Работа учащихся 10 « Г » класса лицея 1575 САО г. Москвы Гапановича Владимира Семенова Георгия Руководитель работы : Кошелева Нина Валерьевна, учитель физики Москва 2013 г.

Ежегодно автопроизводители выпускают на рынок новые модели легковых автомобилей. Кроме комфорта для водителя и пассажиров основными конкурирующими параметрами являются экономичность топлива и экологические характеристики. Изучение возможности применения в автомобилях фотоэлементов важно для концептуального понимания наиболее вероятных направлений развития в сфере проектирования автомобильных двигателей.

Ухудшение экологической обстановки, обусловленное вредным воздействием автотранспорта, в городах носит катастрофический характер. Это связано с загрязнением воздуха выбросами вредных веществ автомобильных двигателей, поэтому приоритетной задачей проектирования автомобилей для города является снижение количества выбросов вредных веществ и улучшение топливно - экономических показателей проектируемых автомобилей.

Понятно, что выбор источника энергии для питания электрических систем автомобиля может оказать существенное влияние на экологическую обстановку. Так как использование солнечной энергии – это экологичный и возобновляемый способ, мы хотим рассмотреть возможные варианты использования фотоэлектрических элементов в электрической цепи автомобиля.

Ознакомиться со структурой системы электропитания автомобиля в общем и на примере наиболее экологичных массовых автомобилей, представленных на рынке. Понять принцип работы солнечных батарей и предложить варианты использования солнечных батарей в автомобиле.

Мы предполагаем, что использование солнечных батарей может найти применение в силовых установках легковых транспортных средств, причем применение ФЭП позволит увеличить пробег при заданном количестве топлива и уменьшит нагрузку на окружающую среду.

Принцип действия солнечных элементов большинства распространённых типов основан на фотогальваническом эффекте. Суть этого эффекта в появлении разности потенциалов (или напряжения) между двумя слоями полупроводникового материала при падении света на этот двухслойный материал. Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой. Лишние электроны из n- слоя могут покидать свои атомы, тогда как p- слой эти электроны захватывает. Именно лучи света « выбивают » электроны из атомов n- слоя, после чего они летят в p- слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p- слоя, проходя через нагрузку ( в данном случае аккумулятор ) и возвращаясь в n- слой.

Для примера рассмотрим равномерное движение с заданной скоростью – 30 км/ч. Автомобилю приходится преодолевать силу сопротивления воздуха. Другими факторами, например силой трения, в нашем расчете мы пренебрегли. При движении затрачивается определенная мощность. N полезная = F * v, где F – сила сопротивления среды, v= 30 км/ч F = Cx * (P * v 2 / 2) * S, Где Cx - коэффициент лобового сопротивления. Для автомобилей Toyota Prius в зависимости от поколения он имеет значение от 0,26 до 0,25 Р – плотность воздуха, имеет значение 1,225 кг/м 3 V – скорость автомобиля, в нашем случае 30 км/ч S – лобовая площадь автомобиля. Для автомобилей Toyota Prius (ширина примерно 1,695 м, а высота 1,445 м) она равна 2,449 м 2 Учитывая, что мощность полезная отличается от мощности двигателя и среднее КПД электродвигателя 0,95, получим: Nполезная = Nэлектродвигателя * 0.95 = U * I * 0.95 Составим уравнение: U * I * 0.95 = Cx *( P * v 2 /2) * S * v

Таким образом, мы можем получить силу тока, необходимую для равномерного движения автомобиля I = Cx *( P * v 2 /2) * S * v / 0.95 * U В автомобиле Toyota Prius в качестве накопителя электроэнергии применена никель– металлгидридная батарея из 40 банок на 240 ампер-часов. Емкость аккумулятора показывает, сколько времени аккумулятор сможет питать подключенную к нему нагрузку. Сама единица измерения показывает, что емкость аккумулятора является произведением постоянного тока разряда аккумулятора (в амперах) на время разряда (в часах): Е акк = I * t Следовательно, время до полной разрядки накопителя при равномерном движении на скорости 30 км/ч составит: t = E акк / I = E акк / Cx *( P * v 2 /2) * S * v / 0.95 * U = 240 * 40 / 0.25 * (1.25 кг/м 3 * (30 км/ч) 2 )/2 * 2,449 м 2 * 30 км/ч / 0,95 * 12В = часа. Для расчёта мы использовали стандартные солнечные элементы компании EverbrightSolar со следующими характеристиками : Мощность : 1.75 Вт Сила тока : 3.5 А Напряжение : 0.5 В Толщина : 0.2 мм Размеры : 80 мм на 150 мм Вес : 6 грамм Для получения напряжения 12 В соединим последовательно солнечные элементы в цепочки по 24 штуки – длина одной цепочки. Длина кузова Toyota Prius 3,995 м, крыша составляет примерно 1/3, т. е. 1,330 м, ширина 1,695 м, т. е. площадь под размещение батареи – 2,254 м 2 Длина одной цепочки 0,08 м *0,15 м * 24 = 0,288 м 2, следовательно на крыше можно разместить 7 цепочек, а сила тока составит 7 * 3,5 А = 24,5 А.

Получаем, что солнечная батарея за время движения в течение 10,81 часа при условии непрерывного освещения увеличит заряд аккумулятора Е фэп = I фэп * t = 24,5 А * 10,81 часа = 264,85 Ампер-часов Е общ = Е акк + Е фэп Тогда новое время движения изменится t = E акк + Е фэп / I = E акк / Cx *( P * v 2 /2) * S * v / 0.95 * U = 240 * ,85/ 0.25 * (1.25 кг/м 3 * (30 км/ч) 2 )/2 * 2,449 м 2 * 30 к/ч / 0,95 * 12В = 11,11 часа Таким образом движение увеличится на 0,3 часа, т.е. 18 минут.

При существующих КПД солнечных батарей и их стоимости, невозможно полностью заменить двигатель на солнечную батарею в автомобилях для массового потребителя, однако можно разработать такую ГСУ, где ДВС будет работать в паре с солнечной батареей.