制造太阳能汽车

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最后编辑日期:2019-01-26

简介

太阳能是我们从太阳获得的力量。与化石燃料不同，它可能导致严重污染并在燃烧时排放温室气体，太阳能是清洁的，并且可再生。然而，太阳能并非没有缺点 – 它在晚上或阴天都无法使用.

太阳能电池板将太阳光转换为电能，可用于为电机等机器供电。它们必须通过导线连接到电机以形成电路。电动机可用于驱动太阳能汽车的车轮（图1）。为了制造太阳能汽车，您需要熟悉构成典型汽车的基本部件:

• • 底盘是汽车的车架或车身.
  • 车轴是支撑车轮的直杆，刚性杆.
  • 轴承将轴连接到底盘并允许它们旋转.
  • 电机将来自太阳能电池板的电能转换为旋转运动。它有一个旋转的金属轴.
  • 传输将旋转运动从电机轴传递到轴。

图1. 太阳能汽车（顶部）和拆下太阳能电池板的汽车（底部），以便您可以看到其他组件。这辆车是使用提供太阳能电池板，电机，车轴，齿轮和车轮的套件制造的（参见材料部分）。底盘是一块瓦楞纸板，吸管作为轴承（注意吸管在纸板下面，所以在这张照片中很难看到）。纸夹将太阳能电池板固定在机箱顶部。

您可以将几种不同类型的变速箱用于太阳能汽车，如图2所示。

• 在摩擦驱动器中，电机轴上的磁盘直接摩擦轴上的另一个磁盘。
• 在皮带传动装置中，电动机轴上的盘通过皮带（例如橡皮筋）连接到轴上的盘上.
• 在齿轮传动装置中，电机轴上的齿轮与轴上的齿轮啮合.

图2. 不同类型的传输。

在设计和制造太阳能汽车时，您需要考虑不同的工程和物理概念。一些决定可能涉及不同因素之间的权衡。没有一种”正确” 的方式来制造汽车.您应该考虑的一些因素如下所示.参考书目中列出的其他资源可以帮助您了解有关这些主题的更多信息.

• • 质量和刚度:您将使用哪种材料制作机箱？不同的材料具有不同的密度（每单位体积的质量）和刚度（抗弯曲/弯曲）。通常，您希望机箱坚固且不太灵活。您的电机将很难移动非常重的底盘。但是，如果底盘太轻，可能会被风轻易吹走，或者轮胎可能会滑落，因为地面没有足够的摩擦力（见下一点）。

• 摩擦的是抵抗两个表面相互滑动的力。有时摩擦力很差 – 你希望你的轴承和车轴之间的摩擦力尽可能小，因此车轴可以自由旋转。然而，有时摩擦很好 – 你希望你的轮胎与地面有很多摩擦力，所以它们不会滑动。
• 齿轮比是电机轴上的驱动齿轮的直径与轴上的从动齿轮之间的比率。该数字表示从动齿轮每次旋转驱动齿轮的次数。例如，如果从动齿轮的直径比驱动齿轮大五倍，那么每当驱动齿轮完成一个完整的旋转时，从动齿轮将完成1/5的旋转。请注意，这个概念也适用于摩擦传动和皮带传动，更一般地说可以称为传动比。
• 通过调整传动比，您可以调整电机速度，以每分钟转数或 RPM 来衡量，转矩电机。在这两个量之间存在权衡（如果增加RPM，则减小扭矩，反之亦然）。您可能需要进行试验，找出哪种齿轮比使您的车速度最快.
• 太阳能电池板相对于太阳光线的角度会影响它产生的电能。当面板垂直于太阳光线时，它将产生最大的功率.

如果您逐一尝试一些这些变量，并跟踪结果，您可以设计一款出色的太阳能汽车。或者，您可以在Junior Solar Sprint比赛中输入您的汽车（如果您所在地区有一个）。有关更多信息，请查看您所在地区分支机构的此处.

术语和概念

• • 太阳能
  • 化石燃料

• • 可再生

• • 太阳能电池板

• • 电路
  • 底盘
  • 车桥
  • 轮式
  • 轴承
  • 电机
  • 轴
  • 传送

• • 摩擦力驱动
  • 皮带传动
  • 齿轮传动

• • 质谱
  • 刚度
  • 摩擦

• • 齿轮比
  • 传动比
  • 驱动装置
  • 从动齿轮
  • 每分钟转数（RPM）

• 转矩
• 角度

问题

• • 您可以用什么材料制作太阳能汽车的不同部件？
  • 有哪些不同类型的传输？

参考书目

• Holly，K。和Madhani，A。（2001年8月23日）. Junior Solar Sprint – 建造模型太阳能汽车的介绍。国家可再生能源实验室.2018年9月5日从 https://www.nrel.gov/docs/gen/fy01/30828检索.PDF
• Henderson，T。（n.d。）.摩擦力。物理课堂.2018年9月7日从 https://www.physicsclassroom.com/Class/newtlaws/U2L2b.cfm#检索frict
• Science Buddies Staff（n.d.）.工程设计流程.科学伙伴.2018年9月9日从 https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects检索/工程设计过程/工程设计过程步骤＃theengineeringdesignprocess

材料和设备

• • 至少，您需要为您的汽车购买官方太阳能电池板和电机。决定是否要从头开始构建其他组件，或者购买包含其他组件的套件.Junior Solar Sprint竞赛的官方供应商Solar Made和Pitsco有多种选择（从电机/太阳能电池板到完整的车载套件，包括轻木底盘，车轴，齿轮和车轮）:
    • • Solar Made kit
      • Pitsco工具包

     

  • 如果您想从头开始构建自己的零件，这里有一些材料建议:
    • • 底盘:瓦楞纸板，轻木，Styrofoam®，牛奶/果汁纸盒，纸板管
      • 车轴:金属衣架（直截面切割），木制扦子或木钉，任何其他细金属杆
      • 轴承:吸管，眼钩，底盘钻孔
      • 轮子:瓶盖，用刚性材料（塑料，木头）切割的圆圈
      • 轮胎:橡皮筋，沿车轮边缘的热胶
      • 传输:从玩具或VCR或DVD播放器等电子设备，小盘（如Dremel®旋转工具附件），橡皮筋中抢救的齿轮

     

• • 根据您选择的材料，您可能需要其他杂项工具或用品（电钻，热胶枪，剪刀，钳子等）。重要提示:确保使用在炎热的天气不会在阳光下融化或软化的胶带/胶水！
  • 你还需要一个平坦，铺砌，阳光充足的区域来测试你的车，还有一个志愿者来帮助你开车（它们可以很快！）。
  • 下载a免费项目包绘制草图，组织项目，并确保拥有进入Junior Solar Sprint比赛所需的所有部分。

实验程序

教师，请尝试我们的教室课程计划版本相反，这个项目。它为学校提供额外资源.学生，这个项目版本是专门为您准备的。

规划您的太阳能汽车

1. 描绘您希望太阳能汽车看起来像什么。你会用什么材料？所有部件如何组合在一起？你可以使用免费项目包做你的草图并跟踪你的项目。如果您想在当地的Junior Solar Sprint比赛中驾驶赛车，使用项目包将有助于确保您拥有参加比赛所需的所有部件！
2. 如果您正在考虑参加Junior Solar Sprint比赛，请务必遵循表1中的汽车素描和建筑规则。更详细，官方规则也可以下载。

建造一辆汽车

现在是时候建造你的车了。本节中的视频和分步说明向您展示了如何构建一个非常基本的太阳能汽车。虽然它非常摇摇晃晃，但很容易崩溃！它是一个示例。随意构建它，它不会花费很长时间，然后使用您从构建和测试它所学到的信息来构建您描绘的汽车的一个很棒的版本。记得在工作时填写项目包的页面！

1. 根据您购买电机的位置，您需要将电线焊接到电线上和/或将鳄鱼夹压接到电线上（图3）。
   1. 如有必要，将两根电线焊接到电机背面的卡舌上（让成年人帮助您进行焊接）。
   2. 从鳄鱼夹上取下塑料盖，然后将它们滑到电线上。
   3. 用尖嘴钳将鳄鱼夹紧紧压在电线裸露的金属末端上。
   4. 将塑料盖滑回鳄鱼夹上。

图3. 如何将鳄鱼夹连接到电机线。

3. 连接您的车轮，车轴和轴承。图4显示了轴承（吸管）内的轴（金属杆）。每个车轴都有两个轮子（带有橡胶轮胎的塑料圆盘），这两个轮子压配合在车轴的两端。其中一个车轴还有一个压在其上的塑料齿轮，它将构成变速器的一部分。您需要提前计划考虑这个齿轮（从动齿轮）如何与电机轴（驱动齿轮）上的齿轮对齐。

图4。车轮，轴承和其中一个车轴上的齿轮轴。

4. 构建您的机箱。
5. 将车轴/轴承连接到底盘。图5显示了用胶带连接到底盘（一块瓦楞纸板）下侧的轴/轴承。

图5. 连接到底盘的轴/轴承。

6. 将电机连接到机箱并对准变速箱。这可能是最困难的步骤之一。如果您的变速箱使用的齿轮类似于图6中的齿轮，则需要齿轮的齿牢固啮合。如果它们太松或根本不接触，那么电机只会在不转动轴的情况下旋转。但是，如果它们太紧，可能会有太多的摩擦而且它们会堵塞。连接太阳能电池板时，您需要了解它的工作原理。

图6。电机连接到机箱。

7. 将太阳能电池板的支架连接到机箱（图7）。

图7. 作为太阳能电池板支撑的纸夹。

8. 将鳄鱼夹固定到太阳能电池板背面的两个卡舌上，然后将太阳能电池板固定到机箱上（图8）。

图8. 太阳能电池板连接到汽车上。

9. 9. 现在是时候测试你的车了！在阳光直射下将车开到室外，但不要把它放下。握住它并将太阳能电池板对准太阳。如果电机和轴都旋转，恭喜！继续下一步。如果没有，请尝试以下问题排查步骤
      1. 1. 如果您的电机根本不旋转:
            1. 1. 确保您在阳光直射的室外，阳光明媚的日子，阳光板朝向太阳。如果您在阴凉处或阴天，您的太阳能电池板可能无法产生足够的动力来旋转电机。
               2. 如果您的电机仍然没有旋转，请仔细检查电路。确保鳄鱼夹牢固地连接到太阳能电池板的金属片。如果您焊接或压接自己的电线连接，请确保它们没有松动或损坏。必要时修理它们。

             

            1. 1. 如果您的电路正常，请确保您的轴或变速箱没有卡住。如果用手扭动其中一个轮子，轴会旋转吗？

             

       

      1. 1. 如果您的电机旋转，但轴没有，请确保齿轮相互接触。您可能需要重新调整电机或轴，以确保齿轮的齿牢固啮合在一起。

       

9. 当您将车停在阳光下时，一旦您的电机和车轴都旋转，现在是时候把车放在地上看着它了！但要小心 – 工作车可以快速移动。在平坦，开阔的区域测试您的汽车是一个好主意，没有可能撞到的障碍物。把你的车对准一个可以抓住它的志愿者，或像枕头一样柔软的东西。太阳能电池板很脆弱，所以尽量避免让你的车祸。放下车时要小心看车。它的速度有多快？它会直接吗？

让您的车更好更快

想想如何让你的车更快。以下是一些建议:

1. 尽量减少车轴的摩擦力。你能用其他材料制作轴承吗？
2. 确保轴彼此平行，以便它们平稳地滚动而不会卡住。
3. 你可以通过去除材料来打火车吗？
4. 您可以更改太阳能电池板的角度，使其直接面向太阳吗？您是否可以调整角度，以便在一天的不同时间或不同的方向上比赛时可以将面板朝向太阳倾斜？
5. 确保您的传输没有滑倒。你听到磨削/刮擦/咔哒声吗？即使您的车轴在旋转，齿轮也可能偶尔会相互滑动。调整传动装置，使齿轮牢固地相互挤压。
6. 尝试更改齿轮比。如果你使用不同尺寸的齿轮会发生什么？如果你试试这个，你可能需要重新调整电机和/或轴.

参加Junior Solar Sprint比赛

现在你读到了比赛！输入离您最近的Junior Solar Sprint的地区分行，并在竞争中测试您的汽车。

变体形式

• • 你是生活在多云的气候中，还是因为某些原因你无法在户外进行这个项目？别担心！您仍然可以构建和测试电池供电的汽车，并应用许多相同的工程原理。而不是太阳能电池板，购买 2xAA电池组并将其连接到您的发动机.
  • 您可以使用不同的太阳能汽车代替太阳能汽车吗？太阳能风扇或带有活动部件的艺术品怎么样？
  • 如果您的学校不允许他们的科学展览会进行工程项目，请考虑与您的汽车一起开展科学项目。进行实验以确定如何更改一个变量，例如太阳能电池板相对于太阳的传动比或角度，会影响汽车的速度。