我们会在路上看到太阳能汽车吗？

如果您喜欢阳光，喜欢汽车，那么我猜您很想拥有太阳能汽车，对吗？此技巧适用于巧克力和花生酱，但不适用于大蒜面包和草莓。那么汽车与太阳能的兼容性如何？我们喜欢组合还是吐出来？让我们将两者放在一起，与数学混合，看看会发生什么。

我们有什么选择？

缺少一些太阳能到液体燃料的突破，我非常希望能够实现这一突破，并且在最近的一篇博文《我们在这里谈论电动汽车》即将结束时描述了这一突破。这很棒，因为电力传动系统效率极高（棒球场为85％至90％），并立即允许采用巧妙的再生制动方案。

显然，有一个电池作为电源代理，可以通过以下方式对此电池充电（效率为90％）：

“由¢汽油或同等燃料为燃料的车载内燃机；“公用事业电力”；“固¢定太阳能设¢备”；“车载太阳能电池板”。¢

只有最后两种选择构成了我所说的太阳能汽车，而无视水，风，甚至化石燃料最终都是太阳能的形式的警告。列表上的最后一项是梦境：除了天气以外，不依赖任何外部因素。这很适合独立的美国精神。显然，这是有可能的，因为每年在澳大利亚沙漠中进行争夺100％车载太阳能汽车的竞赛。今天如此成功的示威活动是否意味着太阳能汽车的广泛使用指日可待？

全速前进！

首先，让我们检查一下需求。对于“可接受”能够以高速公路速度（30 m / s，或67 mph）行驶，并且能够舒适地容纳四个人，我们将面临非常艰巨的工作，使其正面区域小²于2 m，阻力系数小于cD =0.2â？产生“拖曳区域” ？??? 0.4平方²米即使是骑自行车的人，其阻力区域也往往比这更大！使用有关限制汽油燃料经济性的文章中开发的数学方法，我们发现我们的汽车将承受Fdrag =？cDAv？的拉½力²。250牛顿（约55磅）。

功是力乘以距离，因此，每秒钟将汽车推下公路30米，将需要大约7,500 J能量（有关单元的定义和关系，请参见能量关系页面）。由于这是每秒所需的能量，因此我们可以立即将其称为7500瓦，相当于大约10马力。我尚未包括滚动阻力，该阻力约为汽车重量的0.01倍。对于600 kg（6000 N）的超轻负载质量，滚动阻力会增加60 N的恒定力，需要额外的1800 W功率才能产生约9 kW的功率。

太阳能电池板能提供什么？假设您可以对某些空间质量的30％的面板进行评分（即，其效率是市场上典型面板的两倍）。在头顶阳光充足的情况下，您可能会获²得1,000 W / m的太阳通量，或者每平方米的面板转换为300W。然后，我们将需要30平方米的面板。坏消息：普通汽车的顶部可用空间不足10平方米。我测量了轿车的朝上区域（当然不包括窗户），大约3 m。²一辆装有露营车壳的卡车给了我5米。²

如果我们能够获得2 kW的瞬时功率，那么在我们的示例中，这辆汽车将能够以大约16 m / s（35 m.p.h.）的速度达到巡航速度。在爬坡过程中，汽车每三秒钟仅可在一个垂直米上提升自己的坡度（6000 J可以将汽车举升一米，可用功率为2000 J / s）。这意味着5％的坡度会使汽车在充满阳光的情况下减慢至6.7 m / s或每小时15英里的速度。自然地，电池将派上用场以消除这种变化：在下坡充电，在上坡放电，球场平均速度为30m.p.h。

因此，关于一个家庭被实时太阳舒适地拖在路上的梦想将无法实现。（注意：某些Prius车型提供了太阳能车顶选项，但这只是为了在停车时使风扇保持凉爽而开了风扇–可能只是抵消了车顶上有深色面板而产生的额外热量！）但是在澳大利亚这些种族中有哪些呢？我们有现场演示。

梦想成真

Â东海挑战者。看那速度！

近年来，来自日本东海大学的“东海挑战者”一直是“世界太阳能挑战赛”的佼佼者。他们使用1.8 kW阵列的30％高效面板（嘿，我猜对了！），这意味着6平方米的面板。汽车和驾驶员的重量仅为240公斤。与大多数比赛中的汽车一样，东西看上去像是一块破旧的肥皂条，上面长着泡沫，驾驶员的头部：阻力系数（鳟鱼状0.11）和前部区域（我猜大概是1 m，但可能²会更少）被修剪到最荒谬的可想象的极限。从这些数字中，我计算出约60牛顿的高速公路速度空气动力学阻力和约25 N的滚动阻力，总共为85 N：大约是我们为“舒适”计算的35％。 ？汽车。求解空气阻力和滚动阻力相结合的速度需要输入1.8 kW的功率，我得到26 m / s或94 km / h或58 m.p.h.，这与所报告的速度非常接近。

带上电池：只需添加太阳

我们已经看到，严格按照自身车载功率运行的实用汽车的性能令人失望。但是，如果我们可以使用大型电池组，则可以存储不使用汽车时或从外部提供的太阳能中获得的能量。即使是澳大利亚的太阳能赛车，也可以在船上存储5 kWh的电能。让我们为在正常条件下驾驶做好准备。以今天的生产模型为例，Volt，Leaf和Tesla的额定电池容量分别为16、24和53 kWh。

假设我们要在汽车上或家中安装光伏（PV）设备，以提供所有果汁，要求一天的时间足以填满果汁。坦克。美国大陆上的一个典型位置每天平均会接受5个全日照时间。这意味着将白天/夜晚，太阳角度，季节和天气因素考虑在内，典型的面板一天中会收集的能量与如果持续高强度的太阳持续五个小时所能吸收的能量一样多。为了给Volt充电，需要一个能够产生3 kW峰值功率的阵列。特斯拉需要一个10千瓦的阵列来提供每日充电。所需的PV面积远远超过了汽车本身的可用面积（即使对于3 kW系统而言，效²率达到破破的30％，也需要10 m的面积；对于负担得起的面板，该面积是该面积的两倍）。

但这不是查看它的最佳方法。大多数人都在乎他们每天可以走多远。典型的电动汽车每行驶100英里需要30 kWh。因此，如果您的日常行进需要30英里的往返行程，则大约需要10 kWh，并且需要2 kW的光伏系统来提供每日果汁。您也许可以将其挤压到车顶上。

经济学如何计算？日复一日地保持这种每天30英里的行驶模式，每年的汽油成本约为1000美元（如果汽车的MPG约为40 MPG）。光伏的安装成本近来为每峰值瓦特4美元左右，因此2千瓦系统的成本为8000美元。因此，您抵消了（今天的）8年内的汽油价格。此数学运算适用于标准的15％效率面板，这排除了车顶解决方案。因此，从现在开始，我将主要关注固定式光伏发电。

实用性：独立的还是网格领带的？

啊？实用性。梦想变得凌乱。对于纯粹主义者来说，一辆完全太阳能的汽车将不会那么容易。太阳不符合我们严格的日程安排，无论如何，我们经常在充油时段将汽车停在家中。因此，要保持真正的太阳能状态，我们需要大量的家用存储设备来缓冲天气和充电时间表的不匹配。

这个想法是，您可以在一天结束时回家，给汽车充电，然后将存储的能量从固定的电池组转移到汽车的电池组中。您想要有几天可靠的果汁，因此我们正在谈论30至50 kWh的电池组。铅酸每千瓦时100美元，这会使系统成本增加4000美元左右。但是电池不能永远持续使用。根据电池的循环强度，电池可持续使用3到5年。较大的银行周期较浅，因此可以忍受更多周期，并且使用寿命更长，但是前期成本较高。

最终的结果是，固定电池组每年的成本约为1000美元，这恰好是我们最初用于汽油成本的成本。但是，我经常为经济争论而烦恼。对我来说，更重要的是您可以做到这一点。将汽油价格提高一倍，无论如何，我们将再次获得8年的投资回报。纯粹的经济决策往往是近视的，着眼于当今的状况（并在某种程度上尊重过去的趋势）。但是很少考虑像峰值油这样的基本相变：我们将需要替代选择，即使它们比我们今天享受的廉价选择更昂贵。

通往太阳能汽车的另一条路线是“并网光伏系统”。在这种情况下，您的夜间充电来自传统的生产投入（煤炭，天然气，核能和水力发电的区域差异很大），而白天的PV生产则可以为其他人的空调和其他白天的电力供电用电。因此，将2 kW的面板用于您的运输需求就可以抵消投入的净需求（在许多情况下为化石燃料），从而有效地平抑了需求变化。这是一个好趋势，因为它在夜间使用了其他方面未被充分利用的资源，并且（总体上）减轻了峰值负荷，因此也许不需要另一家化石燃料工厂来满足峰值需求。在此，个人不必为固定的电池组付费。电网充当电池，只要太阳能输入量保持很小，电池就可以正常工作。

令人放心的是，我们正在处理一种可能（如果价格昂贵）的运输选择，我必须公开一个额外的陷阱，以使玫瑰色的画面略微减少。与网格相比，捆绑式光伏系统，一个独立的系统必须建立额外的开销，以便电池可以充满电并有规律地进行调节。随着电池接近充满电，它们需要的电流更少，因此经常会丢弃潜在的太阳能。这具有充电效率（在电子设备和电池中均如此），通常需要两倍的PV支出才能获得与并网系统中相同的净输出能量。再次，如果我们去如果要在全面的网格上并列，我们将需要能够再次带来效率下降并需要更大补偿的存储解决方案。

太阳能运输的利基市场

Â带有SD车顶的UCSD高尔夫球车。

有一个利基市场，带有PV车顶的车辆可能会自我满足。最高时速25英里/小时的高尔夫球车（40 km / h）的速度对于邻居差事或小社区内的运输而言可能是有用的。它们重量轻，速度慢，因此每100英里可以达到15 kWh。因为行进距离可能很小，所以我们每天可能保持在10英里以内，每天需要1.5 kWh的输入功率。电池通常约为5 kWh，因此可以存储三天。值得在购物车中。每天平均需要五个完整的太阳小时，我们需要300 W的发电量，而这需要使用2平方米的15％效率的PV面板来实现。嘿! 这可能会起作用：自包含，自供电的运输。仅在天气不利于您时才将其插入。与独角兽不同，我在UCSD校园中看到了其中一种野兽工具！

题外话：汽车作为国家炮台？

如果我们最终将我们的石油动力汽车车队转换为具有大量可再生基础设施的电动汽车，该怎么办？汽车本身是否会提供我们需要用来平衡系统的存储空间？在美国，假设有2亿辆汽车，每辆汽车可存储30千瓦时的能源。在极端情况下，这可提供60亿千瓦时的存储容量，这比我曾说过我们希望允许使用完整的可再生能源方案的全尺寸电池小50倍。并假设汽车没有自己的要求：在需要时顺从地留在原地。实际上，与大自然在我们的太阳能/风能设备上投入的时间相比，汽车的日常工作时间表要严格得多（例如，需要能量进行通勤）。

我们应该尽力而为，但是将汽车作为国家的辅助工具并不能使我们走的很远。但是，这并不意味着车载存储不会提供某些基本服务。即使不尝试使我们的电动汽车承担双重任务（即从不要求将其反馈给电网），这样的车队仍将缓解石油需求，鼓励可再生电力生产，并通过优先在夜间耗电来充当负载平衡器。 。

我想要一辆太阳能汽车

我还想要《星球大战》中的陆地加速器，我们在使用时的轻型军刀和喷气背包。和小马。但是与许多这些愿望不同，太阳能汽车可以成为现实。我明天可以出去买Volt或Leaf，然后用我自己建造的离网光伏系统充电（尽管我首先需要稍微补充一下它，以满足我们每周有限的运输需求）。另外，我可以将太阳能充电的高尔夫球车停在阳光下，或者为带有小型PV系统的电动自行车充电，以解决周围的问题。满意程度稍差一些，我可以安装一个并网光伏发电系统，该系统的年产量足以抵消汽车的用电量。关键是，我可以使在加油站停下来成为过去（或者在插电式混合动力车的情况下至少很少出现）。

因此，太阳能汽车牢固地落在了现实幻想世界的现实方面。也就是说，纯太阳能运输（船上发电）将受到严重限制。更可靠的运输会带有细微差别，这可能会使纯粹主义者感到恼火。您可以贴上写有SOLAR POWERED CAR的保险杠贴纸，但是在大多数情况下，您需要在最后加一个星号，并加一个长脚注以确切说明您是如何实现该目标的。

通过。汤姆·墨菲

这是汤姆·墨菲（Tom Murphy）的特邀帖子。汤姆是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的物理学副教授。这篇文章最初出现在汤姆的博客《做数学》中。