全电动汽车（EV）由于很多原因，是当今设计、制造和销售方面的一个热门话题。尽管2020年在美国销售的汽车只有大约2%是纯电动汽车，但预计这一数字将在未来五年、十年和二十年内大幅增长。由于做此类预测的市场分析师和专家采用各种预测方法，预测结果从适度增长到大幅增长都有，因此会增长多少很难有个明确的答案。
然而，为何只考虑通过电网或先进的家用太阳能、水力、地热系统充电的电动汽车呢？为何不干脆将太阳能电池置于车顶上，从而有可能不需要连接到任何系统呢？它是属于个人的，可以携带，也是可以从永无止尽的免费来源取得的终极能源类型——还有什么比这更好的呢？
尽管听起来雄心勃勃，但有些公司正在开发通过此类面板充电的汽车（它们还包括为传统电动汽车充电的车载充电机）。此类汽车不是我们在著名的澳大利亚世界太阳能挑战赛（Australian World Solar Challenge）中所看到的那些车辆——该挑战赛已经举办了有三十多年之久，赛中共有三种等级的汽车（图1），其中甚至没有一辆是接近“可以在街道上合法行驶”的。
图1：澳大利亚世界太阳能挑战赛自1987年起每两年举办一次；它的参赛车辆都是独一无二的，而且没有一辆是接近“可以在街上合法行驶”的。（图片来源：澳大利亚世界太阳能挑战赛）
Lightyear（总部位于荷兰）是致力于开发可行驶的太阳能汽车的公司之一，他们开发的车型名为Lightyear One（图2）。该车具有大约50平方英尺（4.6m2）的太阳能电池和四个轻量级的电机（每个车轮一个），以将重量减到最轻，并延长续航里程，而非单一的电机和变速箱。
图2：Lightyear One看起来像是一辆传统的轿车，但是它能够完全独立地进行太阳能充电。（图片来源：Lightyear）
Lightyear One原型车据称，在充满电后，续航里程可超过440英里（700km）；一整天在阳光下的续航里程则可以达到40英里（64km）。若您想知道它的“价格”和“上市日期”，答案是“175,000美元”和在“明年”进行生产。在您表示“这太疯狂了”之前，该公司声称在欧洲预订的汽车已有160多辆，其中大部分是预先付好款项的（美国的销售计划在稍后进行）。
另外一家太阳能汽车的开发厂商是位于美国圣地亚哥市的Aptera Motors Corp。其Luna产品是一款两人、有像海鸥翅膀的三轮汽车（图3）。该车具有大约24平方英尺（2.2m2）的太阳能电池，据称在夏日的阳光下充电一整天后，其续航里程可达40英里；不论是来自太阳能还是电网，其配备的350V电池组在充满电后都可以让该车行驶250到1,000英里，具体取决于电池组的容量，其范围高达700Wh。
图3：Aptera Luna是一款三轮的太阳能汽车，据称在一整天充满电后，续航里程可达到40英里。（图片来源：Aptera Motors Corp.）
至于在价格上，该厂商表示明年将为美国客户提供续航里程为400英里的汽车版本，基本车型的起步价为29,800美元——远低于Lightyear One。该厂商将此车型归类于三轮摩托车，而不是汽车，藉以避免如安全气囊等某些监管要求。（该厂商表示在美国大多数的州，这种车辆不需要摩托车驾照，只需要一般的驾驶执照。）
由于使用了非常先进的复合材料，该车三个车轮的滚动阻力比四个车轮更低，而且其重量极轻。此外，Aptera还声称其成功的关键之一是远低于传统车辆的阻力系数（风阻）（图4）。请注意，阻力系数极为重要，因为阻力的影响会随着车辆速度的平方而增加。
图4：Aptera Luna的阻力系数是标准车辆的一半，但是典型世界太阳能挑战赛车辆（专为独特的比赛场景而设计）的两倍。（图片来源：Aptera Motors Corp.）
所有这些许诺都不错，但也许是反思现实的时候了。虽然我并不怀疑这些初创公司的诚意，但我却对其可能做出的乐观假设感到纳闷——基本的物理数字是很难克服的。在太阳、季节和地球纬度最佳的情况下，此类光伏电池可用的表面积也无法提供太大的电量；即使其效率大幅提升，抵达地球的太阳辐射量充其量也不是太多。
情况是这样的：地球表面大约99%的太阳辐射或短波辐射是介于紫外线和近红外线之间从0.3到3.0µm的区域。在地球大气层的上方，太阳辐射的强度约为1380W/m2，称为太阳常数。在纬度为40°的地方，由于大气衰减的缘故，在夏季月份日照正午的晴天，地表的太阳辐射强度值约为1000W/m2（请参见美国能源部的“Solar Radiation Basics”）。
利用您认为现在和在不久将来对光伏电池、电源转换及管理电路、逆变器、电池和电机而言属于实际的数字，自己“在信封背面”进行粗略的计算（图5），您可能会看到，即使在充满夏日阳光的“理想”条件下，可以捕获并随后可用的太阳能量是相当低的（请记住，一马力约为750W）。
图5：可以在数值分析的时候用这个用“信封背面”做成的独一无二的定制笔记簿进行粗略的估计——要注意的是，准确并非总是件好事，与意味着最终答案不切实际的准确性相比而言，粗略估计的数字通常更好。（图片来源：作者）
当然，由于云层、阴影、较短的白天和众多其他因素，这种情况会迅速恶化。再者，当阳光充足且汽车未使用时，通过增加更多电池捕获更多太阳能来增加潜在续航里程，意味着只会增加重量并造成续航里程缩短。
您对这些太阳能汽车是否可行有何看法？在这方面有许多问题，包括：
有许多疑问，也有很多观点——看起来我们得过几年再来做番审视了！
（原文刊登于EDN美国版，参考链接：Are solar-powered cars the ultimate electric vehicles?，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2022年1月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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