CN102951030A

CN102951030A - 在太阳追踪底盘上带有可折叠本体面板的太阳能电动车辆

Info

Publication number: CN102951030A
Application number: CN2011103489410A
Authority: CN
Inventors: 许如艺; J·W·波斯塔夫; H·劳; D·A·津德尔
Original assignee: Monarch Power Corp
Current assignee: Monarch Power Corp
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: CN102951030B; EP2559585A1

Abstract

本发明涉及一种在太阳追踪底盘上带有可折叠本体面板的太阳能电动车辆(SEV)，其具有大的可折叠表面区域，所述区域可朝着太阳被定位以用于峰值发电。SEV的表面安装在柔性底盘上以用于仰角追踪，而传动***提供方位追踪。SEV车辆还集成了从各种电源到各种储存器的电力转换或电力消耗装置。

Description

在太阳追踪底盘上带有可折叠本体面板的太阳能电动车辆

优先权声明

本申请要求于2010年8月18日提交的名称为“柔性多用途汽车底盘”的美国临时申请No.61/401,715和于2010年10月12日提交的名称为“安装于电动车辆上的太阳追踪太阳能集中器”的美国临时申请号为No.61/404,898的优先权，每份申请的教导通过参考包含于此。

技术领域

本申请一般地涉及车辆，更具体的涉及绿色车辆，包括电动和太阳能动力车辆。

背景技术

电动车辆(EV)需要电力能源，最普遍和方便的动力能源是太阳。车辆最经常暴露在太阳底下，且不受遮挡。然而，至今为止由于一些问题，车辆上的光伏(PV)发电还并不有效。第一，车辆的表面积相当有限，不像天台和固定的太阳能面板(太阳能电池板)装置。第二，在可移动的平台上进行太阳追踪，难以使PV发电定向为朝向太阳，即使是在车辆停止的时候也是如此。第三，传统的PV面板笨重，且效率低于20％，限制了移动性和其可产生的电量。

发明内容

本发明取得的技术进步有，车辆具有通用平台和车辆设计，其使得车辆能够有效地结合太阳追踪太阳能电力发电并且采用收集到的电力运行。汽车表面的绝大部分可以展开以用于高效的发电。车辆通过转向和传动***提供太阳方位追踪，通过柔性底盘提供太阳能仰角追踪。展开的表面可以利用表面上的PV面板直接产生电力。迄今为止具有低效率的重量较轻的薄膜技术，或者传统的固定电池板，可以直接安装在所述表面上。更好地，展开的表面可以集中太阳能，比如，更高效率的PV电池上安装的抛物面反射镜，例如三结砷化镓PV电池，其具有超过40％的效率。车顶的下侧可作为用于被集中的太阳能能量的太阳能接收器。

太阳能的高度集中可能需要空气或液体冷却，以降低电池的操作温度获得峰值效率。可以采用液体冷却，优点是能将集中的太阳能的发电、产热水的功能和电动车辆的功能结合。

本发明将PV和EV的功能结合，并允许部件的双重使用。这种双重使用降低了EV平台上PV的成本。第一，EV车辆也被作为太阳能收集器使用。第二，EV的控制器(其将电池的直流电转换为交流电机用的交流电)也可作为转换器使用，用于将直流太阳能充入交流电网。第三，用于驱动EV的电池也可用于储存由PV产生的能量，由此完成电网存储所需的大部分功能。EV与电网相连，不仅仅用于通过电网给电池充电，还允许能量从电池反馈充入电网中。电动车辆中的电池还可作为不间断电源(UPS)，作为家庭用。第四，EV的传动***可用于使PV电池或面板朝向太阳定向。第五，EV远程信息处理***也可作为PV控制***的一部分。现在市场上大多数的EV电动车通过无线网络远程监视和管理电池。例如为太阳追踪的PV功能、PV发电布置，以及采集发电数据也可通过相同的无线网络被远程控制。

具有展开的侧部的太阳能电动车在一定程度上类似于蝴蝶。因此，本说明书中，该太阳能电动车被称为Monarch电动车。该Monarch电动车也作为PV-EV发明的品牌为人所知。

附图说明

第一系列的图1-5示出了Monarch电动车如何体现本发明。图1提供了Monarch电动车的侧视图。图2提供了俯视图。图3提供了展开双翼时的俯视图。图4提供了展开双翼时的侧视图。图5提供了未展开双翼时的车辆的前后视图。

第二系列的图6-10阐释了PV太阳能通过EV移动性和太阳追踪底盘进行追踪的原理。图6示出了在MIT设计的柔性底盘，目的在于最小化车辆停车时的占地面积。图7示出了基于两根可改变长度的垂直柱的柔性底盘。图8示出了柔性底盘的早期实施方式，其在车辆的两侧和顶部具有可折叠的太阳能面板。图9示出了具有用于Monarch电动车的可折叠太阳能面板的柔性底盘的目前的实施方式。图10更详细地示出了升降机部分的导轨，其可以延伸以提升车辆的高度。

第三系列的图11-15阐释了形成抛物面反射镜的过程和算法，以及电动车的侧部如何被设计为用于集中太阳能。图11示出了抛物面表面的解析几何结构。图12示出了抛物面表面如何可被切割并折叠形成Monarch电动车的侧部。图13示出了来自2个单独的抛物面表面的两个侧部反射器的一个备选的实施方式。图14示出了抛物面侧的折叠图，以及太阳追踪的铰接点的位置。图15示出了与集中反射镜相关联的太阳能接收器的一个实施方式。

第四系列的图16-18示出了Monarch电动车的能量相关部件的电源流动以及集成的PV-EV能量转换和储存***。图16示出了Monarch电动车的多种能量产生、储存和消耗部件以及连接这些部件的能量转换装置。图17将这些部件放置于Monarch电动车上。图18示出了多功能一体能源控制单元，其管理来自Monarch电动车的多个输入和输出以及用于辅助电源和/或电网补充源的多种能量输出，其能够满足电动车能源***的所有需求。

具体实施方式

在图1-5中示出了Monarch电动车的多种视图，这些附图中相同的部件采用相同的标记。我们在接下来的部分中结合大部分设计和功能的说明来阐述车辆的结构。

在图1中，我们示出车辆的右侧。大表面侧1010包括一抛物面。在一个实施方式中，该表面包括六个独立的电池板1011-1016，由T杆架1017支撑。前罩1018作为车辆的入口。底盘具有作为基部支撑的底板1019，以及提供背部支撑、追踪太阳仰角的后背升降部1020。前轮1022和一个后轮1021都可转向，用于运行中的转向，以及太阳方位追踪。

在图2中，我们示出俯视图和仰视图。当阳光从图1所示的抛物面反射镜1010反射时，车顶1023提供从下侧收集太阳能的功能。左侧和右侧的抛物面反射镜1010处于折叠位置，不进行PV发电。在该实施方式中，抛物面侧部也在车辆背部将车关闭，因为其在背部汇集。车顶也具有太阳能电池板，在停车时接收太阳能，可进行或不进行太阳追踪。仰视图中的枢轴1024允许我们称为双翼的侧部在高度上围绕枢轴旋转以追踪太阳的仰角。枢轴1025允许双翼在车辆停车时展开，以收集阳光。

在图3中，我们示出双翼1010展开时的俯视图。在图4中，我们示出倾斜视图，不仅示出展开的双翼，还示出车辆在高度上的旋转。双翼通过每一个翼围绕两个铰接点、即围绕前铰接点1025和后铰接点1026旋转而展开。后铰接点可向外旋转至挡块1027允许的程度，可使双翼在车顶1023聚焦阳光。在该聚焦的位置，双翼1010的顶面形成一个单抛物面表面。当如下文所述获得合适的太阳追踪时，太阳能聚焦于车顶1023的下侧，用于有效的PV发电。

在图4中，我们示出如何通过后背升降部1020的柔性延伸部改变高度。该后背升降部具有多个延伸部，其可通过拉出镶嵌于轨道上的延伸部1028来延伸升降部的长度。在一个实施方式中，我们在后背升降部1020内侧具有两个延伸部。该延伸部1028便于抛物面围绕铰接点1024旋转，通过改变高度以达到追踪太阳高度的目的。因此，延伸部1028在延伸时形成圆的圆周，其圆心位于连接铰接点1024的轴上。

在图5中，我们示出车辆的前部和后部。通过该视图，我们可以看到铰接点1024和旋转轴1029。前部由前罩1030和挡风玻璃1031覆盖。前部从上往下在中间隔开，形成固定的驾驶侧1032屏蔽以及可移动的乘客侧1033屏蔽。该可移动屏蔽1033也可以作为车辆的进车门，通过在侧边打开成为转门，或者在顶部打开成为舱门。

车辆的后侧示出升降部1020，延伸部1028封在升降部内，不追踪太阳。同样也示出一个后轮1022，其可在停车时提供额外的转向。转向柱1034允许车轮1022顺时针或逆时针转动90度。该转向也可用于在一天不同的时间里追踪太阳的方位。三个轮子合起来提供方位轴追踪。在一个实施方式中，我们可以固定右前轮，松开左前轮。现在右前轮位于旋转的中心。后轮1022转动90度。当后轮旋转时，车辆围绕右前轮的中心旋转。

太阳追踪Monarch电动车底盘(附图6-10)

我们发明了一种新颖的柔性车辆底盘的设计，允许在高度上举起车辆以追踪太阳的仰角。通过前述的传动***和车轮方便了太阳的方位追踪。

在MIT的前期努力(附图6)发明了倒V型柔性底盘，其允许乘客厢重新定位车辆操作的两个模式：乘客厢位置被降低的驾驶模式，以及停车/巡航模式，这时乘客厢调得更直，以获得更直的驾驶或者节省停车所需的空间。

图7中示出的本发明的一个实施方式，目的在于通过一对垂直的可延伸柱2111、2112方便了乘客厢的重新定位。乘客厢2113包括一椭圆的圆柱，通过椭圆圆柱的2个枢转/铰接点2114、2115在底盘上旋转到2个延伸柱的端部。椭圆的旋转通过改变两侧的长度达到。

图8示出了Monarch电动车的早期实施方式，具有在两对垂直的可延伸柱2111、2112上的椭圆厢2113。车辆2116的侧边2114、2115以及顶部集成有平的太阳能电池板。这些太阳能电池板通过改变两个可延伸柱2111、2112的长度来追踪太阳的仰角。方位通过车辆的转向和传动装置改变。

图9示出了Monarch电动车的抽象几何结构，图示为柔性底盘的三角形。不像图7中示出的要改变三角形两边的长度，我们选择更简单的，改变三角形一边2117的长度x。改变x的过程中，我们改变仰角X 2118以追踪太阳能。长度x现在是Monarch电动车后背升降部的长度。三角形的底边2119现在是具有固定长度a的底盘的基部。三角形的顶部2120是车辆的上面和前面的边，其也具有固定的长度b。枢转点2121允许车顶、车罩和太阳能集中器追踪太阳的仰角。

装有图9中变化几何的Monarch电动车实际的车身示出在图10中。可延伸的升降部2117现在将太阳能电池板或集中器向外推。车辆的底部2119现在长度固定。在被可延伸升降部2117在枢转点2121向外推出时，车顶和车罩轮廓2120的长度也固定。升降部具有多段轨道，在后背升降部的周边延伸，和可延伸的钓鱼竿很相似，除了它们在圆的区段中延伸而不是直的区段之外。这些区段通过电机转动齿轮而彼此相对移动，所述齿轮使得升降部的各个啮合的段移动。

一旦侧边电池板延伸，可延伸的升降部2117就被调整以追踪太阳，以优化***效率。太阳追踪单元输送太阳仰角给电子控制器，其又驱动与升降部2117连接的电机2122。电机安装和连接于齿条和小齿轮式齿轮***2123，其具有连接于升降部2117上的第二套齿轮。电机向上和向下驱动可扩展的升降部2117，以追踪太阳的仰角。

集中反射镜和太阳能接收器设计(图11-15)

已知抛物面镜可将太阳光的光线反射到一个焦点上，由此实现集中太阳能的功能。图11示出了三维笛卡尔坐标系(x，y，z)，z轴表示太阳在正上方的垂直维度。抛物面碟面3111，由等式4pz＝x²+y²3112得到，在(0，0，p)3113处有一个焦点，位于镜中心(0，0，0)3114的正上方。半径为r的抛物面碟面在坐标系(x，y，z)中满足4pz＝x²+y²≤r²3111而得到。作为举例，我们选择p＝9英尺。

图12示出了如何从该单抛物面表面剪切出左翼3135和右翼3136，由此使得双翼具有相同的焦点。双翼缩起时，由水平上z＜p的平面收集光。抛物线的中心为O 3114。在焦点z＝p处，双翼的投影衰减为一个单点。左翼3135沿线AC展开，其中A 3137是打开时的前枢转点，C 3139是后枢转点。右翼3136沿线BC展开，其中B 3138是前枢转点，C 3139是后枢转点。

我们说明如何从单抛物面建出两个镜翼。两面镜子共有一个焦点。图13示出了抛物面镜的俯视图3145和侧面3146。

跟图11相似，图13中，我们认定三维笛卡尔坐标系(x，y，z)，z轴为垂直维度。我们认定通过公式4pz＝x²+y²只能得到一个抛物面碟面(位于(0，0，p)处的焦点在被标为O 3114的镜的中心(0，0，0)的正上方)。半径为r的抛物面碟面在坐标系(x，y，z)中满足4pz＝x²+y²≤r²而得到。

如果我们为抛物面碟面选择p＝9英尺以及r＝7英尺，我们可得到A＝πr²＝154平方英尺的俯视面积。我们可以将该面积修剪为120平方英尺，如图12中所示。下述为修剪和折叠的执行步骤。

首先，我们确定如图13中所示的两侧镜子的三个铰接点。电动车的前端具有w英尺的宽度。两个前铰接点A 3137和B 3138位于圆上，满足x²+y²≤r²，例如，半径OA＝r＝6英尺。如图所示，点A和B之间相距w英尺，在我们的例子中，线AB具有w＝6英尺的长度。后铰接点C 3139在圆上，满足x²+y²≤s²，例如，半径OC具有s＝8英尺的长度。请注意，在s＞r时后铰接点C比前铰接点A和B稍微高点，这在抛物线的侧视图中显而易见。

如图13所示，我们现在绘制俯视图3145的线和椭圆。这跟要将一张纸修剪和折叠成三维折纸图之前在折纸上绘制线相似。从前端铰接点A和B，我们绘制折痕线AB和AC。这些折痕线应被折叠。三角形ABC形成电动车的底部。AC上部的抛物线形成电动车的左侧，BC下部的抛物线形成电动车的右侧。

现在我们形成折痕线AC上面的侧部。与此前的设计相似，电动车前部向前的部分由通过点A、F、D的椭圆限定。该椭圆长轴宽度12英尺(图13中示出的通过点D的长的直径)，短轴宽度4英尺(图示的通过点F的短的直径)。沿线AB，通过点D的长轴倾斜30度(从俯视的角度)。由于对称，折痕线BC下部的侧面的形成遵循相同的过程。

电动车的两侧沿着线AC和BC向上折叠，如图13所示，所获得的折叠完的结构覆盖Monarch电动车的两侧。由于两个半椭圆(标记为F 3140和G 3143)在顶部以固定的距离分开，镜子倾斜至短轴的端点。

电动车的底部通过切除由点A和B限定的水平面形成。请注意，水平面通过图13的中心线COH在折叠结构中限定。当电动车的顶部通过两个分开的椭圆形限定时，电动车的背部遵循由折叠镜的相交部限定的线。

电动车的顶部通过切除顶部，例如距离底部6英尺的高度而形成。

通过这六个步骤完成后的翼当展开时就成为了如图12所示的Monarch电动车的双翼。

与从单抛物面形成两个侧部不同，另一个实施方式包含了各自从一个抛物面3152、3153形成一个翼3150、3151，如图14所示。这两个抛物型翼具有不同的焦点3154、3155，这使得太阳追踪更加复杂。

图15示出了双翼3160、3161的俯视图以及它们在车顶的关联的聚焦投影3162、3163。集中率决定于翼面积除以车顶投影面积。在车顶，集中率大概为10-20倍，称为低集中率。集中的太阳能可通过高效的晶体硅PV二极管按20％的效率转换成PV电。由此，硅表面积通过该太阳能集中率降低到1/10-1/20。

高达1000倍的较高太阳能集中率也可考虑用于集中太阳能(CSP)发电。这包括了使太阳能接收器更远离和更靠近焦点，或者使用焦距更小的抛物面镜。图16示出了距离图13中示出的抛物面碟面中心O点3143(图12)6.6英尺的车顶聚焦投影。焦距选为9英尺，因此车顶距离焦点2.5英尺。车顶的太阳能集中率为9的平方除以2.5，或者13倍。如果我们将PV电池置于垂直距离焦点4英寸的地方，太阳能集中率变为729。PV电池所需的表面积减小因子729，因此使用更贵的高效率的PV电池。大大减小的聚焦投影在图15中用黑色表示3164、3165。然而，太阳能接收器现在高于车顶26英寸。在这种情况下，太阳能接收器可藏于车顶下，并可使用潜望镜机构，将接收器升举至距焦点所需的距离。

能量生成、转换、存储和消耗***(图16-18)

Monarch电动车组合了电动车的一些能量功能和光伏***。Monarch电动车的能量***包括电池4101中的储存能量、太阳能***4102和再生制动4103的发电、通过电机4104、电机控制器4105、车辆电子元件4106进行的能量消耗、电池充电，以及至外部装置DCV_out 4107和ACV_out 4108的电源输出。所有这些部件需要通过中央转换***与整个能量***协作(图16)。这些通用的部件可在图17示出的Monarch电动车中看到，其中电机控制器也可以用作ACV输出。

电动车的能量储存以电池为主。电池主要选择磷酸铁锂，因其稳定性和能量密度。其他类型的电池也有使用，新型的电池也一直在研发中。电动车的电池也作为PV***的启动电源，为启动PV***的追踪和移动提供能量。由于磷酸铁锂电池需要密切监视以消除过度充电和欠电压情况，因此通常采用电池管理***(BMS)监视电池***。BMS还通过电池平衡算法和电路维持电池平衡充电。BMS帮助延长电池***的使用寿命，还为使用者提供了可用的最大电量。

电动车的电机和控制器同时为电动车的驾驶和太阳能发电的方位追踪提供动力。控制器使用储存在电池里的能量并响应于截流阀将其提供给电机。在电动车运行时，控制器也接收再生制动过程中产生的能量。主中央动力单元4401可以包括电动车的所有动力***，以及为家庭或便携使用的独立发电机的功率需求(图18)。该多功能一体单元可接收来自多个AC和/或例如为电池4402的DC电源、太阳能发电机4403、电网电源4404、再生制动4405等的输入。然后使多个AC和/或DC电源以多种电压/类型输出，以用于电机4406、电池充电4407、电网输出4408、12V内部***4409等。该多功能一体动力单元是主要的Monarch电动车电力能源，其允许用于多种能源需要。电池也可被用于在将AC转换给电网使用前储存能量。

虽然本发明已详细描述了优选的实施方式，在理解本申请基础上，多种变换和修改对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，所附权利要求的范围在现有技术的基础上尽量阐释的宽广，以包括所有所述的变换和修改。

Claims

1.一种配置为从太阳收集能量的车辆，其包括：

多个车轮；

配置为支撑至少一名乘客的车辆底盘，该底盘包括至少一个朝上面对的太阳能接收装置；

支撑在车轮上的可调车架，该车架配置为在底盘的一端选择性地被提升，以关于太阳可调地定位太阳能接收装置；以及

调整机构，其配置为调整车架，以关于太阳可调地定位太阳能接收装置。

2.如权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述车辆底盘具有多个面板，至少一个所述面板具有所述能量接收装置。

3.如权利要求2所述的车辆，其特征在于，所述车辆底盘具有至少一个包括所述能量接收装置的侧面板，所述侧面板配置为关于太阳选择性地定位并且调整所述能量接收装置的效率。

4.如权利要求3所述的车辆，其特征在于，所述侧面板具有配置为面对太阳的凹入表面。

5.如权利要求4所述的车辆，其特征在于，所述凹入表面呈抛物面形。

6.如权利要求3所述的车辆，其特征在于，所述车辆底盘具有一对各自包括所述能量接收装置的对置的侧面板，每个所述侧面板都凹入，配置为选择性地定位和面对太阳，并且调整能量接收装置的效率。

7.如权利要求6所述的车辆，其特征在于，所述车辆还包括光伏电池，其中每个所述凹入侧面板具有配置为将接收到的太阳光引导至光伏电池的反射表面。

8.如权利要求3所述的车辆，其特征在于，至少一个侧面板具有配置为接收太阳光的光伏电池。

9.如权利要求1所述的车辆，其特征在于，所述可调车架大致配置为三角形，其具有水平延伸的基底部件、在调整点处连接于基底部件的向上延伸部件，以及斜边部件，所述斜边部件与基底部件和向上延伸部件连接和在两者之间延伸，并且与所述调整点相对。

10.如权利要求9所述的车辆，其特征在于，所述调整机构配置为调整所述向上延伸部件的长度。

11.如权利要求10所述的车辆，其特征在于，所述车辆底盘具有至少一个包括能量接收装置的侧面板，所述侧面板配置为关于太阳选择性地定位并且调整太阳能收集的效率。

12.如权利要求11所述的车辆，其特征在于，所述侧面板具有配置为面对太阳的凹入表面。

13.如权利要求12所述的车辆，其特征在于，所述凹入表面呈抛物面形。

14.如权利要求11所述的车辆，其特征在于，所述车辆底盘具有一对对置的侧面板，其各自包括能量接收装置，每个所述侧面板被凹入，配置为选择性地定位和面对太阳，并且调整太阳能收集的效率。

15.如权利要求14所述的车辆，其特征在于，一个后部的所述车轮设置为最接近所述调整点，至少一个前部的所述车轮设置为最接近基底部件和斜边部件相连接的位置，以使得该车辆可以绕着最接近所述前轮的一个点旋转一圈。

16.如权利要求15所述的车辆，其特征在于，所述车辆包括在其间带有轮轴的一对前部的所述车轮，其中该车辆配置为围绕前轮之一或者在沿着轮轴的一点处旋转一圈。

17.如权利要求14所述的车辆，其特征在于，所述对置的侧面板配置为自所述斜边部件向下展开。

18.如权利要求6所述的车辆，其特征在于，每个所述侧面板呈抛物面形，并聚焦于不同的焦点处。

19.如权利要求6所述的车辆，其特征在于，一个所述侧面板与另一个所述侧面板邻接，以形成具有单一焦点的单一抛物面表面。

20.如权利要求7所述的车辆，其特征在于，该车辆具有车顶面板，其中所述光伏电池置于所述车顶之上。

21.如权利要求6所述的车辆，其特征在于，该车辆具有配置为带有光伏电池的车顶面板，其中所述光伏电池配置为从太阳接收能量。

22.如权利要求10所述的车辆，其特征在于，所述调整机构配置为调整所述水平延伸的基底部件的长度。