Работа учащихся 10 «Г» класса лицея 1575 САО г. Москвы

Работа учащихся 10 «Г» класса лицея 1575 САО г. Москвы
Гапановича Владимира
Семенова Георгия
Руководитель работы: Кошелева Нина Валерьевна,
учитель физики
Москва 2013 г.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
Таким образом, мы можем получить силу тока, необходимую для равномерного движения автомобиля
I = Cx *( P * v2 /2) * S * v / 0.95 * U
В автомобиле Toyota Prius 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 можно разместить 7
цепочек, а сила тока составит 7 * 3,5 А = 24,5 А.
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.
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.