柔性太陽能電池板與車身一體化設計

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【摘要】設計一種由柔性太陽能電池板和水滴形流線車身組成的節能車身。太陽能電池系統采用柔光電轉化效率高性單晶硅太陽能電池板。車身設計成水滴形以滿足采光面積與車身風阻系數之間的平衡，通過流體力學軟件fluent分析車身在模擬件下氣體流速、壓力分布情況。試驗結果表明，在陽光充足的情況下，節能車續航15公里。

【關鍵詞】柔性太陽能電池；水滴形車身；一體化；流體力學

1引言

近年來，隨著世界能源消費的迅速增長，能源危機與環境壓力已經成為全球的焦點。在中國政府的推動下，我國新能源汽車產業增長迅猛，目前國內純電動汽車的現總數量已突破80萬。且國家把節約能源和新能源汽車作為重點發展工作。目前市場上銷售的新能源汽車，純電動汽車還占據著主導地位，因目前電池容量以及充電樁問題還未完全解決，因此遠距離行駛是阻礙其發展的主要因素。太陽能是取之不盡的清潔能源，將其用于汽車動力源，通過整車鋪設的太陽能板以及控制元件將太陽能轉變為電能。相比于傳統電動汽車續航里程短，太陽能汽車將不插電遠距離續航行駛成為現實。大眾汽車、遼寧太陽能研究應用有限以及杭州華鼎太陽能科技有限公司都涉足過太陽能電池汽車。本課題設計與制造的柔性太陽能電池板與車身一體化的節能車，主要任務是對傳統太陽能車進行優化設計，以太陽能電池板與車身一體化為核心，進一步提高太陽能節能車的續航性能，為未來太陽能汽車發展提供方向。

2選型

2.1太陽能電池板的選擇。本項目的流線形車身的太陽能電池采用可彎曲一定程度的單晶硅太陽能電池板。上述所介紹的市場常見的三類太陽能電池，由于單晶硅太陽能電池的光電轉化效率居于榜首，且柔性足夠能滿足與車身一體化的要求，因此本設計選用此種柔性單晶硅太陽能電池板可在保證一定彎曲性能的前提下實現較高的光電轉換效率，從而達到滿足彎曲度的同時實現較高發電功率的目的。單晶太陽能電池光電效率為15%～24%，多晶硅太陽能電池為12%～15%，非晶硅太陽能電池為10%左右。本節能車采用的柔性單晶硅太陽能電池板[1]。2.2車身形狀的選擇。在車身外形設計過程中，從降低車輛運行過程中的氣動阻力出發，根據人體工程學知識，綜合性設計汽車整體外形，確保車身造型能夠滿足實際的使用需求，并給人們美好體驗和視覺享受[2]。為降低太陽能車身的風阻系數，根據查詢獲得不同外形的CD值：圓形的為0.47，半圓形的為0.42，三角形的0.50，水滴形的0.04，菱形的0.80[3]等。可見水滴的風阻系數極低，僅為0.04；將水滴造型應用于車身設計，可實現車身的低風阻化。同時，基于水滴形對車身實際造型，使太陽能電池板覆蓋面積最大化，達到太陽能電池板面積與風阻系數之間的平衡。

3理論分析

將太陽能電池板與車身一體化需要對上述選形分析，滿足電池板和車身貼合的目的。柔性太陽能電池板與車身一體化的流線形車身流體動力學分析使用的是具有網格生成功能和3D物體幾何建模功能的ICEMCFD網格劃分軟件，然后利用非結構化四面體的形式將劃分好的車身網格導入Fluent軟件，對其進行前處理的數值設置后進行數值計算模擬，最后在ANSYSWorkbench中的后處理分析軟件CFD-Post中得到壓力云圖、速度矢量圖。圖1所示，太陽能車身表面的壓強范圍為-719～535Pa，車身前端部位所受到的壓強最高，前端側面和車頂處壓強最低。由于水滴形車身前臉部位阻礙Y軸流向的空氣流動，導致流線形車身前部的計算部分壓強最大，在車身尾尖處出現流動分離，導致臨近車身尾端部分的計算部分底出現的壓強波動呈逐漸減小趨勢。圖2所示水滴形車身頭端部位將阻擋的空氣分流為上、下兩部分，由伯努利原理可知，車身上端凸起的曲面造型使得車身上部的氣流速度比車身底部的氣流速度快，使水滴流線形車身上下兩端的空氣流不相等，上下面的氣流會在都到達車身尾部的中間部位時會形成渦流。根據選型和理論計算，通過成型抽空工藝，最后形成如圖3所示的柔性太陽能電池與一體化車身。

4試驗驗證

將上述柔性太陽能電池板與車身一體化樣品與轉向系、傳動系、行駛系、制動系組成節能車，進行整車測試。節能車在良好光照條件下充電2小時，記錄充電前后蓄電池電壓。隨后斷開充電電路，節能車在標準測試條件下以25km/h車速持續行駛，直至蓄電池電壓降至46V，用碼表記錄續航里程。重復實驗10組，平均續航里程15公里。

參考文獻

[1]劉海金.晶體硅太陽電池的應用及發展[J].電子世界,2014(18):435．

[2]王瑞麗.汽車車身造型設計方法[J].現代商貿工業,2016(34):500-501．

[3]李彥龍.低風阻分體式電動汽車造型設計[J].同濟大學學報,2017(9):1359-1365．

作者:沈佳斌 梅光輝 伍溟 錢文文 田玉榮 張軼男 姚喜貴 單位:寧波工程學院