太阳能已成为能源领域的重要角色。事实上，太阳能是增长最快的可再生能源，目前占2022年全球发电量的4.5%。
最普遍的太阳能技术是太阳能光伏(PV)电池，也就是通常所说的太阳能组件。光伏电池由半导体材料组成，可吸收入射光子并接收相互作用产生的电子。
由于单个光伏电池在这一过程中产生的电量微乎其微，因此光伏组件通常会连接数百个这样的电池，光伏阵列则由连接光伏组件的网络组成。如图1所示，数以百计的光伏组件排列成网格状并朝向太阳，这种阵列被称为太阳能电站。
随着气候变化危机继续威胁全球，许多国家都在争分夺秒，想方设法减轻危机影响。化石燃料和其他破坏生态的燃料正被逐步淘汰，取而代之的是可再生替代品。因此，太阳能自然而然地引起了公众的关注。随着越来越多的太阳能组件的出现，研究人员进一步思考了太阳能可以拦截的其他市场。
运输业不可避免地成为焦点。汽车是现代社会不可替代的一部分，但却严重依赖化石燃料。目前，汽车行业正在经历一场革命，向电气化方向发展；这一转变的一部分就是将重点放在可再生能源上。值得注意的是，太阳能汽车已成为一条值得探索的道路。太阳能汽车并非全新事物；有史以来第一辆太阳能汽车是在1955年由12个光伏电池和一个轻木底座制成的。
当然，这辆名为Sunmobile的汽车只是一辆手持模型车。然而，从那时起，真正的公路汽车已经出现，从1976年第一辆上街行驶的汽车，到目前正在开发的一系列未来主义车型，不一而足。概念很简单，汽车中的集成太阳能电池利用太阳光发电，并将电能储存在电池中，为汽车的其他部分供电。
然而，仍有许多需要改进的地方，即太阳能组件和车辆的经济性和效率。此外，还必须考虑到太阳能组件增加的重量，要么减少重量，要么绕过这个问题。过去五年来，太阳能领域出现了无数创新，其中许多直接或间接促进了太阳能汽车的发展。
由于体积庞大，汽车所能收集的能量有限，这可能是太阳能汽车面临的最大挑战。出于安全和耐用性考虑，太阳能组件只能安装在最大面积为4平方米的汽车顶部。在理想情况下(晴朗的天空、赤道、晴朗阳光下的静止车辆)，汽车顶部表面的太阳能辐照总量为每天34kWh。
然而，现代光伏电池的效率仅为20%，因此每天约为7kWh。对于现代电动汽车(如日产聆风)来说，这么多的电量可以提供25英里的续航里程。虽然续航里程很短，但对于大多数驾驶者来说已经足够。遗憾的是，太阳辐照度会因季节和纬度的不同而大大降低。例如，一辆冬季行驶在纽约的汽车在晴天的续航里程只有4英里，在阴天的续航里程可能不到1英里。因此，车辆及其动力系统必须具有令人难以置信的效率，才能最大限度地利用这些能源。
本文列举了其中几项进展，包括太阳能技术和动力系统组件方面的进展，这些进展将支持太阳能汽车的整体可行性。事实上，要使太阳能汽车切实可行，就必须提高太阳能组件的效率和成本，同时必须优化动力系统部件，使其适合使用太阳能。
AFPM电机
一种可简化太阳能汽车的设计，并将对汽车性能的影响降至最低的新型电机。2018年，一篇研究文章引起了人们对轴向磁通永磁(AFPM)机器的关注，这种机器的结构由转子和定子组成，两者之间有间隙，转子和定子之间的磁通力与旋转轴一致。由此产生的电机如图2所示，结构紧凑，同时能产生高扭矩，非常适合需要较小电机而又不影响性能的太阳能汽车型号。
此外，文章还提出了一种不同的设计，即用额外的转子和定子磁盘代替传统的铁磁磁芯。这种无铁芯设计以更大的电磁气隙为代价以减少扭矩损失。通过这些电机的比较，研究人员试图找出适合太阳能汽车的最佳AFPM电机。
在实验中，研究人员考虑了两种太阳能汽车模型：带有一个后驱动轮的三轮模型和带有两个后驱动轮的四轮模型。电机嵌入在驱动轮中，去除了机械部件并简化了整个系统。考虑使用的两种机器是传统的单转子-单定子铁芯模型(如图2所示)，以及绕组集中在气隙周围的无铁芯多盘结构。随后，研究人员对这两种机器的数千个候选设计方案进行了研究，优先考虑在保持所需扭矩的前提下，质量最小的设计方案。
经过研究，研究人员得出结论：无铁芯设计更适合两轮驱动的汽车模型，而单轮驱动的汽车模型则更适合传统的AFPM电机。虽然由于无芯模型的扭矩限制较低，电机的效率略低，但四轮模型质量分布的改善抵消了这一限制，同时使汽车更紧凑，设计更简单。虽然这种设计还需要更多的测试，但将电机放置在车轮中可以大大提高未来太阳能汽车模型的简易性，在保持高效的同时，降低维修成本。
太阳能玻璃
其次，太阳能电池的创新推动了半透明光伏技术的发展，使透明太阳能组件成为可能。有机太阳能电池(OSC)利用有机聚合物或其他分子来吸收光线和传输电子。由于其成分，这些电池比传统太阳能电池更轻、更灵活，同时生产成本更低，并具有半透明性。这些特性使得OSC在太阳能领域的应用相当普遍。特别是其半透明特性在窗户上的应用引起了人们的关注，这种材料在发挥太阳能电池功能的同时，还能保持透过它所看到的景物的清晰度。
虽然从理论上讲，OSC可用作窗户，但在实践中，这种结构由于能见度低和透光率差而表现不佳。为了解决这一问题，中国的一组研究人员于2022年开展了一项研究，在打印出OSC的同时，还在供体层和受体层引入了伪平面异质结(PPHJ)结构，用于提高平均可见光透过率(AVT)和功率转换效率(PCE)。
然后，在玻璃封装层上涂上一层疏水层，以便在不影响可见度的情况下实现长期防水性能。研究人员将实验性OSC与传统的不透明OSC进行了比较，发现实验性电池的效率略低于不透明电池。
如表1所示，实验结果非常显著。与之前迭代的相同概念相比，实验中的OSC玻璃有了明显改善，这表明PPHJ结构相当成功。此外，疏水层也相当成功，这可以使玻璃在长期降雨条件下表现出最佳性能。AVT性能也相当显著，约为20.42%。典型的汽车玻璃的视觉清晰度约为70-85%，虽然汽车的前窗、后窗和前侧窗需要更高的清晰度，但后侧窗可以自由使用这种材料，这将进一步提高整车的转换效率。要提高一致性和清晰度，还需要进一步的测试，但就目前而言，PPHJ层在未来的太阳能玻璃型号中可能会变得司空见惯。
MPPT
为了解决天气突变带来的问题，日本的一个研究小组发表了一份研究报告，详细介绍了适合安装在太阳能汽车模型上的最大功率点跟踪(MPPT)电路的构造。安装在移动物体，尤其是像汽车这样的快速移动物体上的太阳能电池，其发电量会因方向或阴影变化等条件带来的阳光照射的变化而大幅波动。最大功率点跟踪(MPPT)算法解决了这一常见的太阳能难题。该算法可从组件中提取最大可用功率，并优化次优条件下的发电量。MPPT电路对静止的固定装置很有效，但在运动过程中，急剧波动发生得太快，任何传统机器都无法跟上。此外，对于太阳能汽车而言，太阳能电池的排列通常是为了优化汽车的空气动力学性能，这意味着太阳能电池没有排列整齐，阵列的特性也不均匀。
结果取得了巨大成功。MPPT电路为车辆的3000公里电路提供了充足的电力，大约持续了36小时22分钟。对于每个功率为140W的太阳能电池组件，MPPT电路只需要机器输出功率的0.17%。事实证明，这种电路是应对太阳辐射突变的一种实用的低耗电解决方案，MPPT电路在太阳能汽车中的应用似乎相当可行。由于这项研究主要关注的是赛车MPPT电路的实施，因此所产生的结构必须轻巧且符合空气动力学要求，因此这项技术的未来迭代可以在不符合这些规范的情况下加以改进。MPPT技术在太阳能汽车中的前景一片光明。
碳中和汽车
在荷兰，Eindhoven理工大学的一个学生研究团队开发了一种太阳能汽车，这种汽车理论上在其整个使用寿命期间都将保持碳中和。如图3所示，这辆名为“Zem”的原型车在车顶和引擎盖上安装了太阳能组件，用于最大限度地实现电力转换。此外，这辆汽车还包含一个能够捕获二氧化碳的独特过滤系统，从而有效捕捉自身和周围环境的碳排放。
根据团队的估算，假设汽车每年行驶20000英里，Zem就可以吸收2kg的二氧化碳。虽然这个数字看起来很小，但团队希望能在更大范围内实施这项技术。由于全球现有超过10亿辆乘用车，因此这些车辆的大范围使用将减少数十亿公斤的碳排放。
此外，团队还确保这些汽车的生产周期保持碳中和。汽车的底盘和车身面板都是3D打印的，这样就不会产生残余废物，而且生产出来的循环塑料还可以回收用于其他用途。虽然这辆汽车还只是一种概念验证，但这项技术和这些车型的清洁生产周期表明，环保技术的发展势在必行。如果进一步的实验证明是成功的，未来的太阳能汽车和一般汽车都可能拥有类似的碳捕集技术。
太阳能微型汽车
尽管许多公司已经推出了全尺寸太阳能汽车模型，但有一家公司特别将太阳能汽车的发展方向转向了微型汽车。荷兰公司Squad Mobility于2019年发布了理想城市汽车计划：一种价格合理的小型太阳能电动汽车。这些计划最终促成Squad Solar City Car于2022年在欧盟的上市，这是一款双座太阳能汽车，在欧洲市场的售价仅为6250欧元。这辆车重约350千克(771磅)，由两个后轮内置电机和四个可更换的锂离子电池组提供动力。
虽然这意味着在充满电的情况下，该车只能以每小时45公里的速度行驶100公里，但这种车辆主要用于城市周边的短途而非长途旅行。附带的太阳能组件设计轻巧、高效，可为电池组提供大量太阳能，并能在阳光下为电池组充电。
除了私人所有外，Squad Mobility还为这种汽车制定了更多计划。除了可以随时更换空电池组并为空电池组充电的公共电池架外(如图5所示)，公司还计划推出一款共享移动应用，让用户可以在闲暇时使用公共太阳能汽车。此外，公司还计划在2024年之前在美国推出这种汽车，不过，这种汽车在美国被归类为低速车辆，因此在使用上比在欧盟18国受到更多限制。
尽管如此，这一项目的大面积可应用性和相对实惠的价格对于城市地区的许多潜在买家来说仍具有重要意义。虽然里程数让一些人失望，但公司还在开发一种全尺寸的四座车型，以满足那些需要一辆能行驶更远路程的太阳能汽车的人的需求。如果项目取得成功，这些太阳能微型车可能会在各地的城市环境中普及。尽管它们的功能有限，但其价格对许多人来说相对便宜，而且小巧的体积确保了停车，出现其他储能相关问题的可能性也大大降低。
太阳能汽车远非新概念
太阳能汽车远非一个新概念，太阳能技术正在进一步改进当中。
太阳能组件的成本更低，效率更高，太阳能玻璃等发明确保越来越多的太阳能组件可在公共设施中悄然发挥作用。许多太阳能汽车型号已经通过测试并计划于2023年投产，更多型号仍在开发中。
在过去五年里，太阳能汽车电机、太阳能电池、最大功率检测系统等方面的改进大大推进了这一领域的发展，而这一行业仍有待进一步发展。太阳能组件势必会更加高效、更加灵活，太阳能组件将成为日常社会中不可替代的一个方面，为所有人提供清洁能源和可再生能源。
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