太陽能已成為能源領域的重要角色。事實上，太陽能是增長最快的可再生能源，目前占2022年全球發電量的4.5%。

最普遍的太陽能技術是太陽能光伏(PV)電池，也就是通常所說的太陽能組件。光伏電池由半導體材料組成，可吸收入射光子并接收相互作用產生的電子。

由于單個光伏電池在這一過程中產生的電量微乎其微，因此光伏組件通常會連接數百個這樣的電池，光伏陣列則由連接光伏組件的網絡組成。數以百計的光伏組件排列成網格狀并朝向太陽，這種陣列被稱為太陽能電站。

隨著氣候變化危機繼續威脅全球，許多國家都在爭分奪秒，想方設法減輕危機影響?；剂虾推渌茐纳鷳B的燃料正被逐步淘汰，取而代之的是可再生替代品。因此，太陽能自然而然地引起了公眾的關注。隨著越來越多的太陽能組件的出現，研究人員進一步思考了太陽能可以攔截的其他市場。

運輸業不可避免地成為焦點。汽車是現代社會不可替代的一部分，但卻嚴重依賴化石燃料。目前，汽車行業正在經歷一場革命，向電氣化方向發展；這一轉變的一部分就是將重點放在可再生能源上。值得注意的是，太陽能汽車已成為一條值得探索的道路。太陽能汽車并非全新事物；有史以來第一輛太陽能汽車是在1955年由12個光伏電池和一個輕木底座制成的。

當然，這輛名為Sunmobile的汽車只是一輛手持模型車。然而，從那時起，真正的公路汽車已經出現，從1976年第一輛上街行駛的汽車，到目前正在開發的一系列未來主義車型，不一而足。概念很簡單，汽車中的集成太陽能電池利用太陽光發電，并將電能儲存在電池中，為汽車的其他部分供電。

然而，仍有許多需要改進的地方，即太陽能組件和車輛的經濟性和效率。此外，還必須考慮到太陽能組件增加的重量，要么減少重量，要么繞過這個問題。過去五年來，太陽能領域出現了無數創新，其中許多直接或間接促進了太陽能汽車的發展。

由于體積龐大，汽車所能收集的能量有限，這可能是太陽能汽車面臨的最大挑戰。出于安全和耐用性考慮，太陽能組件只能安裝在最大面積為4 平方米的汽車頂部。在理想情況下(晴朗的天空、赤道、晴朗陽光下的靜止車輛)，汽車頂部表面的太陽能輻照總量為每天34kWh。

然而，現代光伏電池的效率僅為 20%，因此每天約為7kWh。對于現代電動汽車(如日產聆風)來說，這么多的電量可以提供25英里的續航里程。雖然續航里程很短，但對于大多數駕駛者來說已經足夠。遺憾的是，太陽輻照度會因季節和緯度的不同而大大降低。例如，一輛冬季行駛在紐約的汽車在晴天的續航里程只有4英里，在陰天的續航里程可能不到1英里。因此，車輛及其動力系統必須具有令人難以置信的效率，才能最大限度地利用這些能源。

本文列舉了其中幾項進展，包括太陽能技術和動力系統組件方面的進展，這些進展將支持太陽能汽車的整體可行性。事實上，要使太陽能汽車切實可行，就必須提高太陽能組件的效率和成本，同時必須優化動力系統部件，使其適合使用太陽能。

AFPM 電機

一種可簡化太陽能汽車的設計，并將對汽車性能的影響降至最低的新型電機。2018年，一篇研究文章引起了人們對軸向磁通永磁(AFPM)機器的關注，這種機器的結構由轉子和定子組成，兩者之間有間隙，轉子和定子之間的磁通力與旋轉軸一致。由此產生的電機如圖所示，結構緊湊，同時能產生高扭矩，非常適合需要較小電機而又不影響性能的太陽能汽車型號。

此外，文章還提出了一種不同的設計，即用額外的轉子和定子磁盤代替傳統的鐵磁磁芯。這種無鐵芯設計以更大的電磁氣隙為代價以減少扭矩損失。通過這些電機的比較，研究人員試圖找出適合太陽能汽車的最佳AFPM電機。


在實驗中，研究人員考慮了兩種太陽能汽車模型：帶有一個后驅動輪的三輪模型和帶有兩個后驅動輪的四輪模型。電機嵌入在驅動輪中，去除了機械部件并簡化了整個系統?？紤]使用的兩種機器是傳統的單轉子-單定子鐵芯模型(如圖 2所示)，以及繞組集中在氣隙周圍的無鐵芯多盤結構。隨后，研究人員對這兩種機器的數千個候選設計方案進行了研究，優先考慮在保持所需扭矩的前提下，質量最小的設計方案。

經過研究，研究人員得出結論：無鐵芯設計更適合兩輪驅動的汽車模型，而單輪驅動的汽車模型則更適合傳統的AFPM電機。雖然由于無芯模型的扭矩限制較低，電機的效率略低，但四輪模型質量分布的改善抵消了這一限制，同時使汽車更緊湊，設計更簡單。雖然這種設計還需要更多的測試，但將電機放置在車輪中可以大大提高未來太陽能汽車模型的簡易性，在保持高效的同時，降低維修成本。

太陽能玻璃

其次，太陽能電池的創新推動了半透明光伏技術的發展，使透明太陽能組件成為可能。有機太陽能電池(OSC)利用有機聚合物或其他分子來吸收光線和傳輸電子。由于其成分，這些電池比傳統太陽能電池更輕、更靈活，同時生產成本更低，并具有半透明性。這些特性使得OSC在太陽能領域的應用相當普遍。特別是其半透明特性在窗戶上的應用引起了人們的關注，這種材料在發揮太陽能電池功能的同時，還能保持透過它所看到的景物的清晰度。

雖然從理論上講，OSC可用作窗戶，但在實踐中，這種結構由于能見度低和透光率差而表現不佳。為了解決這一問題，中國的一組研究人員于2022年開展了一項研究，在打印出OSC的同時，還在供體層和受體層引入了偽平面異質結(PPHJ)結構，用于提高平均可見光透過率(AVT)和功率轉換效率(PCE)。

然后，在玻璃封裝層上涂上一層疏水層，以便在不影響可見度的情況下實現長期防水性能。研究人員將實驗性OSC與傳統的不透明OSC進行了比較，發現實驗性電池的效率略低于不透明電池。

如表1所示，實驗結果非常顯著。與之前迭代的相同概念相比，實驗中的OSC玻璃有了明顯改善，這表明PPHJ結構相當成功。此外，疏水層也相當成功，這可以使玻璃在長期降雨條件下表現出最佳性能。AVT性能也相當顯著，約為20.42%。典型的汽車玻璃的視覺清晰度約為70-85%，雖然汽車的前窗、后窗和前側窗需要更高的清晰度，但后側窗可以自由使用這種材料，這將進一步提高整車的轉換效率。要提高一致性和清晰度，還需要進一步的測試，但就目前而言，PPHJ層在未來的太陽能玻璃型號中可能會變得司空見慣。

MPPT

為了解決天氣突變帶來的問題，日本的一個研究小組發表了一份研究報告，詳細介紹了適合安裝在太陽能汽車模型上的最大功率點跟蹤(MPPT)電路的構造。安裝在移動物體，尤其是像汽車這樣的快速移動物體上的太陽能電池，其發電量會因方向或陰影變化等條件帶來的陽光照射的變化而大幅波動。最大功率點跟蹤(MPPT)算法解決了這一常見的太陽能難題。該算法可從組件中提取最大可用功率，并優化次優條件下的發電量。MPPT電路對靜止的固定裝置很有效，但在運動過程中，急劇波動發生得太快，任何傳統機器都無法跟上。此外，對于太陽能汽車而言，太陽能電池的排列通常是為了優化汽車的空氣動力學性能，這意味著太陽能電池沒有排列整齊，陣列的特性也不均勻。

結果取得了巨大成功。MPPT電路為車輛的3000公里電路提供了充足的電力，大約持續了36小時22分鐘。對于每個功率為140W的太陽能電池組件，MPPT電路只需要機器輸出功率的0.17%。事實證明，這種電路是應對太陽輻射突變的一種實用的低耗電解決方案，MPPT電路在太陽能汽車中的應用似乎相當可行。由于這項研究主要關注的是賽車MPPT電路的實施，因此所產生的結構必須輕巧且符合空氣動力學要求，因此這項技術的未來迭代可以在不符合這些規范的情況下加以改進。MPPT技術在太陽能汽車中的前景一片光明。

碳中和汽車

在荷蘭，Eindhoven理工大學的一個學生研究團隊開發了一種太陽能汽車，這種汽車理論上在其整個使用壽命期間都將保持碳中和。名為“Zem”的原型車在車頂和引擎蓋上安裝了太陽能組件，用于最大限度地實現電力轉換。此外，這輛汽車還包含一個能夠捕獲二氧化碳的獨特過濾系統，從而有效捕捉自身和周圍環境的碳排放。

根據團隊的估算，假設汽車每年行駛20000英里，Zem就可以吸收2kg的二氧化碳。雖然這個數字看起來很小，但團隊希望能在更大范圍內實施這項技術。由于全球現有超過10億輛乘用車，因此這些車輛的大范圍使用將減少數十億公斤的碳排放。

此外，團隊還確保這些汽車的生產周期保持碳中和。汽車的底盤和車身面板都是3D打印的，這樣就不會產生殘余廢物，而且生產出來的循環塑料還可以回收用于其他用途。雖然這輛汽車還只是一種概念驗證，但這項技術和這些車型的清潔生產周期表明，環保技術的發展勢在必行。如果進一步的實驗證明是成功的，未來的太陽能汽車和一般汽車都可能擁有類似的碳捕集技術。

太陽能微型汽車

盡管許多公司已經推出了全尺寸太陽能汽車模型，但有一家公司特別將太陽能汽車的發展方向轉向了微型汽車。荷蘭公司Squad Mobility于2019年發布了理想城市汽車計劃：一種價格合理的小型太陽能電動汽車。這些計劃最終促成Squad Solar City Car于2022年在歐盟的上市，這是一款雙座太陽能汽車，在歐洲市場的售價僅為6250歐元。這輛車重約350千克(771 磅)，由兩個后輪內置電機和四個可更換的鋰離子電池組提供動力。

雖然這意味著在充滿電的情況下，該車只能以每小時45公里的速度行駛100公里，但這種車輛主要用于城市周邊的短途而非長途旅行。附帶的太陽能組件設計輕巧、高效，可為電池組提供大量太陽能，并能在陽光下為電池組充電。

除了私人所有外，Squad Mobility還為這種汽車制定了更多計劃。除了可以隨時更換空電池組并為空電池組充電的公共電池架外，公司還計劃推出一款共享移動應用，讓用戶可以在閑暇時使用公共太陽能汽車。此外，公司還計劃在2024年之前在美國推出這種汽車，不過，這種汽車在美國被歸類為低速車輛，因此在使用上比在歐盟18國受到更多限制。

盡管如此，這一項目的大面積可應用性和相對實惠的價格對于城市地區的許多潛在買家來說仍具有重要意義。雖然里程數讓一些人失望，但公司還在開發一種全尺寸的四座車型，以滿足那些需要一輛能行駛更遠路程的太陽能汽車的人的需求。如果項目取得成功，這些太陽能微型車可能會在各地的城市環境中普及。盡管它們的功能有限，但其價格對許多人來說相對便宜，而且小巧的體積確保了停車，出現其他儲能相關問題的可能性也大大降低。

太陽能汽車遠非新概念

太陽能汽車遠非一個新概念，太陽能技術正在進一步改進當中。

太陽能組件的成本更低，效率更高，太陽能玻璃等發明確保越來越多的太陽能組件可在公共設施中悄然發揮作用。許多太陽能汽車型號已經通過測試并計劃于2023年投產，更多型號仍在開發中。

在過去五年里，太陽能汽車電機、太陽能電池、最大功率檢測系統等方面的改進大大推進了這一領域的發展，而這一行業仍有待進一步發展。太陽能組件勢必會更加高效、更加靈活，太陽能組件將成為日常社會中不可替代的一個方面，為所有人提供清潔能源和可再生能源。 

原標題：太陽能汽車技術最新進展！