СОВРЕМЕННЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ПРИМЕНЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ В АВТОМОБИЛЕ

1. СОВРЕМЕННЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ПРИМЕНЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ В АВТОМОБИЛЕ Работа учащихся 10 «Г» класса лицея 1575 САО г. Москвы Гапановича Владимира Семенова Георгия Руководитель работы: Кошелева Нина Валерьевна, учитель физики Москва 2013 г.

2. Актуальность 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.

3. Проблема 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.

4. Цель 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.

5. Задачи 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.

6. Гипотеза 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.

7. СХЕМАТИЧНОЕ УСТРОЙСТВО АВТОМОБИЛЯ.

8. УСТРОЙСТВО СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ 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.

9. Установка ФЭП на крышуавтомобиля Toyota Prius 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 * v2 / 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/м3 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 м2 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 * v2 /2) * S * v

10. Таким образом, мы можем получить силу тока, необходимую для равномерного движения автомобиля I = Cx *( P * v2 /2) * S * v / 0.95 * U В автомобиле ToyotaPrius 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): Еакк = I * t Следовательно, время до полной разрядки накопителя при равномерном движении на скорости 30 км/ч составит: • t = Eакк / I = Eакк/ Cx *( P * v2 /2) * S * v / 0.95 * U = 240 * 40 / 0.25 * (1.25 кг/м3 * (30км/ч)2)/2* 2,449 м2 * 30км/ч / 0,95 * 12В = 10.81 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 м2 • Длина одной цепочки 0,08 м *0,15 м * 24 = 0,288 м2,следовательно на крыше можноразместить 7 цепочек, а сила тока составит 7 * 3,5 А = 24,5 А.

11. Получаем, что солнечная батарея за время движения в течение 10,81 часа при условии непрерывного освещения увеличит заряд аккумулятора Ефэп = Iфэп * t = 24,5 А * 10,81 часа = 264,85 Ампер-часов Е общ = Е акк+ Е фэп Тогда новое время движения изменится t = Eакк + Е фэп / I = Eакк/ Cx *( P * v2 /2) * S * v / 0.95 * U = 240 * 40 + 264,85/ 0.25 * (1.25 кг/м3 * (30км/ч)2)/2* 2,449 м2 * 30к/ч / 0,95 * 12В = 11,11 часа Таким образом движение увеличится на 0,3 часа, т.е. 18 минут.

12. Вывод 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.

13. Спасибо за внимание!