太阳能天窗技术在汽车上的应用“全景”透析

作者:光伏协会    浏览:12    发布时间:2017-9-6 10:54:46

太阳能天窗概念不算新鲜。上个世纪80年代,奥迪80 Coupé跑车上就已配套太阳能车顶,不过因为技术难度及价格原因,该产品很长一段时间仅归属于豪车特配。而今,随着全景天窗的快速发展以及节能环保大势所趋,该产品再次引发各大车企关注,并开始由“王谢堂前燕”逐步被应用于寻常车型,如丰田普锐斯PHV、大众辉腾、昊锐等。对于这一未来全景天窗的流行趋势,本文将从应用现状、技术类型、发展趋势等方面进行360°全景透析,供车粉参考!

定义:何为太阳能天窗?

简单来讲,太阳能天窗也即是在普通天窗下面集成一块太阳能电池板,将对人体有害的太阳的紫外和红外辐射光能转换成电能。而真正导致它与众不同的是,太阳能天窗是你的爱车同步拥有两大功能:一是通风功能。尤其在烈日下停车期间通过太阳能天窗可持续为车内通风系统提供电能,导入新鲜空气驱除车内热气,以达到降温目的。二是可以对蓄电池进行充电,实现节能降耗。尤其对于新能源车,更是可以有效增加续航里程。

也正因如此,太阳能天窗成为目前天窗产品中的“极品”。

市场应用:20余年的“蛰伏”发展

太阳能天窗虽然近年才渐有“名气”,不过从应用上来讲俨然已经是蛰伏多年的“老戏骨”。

据了解,早在20多年前,天窗行业的全球第一“霸主”伟巴斯特已开始在其产品上布置太阳能电池,主要用以降低烈日曝晒下车厢内的温度。在酷夏之时降温效果可达到20度以上。

奥迪车顶的太阳能天窗

直到去年,丰田对太阳能天窗的另一功能“充电蓄电”进行了重点开发,在其最新推出的普锐斯混动版本上,就开始利用车顶的太阳能电池对车载电池包充电,该功能与制动力回收等技术一起,可使整车的油耗进一步降低。

第三代普锐斯上的太阳能车顶

通常看影视剧一个演员要“火”需要具备扎实的功底,同时还要看天时地利和运气,而对于一个产品亦是如此。经过20余年的锤炼,太阳能天窗技术已经逐步成熟,除丰田外,奥迪、奔驰、凯迪拉克、大众等部分车型上亦有所配备,而今在节能减排大环境及消费升级的市场助推下,该产品的增长势头正在萌发。

技术架构:多种太阳能电池技术的共存衍生

太阳能天窗市场的逐渐向好,引发了诸多产品及技术供应商在此方面的竞相投入,而采用的解决方案和技术路径各不相同。山迪光能公司的执行副总蒋前哨给笔者介绍,目前太阳能行业的两种技术:晶体硅太阳能电池技术和薄膜太阳能电池技术在汽车行业都有应用。

技术特点可以梳理如下:

晶体硅太阳能技术是目前最成熟,价格也最低廉的太阳能发电技术,被大规模应用在户外光伏电站和居民屋顶分布式光伏系统上,且现今电池成本已经低于1.7元/瓦。

户外光伏电站居民屋顶分布式光伏系统

“单晶硅电池成本略高,但是表面颜色均匀一致,非常适合面积有限又对外观要求较苛刻的车身上。”曾在国外跨国企业工作后回国在民营企业工作过多年的蒋前哨总结道。

山迪光能公司的研发总监王明华博士给笔者介绍,福特2015年推出的Cmax插电混动概念车上,采用的是IBC(叉指电极背接触)结构[1]的单晶硅电池,其光电转化效率高达23%,但是需要配套的聚光顶棚和车顶的电池共同工作才能够达到理想的充电效率,使用起来略显不便。而丰田公司2017年的插电混动版普锐斯上搭载了HIT(异质结)结构[2]的单晶硅电池,其电池效率也高达22%。除了上述两种电池以外,国内各大太阳能厂家目前正在推进PERC(背钝化)结构[3]的单晶硅电池的大规模生产, PERC电池的量产效率目前已经超过21%,且每瓦成本逼近多晶硅电池。

尽管晶体硅太阳能电池的应用比较久远,也比较成熟,然其也有较难跨越的“壁垒”。蒋前哨先生指出,因为太阳能硅片只有0.2mm厚而且是脆性材料,应用到车顶的弯曲表面上,需要特殊的压合工艺,才能够保证较高的良品率,目前掌握此技术的厂家并不多。”

丰田普锐斯PHEV太阳能车顶

福特CMAXplug-in太阳能车顶

薄膜太阳能电池相比晶体硅太阳能电池来说在汽车领域的起步较晚,然拥有后者没有的优势即采用柔性基板,可弯曲。据了解,汉能公司开发的不透光太阳能车顶,采用的就是CIGS(铜铟镓硒)薄膜太阳能技术[4]。光电转化效率达到13%以上的组件效率。不过,CIGS薄膜美中不足的是采用的是不锈钢衬底,不具备透光性。相比晶硅电池,效率较低而成本偏高,美观度也较差。此外,CIGS太阳能电池应用到车身上,还需要解决材料环保和可回收的问题。因为CIGS中窗口层采用的是CdS(硫化镉)薄膜,其中镉元素是汽车领域的ELV法规和消费电子领域的ROSH法规严格控制的元素之一,法规要求其含量低于100ppm。因而要解决原材料的污染问题,必须研发出更加环保的窗口层材料,取代硫化镉,然就目前来看,新的材料均无法达到CdS那么高的电池转化效率。

汉能展出的CIGS薄膜太阳能车顶

行业还有另外一种薄膜电池技术——硅基薄膜太阳能电池[5]。杨立友博士是最早从事这类电池的华人科学家,曾担任美国能源部顾问,在美国多家太阳能电池研究机构领导研发团队攻关二十多年,并创造过薄膜太阳能电池转换效率的世界纪录,现担任国际半导体协会(中国)董事及光伏委员会主席,国家千人计划专家。杨立友博士带领山迪光能的研发团队,在世界上首次将薄膜太阳能电池应用到弯曲的汽车天窗玻璃或者玻璃车顶上,在保持了全景天窗通光透亮美观的同时又能发电,而且所采用材料的都是环保的材料,可以满足整车零部件回收的要求。据了解,此技术很快受到了伟巴斯特,毓恬冠佳,英纳法等国内外天窗供应商及欧美,韩国和国内自主品牌整车厂的欢迎。

透明的薄膜太阳能天窗总成

另外,据专家介绍,在整个柔性薄膜电池领域,目前效率最高是汉能收购的美国AltaDevice的砷化镓电池[6],理论光电转化效率可以达到30%。据测算,在晴朗天气下,可支持汽车行驶30~60公里。在车辆行驶中及停车时,均可实现柔性薄膜电池组件向动力电池包充电,因此可摆脱对固定充电设施的依赖,实现化石能源的零消耗和污染物的零排放。但是目前砷化镓制造成本居高不下,成本大约是目前晶体硅的50倍以上,而且,这种薄膜电池虽然可以弯曲但也是不透明的,不能保持全景天窗的透光和美观。和砷化镓技术类似的还有钙钛矿和有机染料太阳能技术,它们或者是还是科学家实验室的玩具,或者是寿命只有几个小时的昙花一现,离开汽车行业的高品质低成本的标准差距还很大。

汉能砷化镓太阳电池概念车

发展前景:市场需求临界点已到

“无论采用上述何种技术,太阳能电池在汽车车身上的应用都非常值得期待,并且市场的需求期已至。”杨立友博士表示,“首先是节能减排大势所趋,尤其是随着新能源汽车的发展,太阳能天窗节能的属性和优势将更为凸显,且不说经济价值,单从环保价值上来说,我坚信对于从事此行业的人来说所有的努力都是值得守望的。我们这个团队就按照汽车行业的规范和需求,专为汽车生产厂量身定做太阳能电池的”。

而随着消费水平升级、消费群体年轻化,购车需求已由原来的追求舒适性、安全性到关注功能性、个性化的转变。太阳能技术本身可以带来智能车顶,变色天幕和调光天窗等等一系列极富科技感和炫酷感的产品,满足消费者“高大上”的个性化需求,这也是目前应用该产品车企博眼球的一个重要亮点。

不过,虽市场需求已至,太阳能天窗依然面临着多年来的推广“隐痛”——价格。对于此问题,杨博士用“理科生”的方式给记者算了一笔账:一个100W的太阳能车顶,一年累计的理论发电量可以达到130~175度,全部存到电池包里,换成电动车的一年续航里程增加可以达到650~900公里,如果一年用户的典型驾驶习惯是1.5万公里的话,相当于续航里程增加了4~6%。如果是混合动力或者传统燃油车,将这部份电能全部存下来,可以降低发动机用来发电的燃油消耗,按照燃油消耗率为250g/度,且电动机效率为80%折算,100W的太阳能天窗,一年可以省油60~80L之多,一年里省下的油钱就有近500元。

“制造成本随着量产逐步会降低,现在就是看车企谁愿意成为先吃‘螃蟹’的人”,杨博士表示。

综上所述,无论从经济层面还是用户体验层面,无论是燃油车,混动车还是电动车,太阳能技术都有很大的应用空间。伟巴斯特相关负责人在接受采访时表示,“受中国新能源汽车产业政策推动,太阳能天窗在中国有巨大的发展潜力。

注释:

[1] IBC电池结构:

http://solarlove.org/concepts-photovoltaic-technology/

[2] HIT电池结构:

http://news.panasonic.com/global/press/data/2014/04/en140410-4/en140410-4.html

[3] PERC电池结构

http://baijiahao.baidu.com/s?id=1564613966967240

[4] 铜铟镓硒CIGS太阳能电池:https://en.wikipedia.org/wiki/Copper_indium_gallium_selenide_solar_cells

[5] 非晶硅/微晶硅太阳能电池:

https://en.wikipedia.org/wiki/Amorphous_silicon

[6] 砷化镓电池

https://www.altadevices.com/technology/