершили кругосветное путешествие.

Лишь недавно компания SolarLab начала выпуск речных трамвайчиков Solar Shuttle, работающих от солнечных панелей, установленных на их изогнутых крышах, а уже сейчас подобные транспортные средства плавают по водоемам Лондона, Констанцы и Гамбурга.

Несмотря на свое название, мотоцикл Lune предназначен, в первую очередь, для езды в светлое время суток. А имя свое он получил благодаря форме полумесяца, на который данное транспортное средство становится похоже во время стоянок, когда владелец раздвигает систему солнечных панелей для зарядки аккумуляторов байка.

Еще одно транспортное средство с названием Solar Shuttle. Только теперь это не речной трамвайчик, а вполне сухопутных автобус, правда, тоже небольших размеров. Предназначен он для езды внутри студгородка университета Wake Forest University в городе Уинстон-Сейлем в американском штате Северная Каролина.

На улицах некоторых городов в Швейцарии недавно появилась целая сеть небольших прогулочных поездов, которые передвигаются исключительно за счет солнечных панелей, установленных у них на крыше. А кое-где эти средства передвижения используются даже в качестве общественного транспорта.

Уже в 2014 году Американское космическое агентство планирует запустить за пределы Земли самый большой в истории солнечный парус Sunjammer – летательный аппарат, который будет передвигаться за счет давления фотонов на огромную зеркальную поверхность (примерно 1200 квадратных метров). Данный проект при удачной реализации станет наглядным доказательством тому, что путешествовать в Космосе можно на сколь угодно далекие расстояния без оглядки на ограниченность ресурсов.

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.

Автомобили на солнечных батареях , как мы видим из самого названия, это автомобили которые для передвижения используют солнечную энергию.

Данный тип автомобилей появился не вчера и даже не позавчера, как думают многие. Первый автомобиль на солнечных батареях был представлен на показ еще в 1955 году.

Этот автомобиль на солнечных батареях был не большого размера и передвигался без водителя, с помощью дистанционного управления.

Принцип работы такого автомобиля, не смотря на его фантастическое название, довольно прост.

Солнечные батареи, преобразовывая энергию солнечного света в электрическую энергию, заряжают аккумуляторные батареи. Те, в свою очередь, с помощью электродвигателя приводят в движение колеса автомобиля. Не надо думаю говорить, что ночью автомобили на солнечных батареях передвигаются за счет батарей, а днем за счет энергии солнца.

Первое серьезное испытание автомобиль на солнечных батареях получил в 1982 году, когда инженер-изобретатель Ханс Толструп на своем детище «Quiet Achiever» проехал поперек Австралию, при этом средняя скорость его солнцемобиля была 20 км/ч.

С тех пор на автомобили на солнечных батареях обратили серьезное внимание и другие инженеры энтузиасты, которые начали создавать еще более совершенные модели.

И как результат, в 1996 году в ходе четвертой Международной ралли автомобилей на солнечных батареях (первая была проведена в 1987 году), солнцемобиль «Dream» развил скорость в 90 км/час, а на некоторых хороших участках пути его скорость достигала 135 км/час. Расстояние, которое преодолел данный солнцемобиль, 3000 км.

Хочется отметить, что такие соревнования между автомобилями на солнечных батареях в Австралии проходят каждый год. Участок пути в те же 3000 км проходит между городами Дарвин и Аделаиды.

В среднем данные соревнования занимают около одной недели, на которых автомобили на солнечных батареях не только удивляют всех своим интересным дизайном, но и все лучшими эксплуатационными качествами.

Следует понимать, что чем легче такой автомобиль, и чем совершение у него солнечные батареи, аккумуляторы и электродвигатель, тем лучше его будут технические характеристики.

Поэтому современные автомобили на солнечных батареях это высокотехнологические устройства, в которые внедрены все последние достижения науки в области физики, химии, механики и других наук.

Образец авто на солнечном ходу имеет кругом одни плюсы и положительные моменты.

Отличия от обычных машин поражают своей широтой:

§ неограниченный запас хода, благодаря накоплению энергии в течение светового дня,

§ отсутствие необходимости в заправочных станциях,

§ огромный ресурс солнечных модулей,

§ отсутствие вредных отработанных газов или других выделяемых элементов,

§ абсолютная бесплатность, никто не будет платить за солнечный свет.

Но все же, как бы не хвалили данные автомобили, они еще очень не совершенны. И проблема лежит не только в наличии ясной погоды.

К сожалению, наука в этой области еще не достигла желаемых результатов. Солнечные батареи на автомобилях еще не совершенные, их КПД в хорошую погоду составляет всего 15%, не говоря уже про пасмурную погоду. Для сравнения, КПД двигателя работающего на бензине равно 45%.

Так же автомобили на солнечных батареях обладают очень малой мощностью. Обычно это 1 л.с. при общей площади солнечной батареи 2 кв.м.

Помощью в будущей конкуренции служат постоянные разработки новых материалов, применяемых в батареях. Например, последние разработки позволяют не устанавливать плоские солнечные батареи на крышу авто, и уничтожать дизайнерские изыски автогигантов. Уже разработаны батареи, которые могут использоваться в качестве тонировки на автомобилях, то есть быть незаметными для обывателя.

Поверхность остекления в авто немаленькая, приплюсовав поверхность всего кузова, который может быть обтянут гибкими солнечными панелями, можно добиться площади вполне достаточной для выработки необходимого количества солнечной энергии, чтобы автомобиль на батареях передвигался на любые расстояния, а владелец не задумывался о его подзарядке.

Минусом таких гибких модулей является низкий КПД . Но как показывает опыт прошлых разработок в солнечной энергетике - повышение производительности всего лишь вопрос времени. Опираясь на исторические данные, можно быть уверенным в том, что через некоторое время, производительность солнечных батарей для электромобилей выйдет на необходимый уровень, и позволит создавать мощные и надежные автомобили для массового использования.

Какие бывают солнечные автомобили?

Автомобили на солнечной энергии сильно выделяются из привычного образа. Их дизайн чаще всего напоминает некие фантастические аппараты будущего, а не вполне реальные, работающие машины. Объясняется это не столько фантазией разработчиков, сколько практической необходимостью. Ведь для полноценной работы такого автомобиля нужно достаточно много солнечных батарей, поэтому площадь покрытия приходится увеличивать.

Stella - семейный солнцемобиль из Нидерландов

В Голландии (Технический Университет им.Эйндховена) создали концепт, который вполне может претендовать на звание «первого в мире семейного автомобиля на солнечной энергии». Прототип получил название Stella и вмещает четырех человек. Причем не просто вмещает, но и позволяет им вполне комфортно разместиться в салоне. Более того, в автомобиле предусмотрен и вполне вместительный багажник. Кузов «Стеллы» изготовлен из углеволокон и алюминия, поэтому вес концепта - всего 380кг при длине 4,5м и ширине 1,65м.

На крыше автомобиля установлены гибкие высокопроизводительные панели, а управление осуществляется при помощи «умного руля» и сенсорного экрана (вместо привычных кнопок). Максимальная скорость «Стеллы» - 110 км/ч, а в темноте при полностью заряженных батареях она может пройти 600 км. Кстати, в 2013г. Stella достаточно успешно участвовала в World Solar Challenge.

Гоночные технологии для широких масс

Компания Venturi выпустила на рынок солнечный автомобиль Astrolab. Причем это не просто концепт-разработка, это полноценная коммерческая модель, которую может приобрести любой желающий. Рассчитана она на двух пассажиров. Технических же характеристик машины, созданной на базе гоночных болидов Формулы-1, вполне достаточно для комфортной повседневной езды.

Мощность асинхронного мотора - 16 кВт, максимальная скорость - 110-120км/ч, вес самого автомобиля - всего 300 кг.

Конечно же, на современном этапе развития автомобилей на солнечных батареях, нельзя на полном серьезе относиться к данному типу автомобилей, как альтернативному средству передвижения, тем более, что стоимость таких автомобилей варьирует в пределах 25 тыс. ЕВРО. Скорее всего, это игрушки для богатых, чем автомобили для повседневного использования.

Но наука не стоит на месте, ведь более 100 лет назад первые автомобили, который появился на дорогах, тоже вызвали недоумение и не понимание, а теперь это технологические шедевры, без которых жизнь на земле просто бы остановилась.

Кто знает, пройдет еще каких-то лет 50, а может быть и меньше и без автомобилей на солнечных батареях человечество тоже уже не сможет жить. Поживем, увидим.

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…

Как в автомобилестроении используется солнечная энергия?

Топливный кризис в мире не за горами. Не так давно озвучивались данные о том, что при сохранении нынешних темпов добычи нефти в России, её хватит на 30 лет. То есть, запасы тают с каждым днём, а потребление растёт. Кроме того, есть и другая проблема. От большого количества автомобилей ежедневно в атмосферу поступает масса выхлопных газов с вредными веществами. Эти проблемы нужно решать. Причём в ближайшее время. Некоторые специалисты видят выход в создании электромобилей, работающих на солнечной энергии. Действительно, это не фантастический рассказ, а реальные разработки. Конечно, до выпуска серийных моделей ещё далеко, но уже есть рабочие образцы, включая гоночные кары.

Впервые фотоэлектрические панели на крыше автомобиля попробовали установить довольно давно. В наше время появились полноценные авто, которые приводятся в движение исключительно от солнечной энергии. И эти автомобили делаются не в единичном экземпляре энтузиастами, а в производственных цехах крупных автомобильных корпораций.

Концерн General Motors ещё в середине прошлого столетия представил модель с электродвигателем, который работает на солнечной энергии. В длину машина была не больше полуметра. Н крыше были закреплены 10 солнечных батарей.

Разработкой автомобиля занимался Уильям Кобб ─ инженер компании GM. Эти исследования были профинансированы автомобильным гигантом в надежде на прорыв. Но тогда исследования свернули из-за низкой рентабельности, а вернулись к ним лишь через несколько десятилетий.

К разработкам авто на солнечной энергии вернулись в девяностые годы прошлого века. В этом время КПД фотоэлементов достиг 15 процентов. Это послужило мощным толчком к освоению энергии солнца. К делу разработки электромобилей подключились многие крупные концерны. Не так давно появлялись сообщения о том, что специалистам из Spektrolab удалось получить солнечные панели с КПД выше 30%. Но серийных образцов с такой эффективностью пока не выпускается.

Плюсы и минусы гелио автомобилей

Итак, подведём итоги по плюсам и минусам автомобилей на солнечной энергии.

Плюсы

Солнечная энергия бесплатна;
Не требуется сеть заправочных станций;
Фотоэлементы имеют большой срок службы (до 30 лет);
Не выбросов а атмосферу;
Использование таких авто стимулирует разработку передовых технологий в смежных сферах.

Минусы

Низкий КПД фотоэлектрических панелей (максимум 12─15%);
Высокая стоимость солнечных панелей;
Эффективность выработки электроэнергии зависит от времени суток и погоды;
Необходимо осуществлять накопление энергии от батарей.

Примеры электромобилей на солнечных батареях

Astrolab

Выпуском этого электромобиля занимаются специалисты компании Venturi. Максимальная скорость, которую развивает авто, составляет 120 километров в час. Пробег до 110 километров. На автомобиле закреплены фотогальванические элементы общей площадью 3,6 квадратных метров. Стоимость этого чуда составляет больше 90 тысяч евро.

Как говорят конструкторы, таких параметров им удалось добиться благодаря усовершенствованному кузову автомобиля. Astrolab подобен гоночным болидам. Внутренняя часть машины выполнена в виде карбонового монокока для защиты водителя и пассажира. Дизайн Astrolab разработал Саша Лакик. Сам он называет этот электромобиль, как крыло на колёсах.

Ecletic

Ecletic является ещё одним гелиомобилем от Venturi. Мощность двигателя этого авто составляет 22 лошадиные силы. Для сравнения, у других авто на солнечных батареях мощность в среднем составляет одну лошадиная сила с двух квадратных метров панелей. Ecletic работает только от энергии солнца.

Конструкторы утверждают, что их творение пробегает на скорости 50 километров в час до пятидесяти километров. И ещё один интересный нюанс Ecletic. Машина может проходить до 15 километров на энергии ветра. Если на улице непогода, то авто заряжается от электрической сети примерно за 5 часов.