太陽(yáng)能汽車(chē)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

太陽(yáng)能汽車(chē)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

0低能耗的新型汽車(chē)近年來(lái)，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，導(dǎo)致能源不足、污染等現(xiàn)象。人們對(duì)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)環(huán)保性能提出了更高的要求,因此研究低能耗的新型汽車(chē)迫在眉睫。太陽(yáng)能資源豐富,設(shè)計(jì)性能良好的太陽(yáng)能汽車(chē),將有效降低環(huán)境污染,創(chuàng)造良好的生存環(huán)境。1汽車(chē)燃油、動(dòng)力學(xué)、舒適性和操作穩(wěn)定性汽車(chē)空氣動(dòng)力特性是汽車(chē)的重要特性之一,它直接影響汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力學(xué)、舒適性、安全性和操作穩(wěn)定性。要保證良好的氣動(dòng)性能,汽車(chē)必須具備良好的流線造型,下面就通過(guò)Inventor軟件來(lái)進(jìn)行太陽(yáng)能汽車(chē)的建模。1.1限制氣動(dòng)阻力車(chē)身頭部流線型對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)性能具有重要影響,將車(chē)頭的前端傾斜或者圓角化都有助于減少氣動(dòng)阻力。此外,將車(chē)頭流線化,并盡量減小車(chē)頭前部的正面投影面積,可減小氣動(dòng)阻力系數(shù)。汽車(chē)的尾部漩渦是形成空氣阻力的主要原因,文中采用快背式車(chē)尾,來(lái)自頂蓋前端的氣流與側(cè)面氣流混合,流向車(chē)身尾部,這股氣流會(huì)在后柱附近開(kāi)始分離,在后窗處出現(xiàn)一對(duì)渦流。1.2影響單車(chē)風(fēng)阻系數(shù)的因素車(chē)身的側(cè)面傾角a直接影響汽車(chē)的迎風(fēng)面積和車(chē)身的界面形狀,從而影響車(chē)身的風(fēng)阻系數(shù)。隨a的增大,汽車(chē)的迎風(fēng)面積會(huì)減小,風(fēng)阻系數(shù)會(huì)降低,但a過(guò)大時(shí),會(huì)導(dǎo)致車(chē)身內(nèi)部空間過(guò)小而不利于車(chē)身的布置。因此,選擇側(cè)面傾角a時(shí)要同時(shí)考慮氣動(dòng)性能和空間要求。1.3降低汽車(chē)空氣阻力發(fā)動(dòng)機(jī)罩和擋風(fēng)玻璃的曲面過(guò)渡要盡量圓滑。氣流從發(fā)動(dòng)機(jī)罩向上流向擋風(fēng)玻璃,因?yàn)閾躏L(fēng)玻璃的傾斜度遠(yuǎn)大于發(fā)動(dòng)機(jī)罩,氣流的方向會(huì)發(fā)生急劇改變,從而流速降低,產(chǎn)生巨大的空氣阻力。如果擋風(fēng)玻璃和發(fā)動(dòng)機(jī)罩之間平滑過(guò)渡,就能大大降低汽車(chē)受到的空氣阻力。文中汽車(chē)模型前風(fēng)窗與垂直面的夾角約為40°,具備較小的阻力系數(shù),同時(shí)駕駛員的視覺(jué)效果也較好。1.4太陽(yáng)能汽車(chē)底部離地間隙在車(chē)身設(shè)計(jì)時(shí),要盡量采用平滑的頂蓋,頂蓋邊緣過(guò)渡要圓滑,盡量減少表面渦流的產(chǎn)生,文中將頂蓋設(shè)計(jì)成向外凸出的外形,有利于氣流更好的通過(guò)車(chē)頂。汽車(chē)底部通常凹凸不平,在行駛時(shí)會(huì)形成復(fù)雜而混亂的漩渦,增大了汽車(chē)的行駛阻力。若太陽(yáng)能汽車(chē)底部采用平板設(shè)計(jì),氣流就會(huì)非常順暢的通過(guò)。除了考慮底部平整度外,還要考慮離地間隙的大小,文中設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能汽車(chē)離地間隙為300mm。圖1為利用Inventor創(chuàng)建的太陽(yáng)能汽車(chē)模型,具體尺寸為:長(zhǎng)L=4800mm,寬W=2200mm,高H=1000mm。2能源汽車(chē)的流量分析2.1汽車(chē)網(wǎng)格的繪制忽略刮雨器、進(jìn)氣柵等裝置,車(chē)身底部設(shè)置成簡(jiǎn)單的平板形狀。計(jì)算域的取法為:汽車(chē)前部取3L=14400mm,側(cè)面取4W=8800mm,上部取4H=4000mm,汽車(chē)后部取6L=28800mm。繪制網(wǎng)格時(shí),車(chē)身表面及其附近是關(guān)鍵區(qū)域,設(shè)置intervalsize=5,繪制出比較細(xì)密的網(wǎng)格。而對(duì)于離車(chē)身較遠(yuǎn)的外圍場(chǎng),設(shè)置intervalsize=20,繪制比較稀疏的網(wǎng)格,最后對(duì)整個(gè)體用自動(dòng)劃分的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最終所劃網(wǎng)格見(jiàn)圖2。2.2壁面條件對(duì)比入口邊界條件設(shè)為速度入口;出口邊界條件設(shè)為壓力出口;車(chē)身上下表面均為固定壁面條件,其它條件默認(rèn)。因設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能汽車(chē)車(chē)速比較低,可以認(rèn)為氣流是不可壓縮流動(dòng),湍流模型選擇RNGk-ε模型,采用SIMPLE算法求解壓力-速度耦合,離散格式采用二階迎風(fēng)格式,殘差值設(shè)定為0.00001。2.3模擬結(jié)果分析2.3.1氣流進(jìn)入車(chē)輪的方向圖3為車(chē)身中軸對(duì)稱(chēng)面速度矢量分布圖,從圖中可以看出:氣流首先流到車(chē)身頭部,氣流受到阻礙,形成一個(gè)比較大的阻滯區(qū)。一部分氣流繞過(guò)車(chē)頭,向車(chē)頂方向流去,而另一部分則直接向車(chē)尾流去。氣流在流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前擋風(fēng)玻璃時(shí)比較順暢,當(dāng)氣流到達(dá)頂蓋時(shí),氣流開(kāi)始出現(xiàn)分離,一部分氣流直接向后流去,另一部分氣流則沿著車(chē)身后風(fēng)窗玻璃流向車(chē)尾,并與來(lái)自側(cè)面的氣流混合,一起流向車(chē)尾,遇到車(chē)身底部的氣流,形成渦流。從仿真結(jié)果可以看出,汽車(chē)尾部的渦流區(qū)域并不大,從而證明所設(shè)計(jì)模型氣動(dòng)造型較好。2.3.2由u3000氣流進(jìn)入困境區(qū)域圖4為車(chē)身表面壓力分布圖,從圖中可以發(fā)現(xiàn),車(chē)頭前部以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前風(fēng)窗區(qū)域均為正壓力區(qū),這是因?yàn)闅饬鹘?jīng)過(guò)車(chē)頭時(shí),受到很大阻礙,對(duì)車(chē)身表面產(chǎn)生沖擊,形成正壓區(qū)。氣流經(jīng)過(guò)車(chē)頂流向后風(fēng)窗時(shí),產(chǎn)生分離,致使該區(qū)域?yàn)樨?fù)壓區(qū)。而從后風(fēng)窗區(qū)域及側(cè)面流過(guò)來(lái)的氣流混合后,一起流向車(chē)尾,與車(chē)底流出的氣流混合在一起形成漩渦,并沖擊車(chē)身尾部,致使車(chē)尾出現(xiàn)小部分的正壓區(qū)域。2.3.3尾類(lèi)安排氣動(dòng)力的仿真圖5是車(chē)身尾部和車(chē)身后200mm處的縱截面速度矢量圖,圖a是車(chē)尾的縱截面圖,尾部氣流比較紊亂,有兩個(gè)逆向的漩渦,一個(gè)為順時(shí)針,另外一個(gè)為逆時(shí)針;往后到200mm處時(shí),氣流的渦旋已比較規(guī)則。3太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)的匹配3.1太陽(yáng)能電池3.2汽車(chē)電控性能仿真模型式中:Pe:發(fā)動(dòng)機(jī)正常行駛時(shí)額定功率;ηt:傳動(dòng)效率,分析當(dāng)前車(chē)輛傳動(dòng)效率,取值0.95;V:汽車(chē)行駛速度,取值60km/h;A:汽車(chē)的正面投影面積,由Inventor直接計(jì)算獲得A=2.2m2;CD:風(fēng)阻系數(shù),利用Fluent仿真分析中求得CD=0.128;m:汽車(chē)重量,太陽(yáng)能汽車(chē)的車(chē)身及大部分車(chē)體部位采用碳纖維材料,m約為100KG。當(dāng)攜帶一名60KG的司機(jī)時(shí),汽車(chē)的總重m=160KG;f:滾動(dòng)阻力系數(shù),設(shè)定路面為一般的瀝青路面,取f=0.018;因此,所需發(fā)動(dòng)機(jī)功率Pe=1.34KW。通過(guò)對(duì)常用太陽(yáng)能電池板的分析研究,選用海納通SW-280W-P多晶硅太陽(yáng)能電池板,其功率p=280w,規(guī)格參數(shù):1955×988×3.2mm,由汽車(chē)尺寸可估算車(chē)身實(shí)際可覆蓋太陽(yáng)能電池板面積約為S=10.16m2。因此,車(chē)身表面太陽(yáng)能電池可提供功率:因此文中設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能汽車(chē)能夠保證車(chē)輛以60km/h的速度在平坦路面上行駛,其動(dòng)力性能良好。4太陽(yáng)能汽車(chē)的仿真分析文中對(duì)于通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能汽車(chē)進(jìn)行造型及動(dòng)力匹配,得出了以下結(jié)論:(1)基于空氣動(dòng)力學(xué)理論,利用Inventor軟件建立了太陽(yáng)能汽車(chē)的模型。(2)利用Gambit軟件劃分網(wǎng)格,并在Fluent中對(duì)汽車(chē)的氣動(dòng)性能進(jìn)行了仿真分析,研究了太陽(yáng)能汽車(chē)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、尾部氣流等的分布情況。(3)計(jì)算一定速度運(yùn)行時(shí)所需要的功率,確定太陽(yáng)能電池板的型號(hào)及數(shù)量。但因太陽(yáng)能收集效率低、能量?jī)?chǔ)存困難,制造成本高,從而實(shí)用型太陽(yáng)能汽車(chē)還較少。將來(lái),隨著科技的發(fā)展,太陽(yáng)能汽車(chē)將會(huì)取得更大的發(fā)展。太陽(yáng)能電池又稱(chēng)太