柔性太阳能电池板与车身一体化设计

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【摘要】设计一种由柔性太阳能电池板和水滴形流线车身组成的节能车身。太阳能电池系统采用柔光电转化效率高性单晶硅太阳能电池板。车身设计成水滴形以满足采光面积与车身风阻系数之间的平衡，通过流体力学软件fluent分析车身在模拟件下气体流速、压力分布情况。试验结果表明，在阳光充足的情况下，节能车续航15公里。

【关键词】柔性太阳能电池；水滴形车身；一体化；流体力学

1引言

近年来，随着世界能源消费的迅速增长，能源危机与环境压力已经成为全球的焦点。在中国政府的推动下，我国新能源汽车产业增长迅猛，目前国内纯电动汽车的现总数量已突破80万。且国家把节约能源和新能源汽车作为重点发展工作。目前市场上销售的新能源汽车，纯电动汽车还占据着主导地位，因目前电池容量以及充电桩问题还未完全解决，因此远距离行驶是阻碍其发展的主要因素。太阳能是取之不尽的清洁能源，将其用于汽车动力源，通过整车铺设的太阳能板以及控制元件将太阳能转变为电能。相比于传统电动汽车续航里程短，太阳能汽车将不插电远距离续航行驶成为现实。大众汽车、辽宁太阳能研究应用有限以及杭州华鼎太阳能科技有限公司都涉足过太阳能电池汽车。本课题设计与制造的柔性太阳能电池板与车身一体化的节能车，主要任务是对传统太阳能车进行优化设计，以太阳能电池板与车身一体化为核心，进一步提高太阳能节能车的续航性能，为未来太阳能汽车发展提供方向。

2选型

2.1太阳能电池板的选择。本项目的流线形车身的太阳能电池采用可弯曲一定程度的单晶硅太阳能电池板。上述所介绍的市场常见的三类太阳能电池，由于单晶硅太阳能电池的光电转化效率居于榜首，且柔性足够能满足与车身一体化的要求，因此本设计选用此种柔性单晶硅太阳能电池板可在保证一定弯曲性能的前提下实现较高的光电转换效率，从而达到满足弯曲度的同时实现较高发电功率的目的。单晶太阳能电池光电效率为15%～24%，多晶硅太阳能电池为12%～15%，非晶硅太阳能电池为10%左右。本节能车采用的柔性单晶硅太阳能电池板[1]。2.2车身形状的选择。在车身外形设计过程中，从降低车辆运行过程中的气动阻力出发，根据人体工程学知识，综合性设计汽车整体外形，确保车身造型能够满足实际的使用需求，并给人们美好体验和视觉享受[2]。为降低太阳能车身的风阻系数，根据查询获得不同外形的CD值：圆形的为0.47，半圆形的为0.42，三角形的0.50，水滴形的0.04，菱形的0.80[3]等。可见水滴的风阻系数极低，仅为0.04；将水滴造型应用于车身设计，可实现车身的低风阻化。同时，基于水滴形对车身实际造型，使太阳能电池板覆盖面积最大化，达到太阳能电池板面积与风阻系数之间的平衡。

3理论分析

将太阳能电池板与车身一体化需要对上述选形分析，满足电池板和车身贴合的目的。柔性太阳能电池板与车身一体化的流线形车身流体动力学分析使用的是具有网格生成功能和3D物体几何建模功能的ICEMCFD网格划分软件，然后利用非结构化四面体的形式将划分好的车身网格导入Fluent软件，对其进行前处理的数值设置后进行数值计算模拟，最后在ANSYSWorkbench中的后处理分析软件CFD-Post中得到压力云图、速度矢量图。图1所示，太阳能车身表面的压强范围为-719～535Pa，车身前端部位所受到的压强最高，前端侧面和车顶处压强最低。由于水滴形车身前脸部位阻碍Y轴流向的空气流动，导致流线形车身前部的计算部分压强最大，在车身尾尖处出现流动分离，导致临近车身尾端部分的计算部分底出现的压强波动呈逐渐减小趋势。图2所示水滴形车身头端部位将阻挡的空气分流为上、下两部分，由伯努利原理可知，车身上端凸起的曲面造型使得车身上部的气流速度比车身底部的气流速度快，使水滴流线形车身上下两端的空气流不相等，上下面的气流会在都到达车身尾部的中间部位时会形成涡流。根据选型和理论计算，通过成型抽空工艺，最后形成如图3所示的柔性太阳能电池与一体化车身。

4试验验证

将上述柔性太阳能电池板与车身一体化样品与转向系、传动系、行驶系、制动系组成节能车，进行整车测试。节能车在良好光照条件下充电2小时，记录充电前后蓄电池电压。随后断开充电电路，节能车在标准测试条件下以25km/h车速持续行驶，直至蓄电池电压降至46V，用码表记录续航里程。重复实验10组，平均续航里程15公里。

参考文献

[1]刘海金.晶体硅太阳电池的应用及发展[J].电子世界,2014(18):435．

[2]王瑞丽.汽车车身造型设计方法[J].现代商贸工业,2016(34):500-501．

[3]李彦龙.低风阻分体式电动汽车造型设计[J].同济大学学报,2017(9):1359-1365．

作者:沈佳斌 梅光辉 伍溟 钱文文 田玉荣 张轶男 姚喜贵 单位:宁波工程学院