Carreras de autos solares

Las carreras de autos solares se refieren a carreras competitivas de vehículos eléctricos que funcionan con energía solar obtenida de paneles solares en la superficie del automóvil (autos solares). La primera carrera de autos solares fue el Tour de Sol en 1985, que dio lugar a varias carreras similares en Europa, EE. UU. Y Australia. Tales desafíos a menudo son ingresados ​​por las universidades para desarrollar las habilidades tecnológicas y de ingeniería de sus estudiantes, pero muchas corporaciones comerciales han entrado en competiciones en el pasado. Un pequeño número de equipos de la escuela secundaria participa en carreras de autos solares diseñados exclusivamente para estudiantes de secundaria.

Carreras a distancia
Las dos carreras más notables de distancia de coches solares (terrestres) son el World Solar Challenge y el American Solar Challenge. Son disputados por una variedad de equipos universitarios y corporativos. Los equipos corporativos participan en las carreras para dar a sus equipos de diseño la experiencia de trabajar tanto con fuentes de energía alternativas como con materiales avanzados. Los equipos universitarios participan para dar a sus estudiantes experiencia en el diseño de automóviles de alta tecnología y trabajar con tecnología ambiental y de materiales avanzados. Estas carreras a menudo son patrocinadas por agencias gubernamentales o educativas, y empresas como Toyota desean promover fuentes de energía renovables.

Apoyo
Los autos requieren equipos de soporte intensivo de tamaño similar a los equipos profesionales de carreras de motor. Este es especialmente el caso con el World Solar Challenge, donde las secciones de la carrera se ejecutan en un país muy remoto. El coche solar viajará escoltado por una pequeña caravana de autos de apoyo. En una carrera de larga distancia, cada vehículo solar estará precedido por un automóvil líder que puede identificar problemas u obstáculos antes del auto de carreras. Detrás del coche solar habrá un vehículo de control de misión desde el que se controlará el ritmo de carrera. Aquí las decisiones tácticas se toman en base a la información del coche solar y la información ambiental sobre el clima y el terreno. Detrás del control de la misión puede haber uno o más vehículos que lleven conductores de reemplazo y soporte de mantenimiento, así como suministros y equipo de campamento para todo el equipo.

World Solar Challenge
Esta carrera presenta un campo de competidores de todo el mundo que compiten por cruzar el continente australiano. La carrera del 30º Aniversario del World Solar Challenge se celebrará en octubre de 2017. En junio de 2006 se lanzaron importantes cambios en la regulación de esta carrera para aumentar la seguridad, para construir una nueva generación de automóviles solares, que con pocas modificaciones podría ser la base para una propuesta práctica para el transporte sostenible y destinada a desacelerar los automóviles en el evento principal, que fácilmente podría exceder el límite de velocidad (110 km / h) en años anteriores.

En 2013, los organizadores del evento presentaron la clase Cruiser para el World Solar Challenge, diseñado para alentar a los concursantes a diseñar un vehículo impulsado por energía solar «práctico». Esta carrera requiere que los vehículos tengan cuatro ruedas y asientos verticales para los pasajeros, y se juzga por una serie de factores que incluyen el tiempo, la carga útil, las millas de pasajeros y el uso de energía externa. El equipo holandés de carreras TU Eindhoven fue el ganador inaugural de la Clase Cruiser con su vehículo Stella.

Desafío Solar Americano
El American Solar Challenge, anteriormente conocido como el ‘Desafío Solar de América del Norte’ y ‘Sunrayce’, presenta a equipos en su mayoría universitarios compitiendo en intervalos cronometrados en los Estados Unidos y Canadá. La carrera anual de Fórmula Sun Grand Prix se usa como un calificador para ASC.

El American Solar Challenge fue patrocinado en parte por varios pequeños patrocinadores. Sin embargo, la financiación se redujo a fines de 2005 y el NASC 2007 se canceló. La comunidad de carreras de energía solar de América del Norte trabajó para encontrar una solución, trayendo a Toyota como patrocinador principal para una carrera de 2008. Toyota ha dejado el patrocinio desde entonces. El último North American Solar Challenge se realizó en 2016, desde Brecksville, OH hasta Hot Springs, SD. La carrera fue ganada por la Universidad de Michigan. Michigan ha ganado la carrera las últimas 6 veces que se ha celebrado.

El Desafío del Coche Solar de la Escuela Dell-Winston
El Dell-Winston School Solar Car Challenge es una carrera anual de autos impulsada por energía solar para estudiantes de secundaria. El evento atrae a equipos de todo el mundo, pero principalmente de escuelas secundarias estadounidenses. La carrera se celebró por primera vez en 1995. Cada evento es el producto final de un ciclo educativo de dos años lanzado por el equipo Winston Solar Car. En años impares, la carrera es un recorrido que comienza en el Dell Diamond en Round Rock, Texas; el final del curso varía de un año a otro. En los años pares, la carrera es una carrera de pista alrededor del Texas Motor Speedway. Dell ha patrocinado el evento desde 2002.

Desafío solar sudafricano
El South African Solar Challenge es una carrera de autos bienal de dos semanas impulsada por energía solar a lo largo y ancho de Sudáfrica. El primer desafío en 2008 demostró que este evento puede atraer el interés del público y que cuenta con el respaldo internacional necesario de la FIA. A fines de septiembre, todos los participantes despegarán de Pretoria y se dirigirán a Ciudad del Cabo, luego conducirán por la costa hasta Durban, antes de subir por la escarpa en su camino de regreso a la línea de meta en Pretoria 11 días después. El evento ha sido respaldado (tanto en 2008 como en 2010) por la Federación Internacional de Solarcar (ISF), la Federación Internacional del Automóvil (FIA), el Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF), convirtiéndose en la primera carrera solar en recibir el respaldo de estas 3 organizaciones. La última carrera tuvo lugar en 2016. Sasol confirmó su apoyo al Desafío Solar de Sudáfrica, tomando los derechos de nombramiento del evento, por lo que durante el tiempo de su patrocinio, el evento fue conocido como el Desafío Solar Sasol, Sudáfrica.

Carrera Solar Atacama
El Carrera Solar Atacama es la primera carrera de autos impulsada por energía solar de su tipo en América Latina; la carrera abarca 2.600 km (1.600 millas) desde Santiago hasta Arica, en el norte de Chile. El fundador de la carrera, La Ruta Solar, afirma que es la más extrema de las carreras vehiculares debido a los altos niveles de radiación solar, hasta 8,5 kWh / m2 / día, que se encuentran al atravesar el desierto de Atacama, y ​​desafía a los equipos participantes a subir 3.500 m (11.500 pies) sobre el nivel del mar. La carrera, que debutó en 2009 con solo un puñado de equipos locales, está programada para su quinta versión a fines de octubre de 2018, dando la bienvenida a equipos internacionales en todas las categorías y por primera vez en inglés y español.

Otras razas
Formula-G, una carrera de atletismo anual en Turquía.
Suzuka, una carrera de atletismo anual en Japón.
World Green Challenge (World Solarcar Rallye / World Solar Bicycle race), una carrera de atletismo anual en Japón.
Faetón, parte de la Olimpiada Cultural en Grecia antes de los Juegos Olímpicos de 2004.
World Solar Rally en Taiwán.

Carreras de arrastre solar
Las carreras de resistencia solar son otra forma de carrera solar. A diferencia de las carreras solares de larga distancia, los dragsters solares no usan baterías ni dispositivos de almacenamiento de energía precargados. Los corredores van cara a cara en una distancia de un cuarto de kilómetro.Actualmente, una carrera de resistencia solar se lleva a cabo cada año el sábado más cercano al solsticio de verano en Wenatchee, Washington, EE. UU. El récord mundial para este evento es de 29.5 segundos establecido por el equipo South Whidbey High School el 23 de junio de 2007.

Registros de velocidad

Fédération Internationale de l’Automobile (FIA)
La FIA reconoce un récord de velocidad terrestre para vehículos que funcionan únicamente con paneles solares. El récord actual fue establecido por el Raedthuys Solar Team, de la Universidad de Twente con su auto SolUTra. El registro de 37.757 km / h se estableció en 2005. El registro se lleva a cabo en una carrera de vuelo de 1000 m, y es la velocidad promedio de 2 carreras en direcciones opuestas.

En julio de 2014, un grupo de estudiantes australianos del equipo de carreras solares UNSW Sunswift en la Universidad de Nueva Gales del Sur batió un récord mundial en su automóvil solar, por el automóvil eléctrico más rápido que pesaba menos de 500 kilogramos (1.100 lb) y era capaz de viajando 500 kilómetros (310 mi) con una sola carga de batería. Este registro en particular fue supervisado por la Confederación de Automovilismo de Australia en nombre de la FIA y no es exclusivo de los coches con motor solar, sino de cualquier coche eléctrico, por lo que durante el intento los paneles solares fueron desconectados de los sistemas eléctricos. El récord anterior de 73 kilómetros por hora (45 mph), que se había establecido en 1988, fue roto por el equipo con una velocidad promedio de 107 kilómetros por hora (66 mph) en la distancia de 500 kilómetros (310 millas).

Récord mundial Guinness
Los Récords Mundiales de Guinness reconocen un récord de velocidad terrestre para vehículos que funcionan únicamente con paneles solares. Este registro se lleva a cabo actualmente por la Universidad de Nueva Gales del Sur con el automóvil Sunswift IV. Su batería de 25 kilogramos (55 libras) fue removida por lo que el vehículo solo fue alimentado por sus paneles solares. El récord de 88,8 kilómetros por hora (55,2 mph) se estableció el 7 de enero de 2011 en la base aérea naval HMAS Albatros en Nowra, rompiendo el récord anteriormente ocupado por el coche de General Motors Sunraycer de 78,3 kilómetros por hora (48,7 mph). El registro se lleva a cabo en un tramo volador de 500 metros (1,600 pies), y es el promedio de dos carreras en direcciones opuestas.

Registros diversos
Registro australiano de velocidad transcontinental (Perth a Sydney)
El récord de Perth a Sydney Transcontinental ha tenido cierto atractivo en Solar Car Racing. Hans Tholstrup (el fundador del World Solar Challenge) completó por primera vez este viaje en The Quiet Achiever en menos de 20 días en 1983. Este vehículo se encuentra en la colección del Museo Nacional de Australia en Canberra.

El récord fue batido por Dick Smith y la Asociación de Vehículos Solares Aurora en la Aurora Q1

El récord actual fue establecido en 2007 por el UNSW Solar Racing Team con su coche Sunswift III mk2

Diseño del vehículo
Los automóviles solares combinan la tecnología utilizada en las industrias aeroespacial, de bicicletas, energía alternativa y automotriz. A diferencia de la mayoría de los autos de carrera, los autos solares están diseñados con severas restricciones de energía impuestas por las regulaciones de la carrera. Estas reglas limitan la energía utilizada solo a la recogida de la radiación solar, aunque comienza con una batería completamente cargada. Algunas clases de vehículos también permiten la entrada de energía humana. Como resultado, la optimización del diseño para tener en cuenta la resistencia aerodinámica, el peso del vehículo, la resistencia a la rodadura y la eficiencia eléctrica son fundamentales.

Un diseño habitual para los vehículos exitosos de hoy en día es un pequeño dosel en el centro de un conjunto de alas curvas, completamente cubierto de células, con 3 ruedas. Antes, el estilo de cucaracha con un carenado liso en el panel era más exitoso. A velocidades más bajas, con matrices menos potentes, otras configuraciones son viables y más fáciles de construir, por ejemplo, cubriendo las superficies disponibles de los vehículos eléctricos existentes con células solares o sujetando toldos solares sobre ellos.

Sistema eléctrico
El sistema eléctrico controla toda la potencia que entra y sale del sistema. La batería almacena la energía solar excedente producida cuando el vehículo está parado o viaja lentamente o cuesta abajo. Los autos solares usan una gama de baterías que incluyen baterías de plomo-ácido, baterías de hidruro de níquel-metal (NiMH), baterías de níquel-cadmio (NiCd), baterías de iones de litio y baterías de polímero de litio.

La electrónica de potencia se puede utilizar para optimizar el sistema eléctrico. El rastreador de potencia máxima ajusta el punto de funcionamiento de la matriz solar a esa tensión que produce la mayor cantidad de energía para las condiciones dadas, por ejemplo, temperatura. El administrador de la batería protege las baterías contra la sobrecarga. El controlador del motor controla la potencia del motor deseada. Muchos controladores permiten el frenado regenerativo, es decir, la potencia se alimenta a la batería durante la desaceleración.

Algunos autos solares tienen sistemas complejos de adquisición de datos que monitorean todo el sistema eléctrico, mientras que los autos básicos muestran el voltaje de la batería y la corriente del motor. Para juzgar el rango disponible con la producción solar variable y el consumo de motivo, un medidor de amperios-hora multiplica la corriente y la velocidad de la batería, proporcionando así el rango restante del vehículo en cada momento en las condiciones dadas.

Se ha utilizado una amplia variedad de tipos de motores. Los motores más eficientes superan el 98% de eficiencia. Estos son motores de rueda trifásicos sin escobillas, trifásicos, conmutados electrónicamente, con una configuración de matriz de Halbach para los imanes de neodimio-hierro-boro y cables Litz para los devanados. Las alternativas más baratas son los motores de corriente alterna asíncronos o cepillados.

Sistemas mecánicos
Los sistemas mecánicos están diseñados para mantener la fricción y el peso a un mínimo manteniendo la resistencia y la rigidez. Los diseñadores normalmente usan aluminio, titanio y materiales compuestos para proporcionar una estructura que cumpla con los requisitos de rigidez y rigidez a la vez que es bastante ligera. El acero se usa para algunas piezas de suspensión en muchos automóviles.

Los autos solares usualmente tienen tres ruedas, pero algunos tienen cuatro. Los vehículos de tres ruedas generalmente tienen dos ruedas delanteras y una rueda trasera: el volante de las ruedas delanteras y la rueda trasera siguen. Los vehículos de cuatro ruedas están configurados como autos normales o de manera similar a los vehículos de tres ruedas con las dos ruedas traseras juntas.

Los automóviles solares tienen una amplia gama de suspensiones debido a la variación de cuerpos y chasis. La suspensión delantera más común es la suspensión de doble horquilla. La suspensión trasera es a menudo una suspensión de brazo posterior que se encuentra en las motocicletas.

Los autos solares deben cumplir con estándares rigurosos para los frenos. Los frenos de disco son los más utilizados debido a su buena capacidad de frenado y capacidad de ajuste. Los frenos mecánicos e hidráulicos son ampliamente utilizados. Las pastillas de freno o zapatos están diseñados típicamente para retraerse para minimizar el arrastre de los frenos, en los principales automóviles.

Los sistemas de dirección para autos solares también varían. Los principales factores de diseño para los sistemas de dirección son la eficiencia, la fiabilidad y la alineación de precisión para minimizar el desgaste de los neumáticos y la pérdida de potencia. La popularidad de las carreras de autos solares ha llevado a algunos fabricantes de neumáticos a diseñar neumáticos para vehículos solares. Esto ha aumentado la seguridad y el rendimiento general.

Todos los mejores equipos ahora usan motores de rueda, eliminando las transmisiones por correa o cadena.

Las pruebas son esenciales para demostrar la confiabilidad del vehículo antes de una carrera. Es fácil gastar cien mil dólares para obtener una ventaja de dos horas, e igualmente fácil perder dos horas debido a problemas de confiabilidad.

Panel solar
La matriz solar consta de cientos (o miles) de células solares fotovoltaicas que convierten la luz solar en electricidad. Los automóviles pueden usar una variedad de tecnologías de células solares;más a menudo silicio policristalino, silicio monocristalino o arseniuro de galio. Las celdas están cableadas juntas en cadenas, mientras que las cadenas a menudo se conectan entre sí para formar un panel. Los paneles normalmente tienen voltajes cercanos al voltaje nominal de la batería. El objetivo principal es obtener la mayor área de celda en un espacio tan pequeño como sea posible.Los diseñadores encapsulan las células para protegerlas del clima y la rotura.

Diseñar una matriz solar es más que simplemente unir un montón de células. Una matriz solar actúa como muchas baterías muy pequeñas, todas conectadas en serie. El voltaje total producido es la suma de todos los voltajes de la celda. El problema es que si una sola celda está en la sombra actúa como un diodo, bloqueando la corriente para toda la cadena de celdas. Para diseñar en contra de esto, los diseñadores de matriz usan diodos de derivación en paralelo con segmentos más pequeños de la cadena de celdas, lo que permite la corriente alrededor de la (s) celda (s) que no funciona (n). Otra consideración es que la batería en sí puede forzar la corriente hacia atrás a través de la matriz a menos que haya diodos de bloqueo colocados al final de cada panel.

La potencia producida por la matriz solar depende de las condiciones climáticas, la posición del sol y la capacidad de la matriz. Al mediodía de un día brillante, una buena matriz puede producir más de 2 kilovatios (2.6 hp). Una matriz de 6 m2 de células al 20% producirá aproximadamente 6 kW • h (22 kJ) de energía durante un día típico en la CSM.

Algunos automóviles han utilizado velas autónomas o integradas para aprovechar la energía eólica.Las carreras, incluidas WSC y ASC, consideran la energía eólica como energía solar, por lo que sus regulaciones de carrera permiten esta práctica.

Aerodinámica
La resistencia aerodinámica es la principal fuente de pérdidas en un automóvil de carrera solar. El arrastre aerodinámico de un vehículo es el producto del área frontal y su Cd. Para la mayoría de los autos solares, el área frontal es de 0,75 a 1,3 m2. Mientras que Cd tan bajo como 0.10 ha sido reportado, 0.13 es más típico. Esto requiere una gran atención al detalle.

Masa
La masa del vehículo también es un factor importante. Un vehículo ligero genera menos resistencia a la rodadura y necesitará frenos más ligeros y otros componentes de la suspensión. Este es el círculo virtuoso al diseñar vehículos ligeros.

Resistencia a la rodadura
La resistencia al rodamiento se puede minimizar utilizando las llantas correctas, infladas a la presión correcta, alineadas correctamente y minimizando el peso del vehículo.

Ecuación del rendimiento
El diseño de un automóvil solar se rige por la siguiente ecuación de trabajo:

que se puede simplificar de manera útil a la ecuación de rendimiento

para carreras de larga distancia y valores vistos en la práctica.

En pocas palabras, el lado izquierdo representa la entrada de energía en el automóvil (baterías y energía del sol) y el lado derecho es la energía necesaria para conducir el automóvil a lo largo de la ruta (superando resistencia a la rodadura, aerodinámica, cuesta arriba y acelerando ) Todo en esta ecuación se puede estimar excepto v. Los parámetros incluyen:

Nota 1 Para el WSC, la potencia promedio del panel se puede aproximar a (7/9) × potencia nominal.

La resolución de la forma larga de la ecuación para la velocidad da como resultado una ecuación grande (aproximadamente 100 términos). Utilizando la ecuación de poder como árbitro, los diseñadores de vehículos pueden comparar varios diseños de automóviles y evaluar el rendimiento comparativo en una ruta determinada. Combinado con CAE y modelado de sistemas, la ecuación de potencia puede ser una herramienta útil en el diseño de automóviles solares.

Consideraciones de ruta de carrera
La orientación direccional de una ruta de carreras de automóviles solares afecta la posición aparente del sol en el cielo durante un día de carrera, lo que a su vez afecta la entrada de energía al vehículo.

En una alineación de ruta de carrera sur-norte, por ejemplo, el sol se levantaría sobre el hombro derecho del conductor y terminaría sobre su izquierda (debido al movimiento aparente este-oeste del sol).
En una alineación de ruta de raza este-oeste, el sol se levantaría detrás del vehículo, y parecería moverse en la dirección del movimiento del vehículo, ubicado en la parte delantera del automóvil.
Una alineación de ruta híbrida incluye secciones significativas de las rutas sur-norte y este-oeste juntas.
Esto es importante para los diseñadores, que buscan maximizar la entrada de energía a un panel de células solares (a menudo llamado «matriz» de células) mediante el diseño de la matriz para apuntar directamente hacia el sol durante el mayor tiempo posible durante el día de la carrera. Por lo tanto, un diseñador de autos de carrera sur-norte podría aumentar el aporte de energía total del automóvil mediante el uso de celdas solares en los lados del vehículo donde el sol los golpeará (o creando un conjunto convexo coaxial con el movimiento del vehículo). En contraste, una alineación de raza este-oeste podría reducir el beneficio de tener celdas en el costado del vehículo, y por lo tanto podría alentar el diseño de una matriz plana.

Debido a que los autos solares a menudo se construyen específicamente, y debido a que las matrices generalmente no se mueven en relación con el resto del vehículo (con notables excepciones), este compromiso de diseño de panel plano versus diseño convexo de ruta de carrera es uno de los más importantes decisiones que debe tomar un diseñador de automóviles solares.

Por ejemplo, los eventos Sunrayce USA de 1990 y 1993 fueron ganados por vehículos con arrays significativamente convexos, correspondientes a las alineaciones de carrera sur-norte; en 1997, sin embargo, la mayoría de los automóviles en ese evento tenían matrices planas para unir el cambio a una ruta este-oeste.

Estrategia de carrera

Consumo de energía
Optimizar el consumo de energía es de primordial importancia en una carrera de autos solares. Por lo tanto, es útil poder monitorear y optimizar continuamente los parámetros de energía del vehículo.Dadas las condiciones variables, la mayoría de los equipos tienen programas de optimización de la velocidad de carrera que actualizan continuamente al equipo sobre la velocidad con la que el vehículo debería viajar. Algunos equipos emplean la telemetría que transmite datos de rendimiento del vehículo a un vehículo de soporte siguiente, que puede proporcionar al conductor del vehículo una estrategia óptima.

Ruta de carrera
La ruta de la carrera en sí afectará la estrategia, ya que la posición aparente del sol en el cielo variará dependiendo de varios factores que son específicos de la orientación del vehículo.

Además, los cambios de elevación en una ruta de carrera pueden cambiar drásticamente la cantidad de energía necesaria para recorrer la ruta. Por ejemplo, la ruta del Desafío Solar de América del Norte de 2001 y 2003 cruzó las Montañas Rocosas.

Predicción del tiempo
Un equipo exitoso de carreras de autos solares necesitará tener acceso a predicciones meteorológicas confiables para predecir la entrada de energía al vehículo desde el sol durante cada día de la carrera.