车载光伏的新方案 -北京、安徽应天公司联合推出大型轻量化刚性光伏组件

1.  问题的提出  

    经过半个世纪的努力，光伏组件已经在地面、建筑等固定物上大量安装和应用，而 车载光伏却仍然停留在初期发展的阶段，其应用和安装存在重要的技术瓶颈。随着近些 年来固定光伏的平价上网的逐步实行，移动光伏已成为工业界追求产品更高附加值的下一个开拓的应用领域，有人预言光伏的活力在于移动。  
 从上世纪世界太阳能汽车比赛开始，车载光伏的研发和应用已经搞了几十年了。其 进展缓慢的主要瓶颈在于目前光伏组件的笨重性和安全性。晶硅光伏组件在固定物上的成功，使得人们想以最简单的方法将玻璃封装的光伏组件直接移植到车辆上。这样的实践在绝大多数情况下已被证明是不可行的，沉重的光伏组件给机动车辆所增加的能量有相当部分会被载重量的提高所增加的耗电量所抵消，这是一个简单的初中物理问题，载重量的提高正比于摩擦力的增加，而摩擦力的增加又正比于电机的耗电量。另外，一个面积硕大的玻璃制品（尽管是钢化了的），安装在机动车的顶上，其安全性永远是一个重 大的隐患，不但是因为玻璃的易碎性，笨重的光伏组件所形成的机动车的头重脚轻的力学状态，会极大的破坏机动车在颠簸道路上的结构稳定性。  
  正因为以上的原因，近些年来当轻质的柔性光伏逐渐面世的时候，由于其轻便性，人们立即试图将他们安装在车上使用。经过几年的实践，其重大的缺陷又显露了出来。柔性光伏组件作为车载使用的主要技术瓶颈在于安装方式所带来的短寿命和散热问题。柔性组件由于缺乏本身的支撑性，安装时必须用胶、胶条或者铆钉将他们固定在车顶上， 这样的固定与车顶盖板的间隙非常小或者是没有间隙，这就使得组件在吸收阳光时所产生的 70％的热量不能通过空气对流的方法散失。其热量不但使得晶硅的发电效率急剧下降，而部分热量会通过车辆的金属顶板传递到车辆的内部，以使得车辆内部温度的上升比没有光伏板的情况更高，形成了得不偿失的情况。另外，多年以前，中科院理论物理所的陈应天教授曾经对柔性光伏在车载使用时会产生的一种损坏机理提出过“弦震动”理论，从而警告柔性光伏是不能应用在机动车上的。用简单的语言来解释这个理论，就是说当一根柔性的弦两端固定在运动机架上时，宽频的震动总会有一个频率能够引起弦 的共振。柔性的光伏在车顶上的固定，由于固定方法的复杂性和不规则性，柔性光伏的 中空部分会形成各式各样的震动弦，他们在机动车运动的情况下，其产生的共振运动会使得脆弱的晶硅光伏电池产生隐裂，继而产生破损，以致很快失效。这是柔性组件在固 定物（如建筑屋顶）上可以维持较长寿命，而作为车载光伏却极易受到损害的主要原因。 近些年的实践已经证实了陈教授弦震动理论的正确性。  

2.   新的解决方案  

   综上所述，一个能够持续发展的车载光伏必须满足这样的条件，它既有传统玻璃光 伏的自支撑性，又具有柔性光伏的轻便性，也就是说车载光伏必须是轻量化的刚性光伏 组件。研制具有这样性质的组件，需要在材料学、力学、化学等学科技术方面的各种突破。北京应天阳光太阳能技术有限公司和安徽应天新能源有限公司为此坚持技术创新和 新产品研发，经历了近十年的艰苦路程。最近研制成功一种使用有机硅作为填充材料， 纳米氟材料作为聚合物表面，HPL 木维复合铝蜂窝作为下板的轻量化光伏组件，达到了IEC 国际标准。在近期的第 15 届国际上海光伏展览会和论坛上宣布和推出后，立即受到了各界的关注，特别是车载光伏应用商的关注。  

   新的应天太阳能板的重量比从传统的每瓦 60g 降为典型的每瓦 25g，最低可以达到 每瓦7.5g，其产品已用于航天器的光伏能源系统。每瓦25g 左右的应天太阳能板，具有铝蜂窝板相近的挺度和刚性，其下板的木纤维材料所提供的绝缘和隔断作用用于车载光伏是绰绰有余的。另外，液体有机硅冷封装的新工艺又使得封装过程摆脱了光伏层压机的限制，可以制造出任意尺寸、任何形状的光伏板，从而对各种不同的车辆，包括电动三轮、房车、新能源车、观光车、各式游艇等等，有非常高的空间适应性。  

   应天太阳能板的产生使得大型车载组件的应用得以实现，这就开辟了一种纯光伏电动车的诞生的道路。下图所示的电机为0.8KW 的通用电动三轮，装备了一块 530W 的应天太阳能板后，日发电量在一般天气下可以达到3.8 度电，实际运转证明在不充电的情况下日续航距离可以达到100KM，从这里我们看到了实现纯光伏驱动电动三轮的曙光。  

    应天太阳能板的轻便性避免了机动车设计中头重脚轻的问题，其自支撑性又给光伏板的安装高度提供了新的可能性。下图所示的一部电动三轮，其光伏板的安装高度达到了 1.75m，光伏板的背部同车辆箱体底板的高度达到了 1.15m，完全不影响电动三轮作为货物运载的空间需求，在农村的应用中可以适用于绝大部分货物包括谷物、肥料、家具等的装卸。另外，整片的刚性应天太阳能板也能随着货斗的倾斜而改变角度，在农村工作场地可以随意调节到太阳入射的角度，以达到最好的吸收光能的作用。这样的电动三轮，可以在抽水、灌溉、捕鱼等农业工作中起到能源方仓的作用。图中所示的改装车辆具有435W 的单片应天太阳能板，板重不超过12KG，正常情况下的续航距离可达80km以上。  

    应天太阳能板的轻便性给移动式伸缩光伏组件提供了方便，下图所示的样车，是一种机翼可展开式的四轮电动车。在运行时，两翼下垂，其充电的功率大约为400W，停车的状态可以将两翼伸开 （其翼高高于一般汽车的高度），其充电功率可以达到700W。  

    应天太阳能板还包括了一种半柔性的，更加轻便的组件，用于安装在车辆的直立面上。由于是垂直安装，这种半柔性组件可以减少上面所提到的弦震动的光伏损伤。

是由这种设计方案所安装的一种快递电动三轮车的图片。这样的安装方法在夏天太阳高度角较高和冬天太阳高度角较低的情况下，对太阳能吸收有互补的作用。安装近一年的 实际运行，表明其日续航距离可以达到平均65KM 的指标。  

3.   结束语  

                                                                
         能源供给的间断性是车载光伏的天然缺陷，克服此缺陷的唯一方法是增大光伏面积，这就对光伏组件的重量比提出了非常严苛的要求。应天公司所推出的大型轻量化刚性光伏组件对以上挑战提出了解决方案，可能会迎来纯光伏电动车的诞生。然而，由于前些年来在车载光伏实践中所出现的种种问题，特别是一些劣质光伏给消费者造成的伤害的记忆效应，市场目前尚未准备好接受这样一个变革。相信经过更 多的努力，更多高质量轻质光伏板的推出，更多的优良数据的出现，车载光伏的春天会在应天太阳能板的帮助下，很快到来的。