Le gare automobilistiche solari si riferiscono a gare competitive di veicoli elettrici alimentati dall’energia solare ottenuta dai pannelli solari sulla superficie dell’auto (auto solari). La prima gara di auto solari fu il Tour de Sol del 1985 che portò a molte gare simili in Europa, Stati Uniti e Australia.Tali sfide sono spesso introdotte dalle università per sviluppare le capacità ingegneristiche e tecnologiche dei propri studenti, ma molte società commerciali hanno partecipato a concorsi in passato. Un piccolo numero di team di scuole superiori partecipa a gare di auto solari progettate esclusivamente per studenti delle scuole superiori.
Gare a distanza
Le due più importanti gare di distanza solare (via terra) sono la World Solar Challenge e l’American Solar Challenge. Sono contestati da una varietà di squadre universitarie e aziendali. I team aziendali partecipano alle gare per offrire ai team di progettazione l’esperienza di lavorare con fonti di energia alternativa e materiali avanzati. I team universitari partecipano al fine di offrire ai propri studenti un’esperienza nella progettazione di auto ad alta tecnologia e nel lavoro con tecnologie ambientali e avanzate dei materiali. Queste gare sono spesso sponsorizzate da agenzie governative o educative e da aziende come Toyota che desiderano promuovere le fonti di energia rinnovabile.
Supporto
Le auto richiedono team di supporto intensivi di dimensioni simili ai team di corse automobilistiche professionali. Questo è in particolare il caso della World Solar Challenge in cui sezioni della corsa attraversano paesi molto remoti. L’auto solare viaggerà scortata da una piccola carovana di auto di supporto. In una gara a lunga distanza ogni auto solare sarà preceduta da un’auto principale che può identificare problemi o ostacoli davanti alla macchina da corsa. Dietro l’auto solare ci sarà un veicolo di controllo della missione da cui viene controllato il ritmo della gara. Qui le decisioni tattiche vengono prese in base alle informazioni fornite dall’auto solare e alle informazioni ambientali sul tempo e sul terreno. Dietro il controllo della missione potrebbero esserci uno o più veicoli che trasportano driver di sostituzione e supporto per la manutenzione, oltre a forniture e attrezzature da campeggio per l’intera squadra.
World Solar Challenge
Questa gara presenta un campo di concorrenti provenienti da tutto il mondo che corrono per attraversare il continente australiano. La gara del 30 ° anniversario del World Solar Challenge si svolgerà nell’ottobre 2017. Nel giugno 2006 sono stati pubblicati importanti cambiamenti normativi per questa gara per aumentare la sicurezza, per costruire una nuova generazione di auto solari, che con poche modifiche potrebbe costituire la base per un proposta pratica per il trasporto sostenibile e intesa a rallentare le auto nell’evento principale, che potrebbe facilmente superare il limite di velocità (110 km / h) negli anni precedenti.
Nel 2013 gli organizzatori dell’evento hanno presentato la Cruiser Class al World Solar Challenge, progettato per incoraggiare i concorrenti a progettare un veicolo “pratico” ad energia solare. Questa gara richiede che i veicoli abbiano quattro ruote e posti a sedere verticali per i passeggeri, ed è giudicato su una serie di fattori tra cui tempo, carico utile, miglia per i passeggeri e uso di energia esterna. Il team olandese di corse solari TU Eindhoven ha vinto la Classe Cruiser con il suo veicolo Stella.
American Solar Challenge
L’American Solar Challenge, precedentemente noto come “North American Solar Challenge” e “Sunrayce”, ha per la maggior parte squadre di squadre universitarie che corrono a intervalli regolari negli Stati Uniti e in Canada. La gara annuale di Formula Sun Grand Prix viene utilizzata come qualifica per ASC.
L’American Solar Challenge è stato sponsorizzato in parte da diversi piccoli sponsor. Tuttavia, i finanziamenti sono stati tagliati verso la fine del 2005 e la NASC 2007 è stata annullata. La comunità di corse solari nordamericane ha lavorato per trovare una soluzione, portando Toyota come sponsor principale per una gara del 2008. Da allora la Toyota ha abbandonato la sponsorizzazione. L’ultima North American Solar Challenge è stata lanciata nel 2016, da Brecksville, OH a Hot Springs, SD. La gara è stata vinta dall’Università del Michigan. Il Michigan ha vinto la gara nelle ultime 6 volte in cui è stato tenuto.
La sfida Solar Car di Dell-Winston School
La Solar Car Challenge della Dell-Winston School è una gara automobilistica annuale a energia solare per studenti delle scuole superiori. L’evento attira squadre da tutto il mondo, ma soprattutto dalle scuole superiori americane. La gara si è tenuta per la prima volta nel 1995. Ogni evento è il prodotto finale di un ciclo di formazione di due anni lanciato da Winston Solar Car Team. Negli anni dispari, la gara è un percorso su strada che inizia al Dell Diamond a Round Rock, in Texas; la fine del corso varia di anno in anno. Negli anni pari, la gara è una gara su pista intorno al Texas Motor Speedway. Dell ha sponsorizzato l’evento dal 2002.
Sfida solare sudafricana
La South African Solar Challenge è una gara automobilistica biennale a energia solare durata due settimane in tutto il Sudafrica. La prima sfida del 2008 ha dimostrato che questo evento può attrarre l’interesse del pubblico e che ha il necessario sostegno internazionale dalla FIA. Verso la fine di settembre, tutti i partecipanti partiranno da Pretoria e si dirigeranno verso Città del Capo, quindi proseguiranno lungo la costa fino a Durban, per poi risalire la scarpata sulla via del ritorno a Pretoria 11 giorni dopo. L’evento ha (sia nel 2008 che nel 2010) l’approvazione della International Solarcar Federation (ISF), Fédération Internationale de l’Automobile (FIA), World Wildlife Fund (WWF) che la rende la prima gara solare a ricevere l’approvazione da queste 3 organizzazioni. L’ultima gara si è svolta nel 2016. Sasol ha confermato il loro sostegno al South Africa Solar Challenge, prendendo i diritti di denominazione per l’evento, così che per tutta la durata della loro sponsorizzazione, l’evento era noto come Sasol Solar Challenge, in Sud Africa.
Carrera Solar Atacama
Carrera Solar Atacama è la prima gara automobilistica a energia solare del suo genere in America Latina; la gara copre 2.600 km (1.600 miglia) da Santiago ad Arica, nel nord del Cile. La fondatrice della corsa, La Ruta Solar, afferma che è la più estrema delle gare veicolari a causa degli alti livelli di radiazione solare, fino a 8,5 kWh / m2 / giorno, incontrati mentre attraversava il Deserto di Atacama, oltre a sfidare le squadre partecipanti a Salire a 3.500 m (11.500 piedi) sul livello del mare. La gara, che ha debuttato nel 2009 con solo una manciata di squadre locali, è pronta per la sua quinta versione a fine ottobre 2018, accogliendo squadre internazionali in tutte le categorie e per la prima volta sia in inglese che in spagnolo.
Altre razze
Formula-G, una gara su pista annuale in Turchia.
Suzuka, una gara su pista annuale in Giappone.
World Green Challenge (World Solarcar Rallye / World Solar Bicycle race), una gara su pista annuale in Giappone.
Phaethon, parte delle Olimpiadi della cultura in Grecia prima delle Olimpiadi del 2004.
World Solar Rally a Taiwan.
Gare di resistenza solare
Le gare di resistenza solare sono un’altra forma di corsa solare. A differenza delle gare solari a lunga distanza, i dragster solari non usano batterie o dispositivi di accumulo di energia precaricati. I corridori vanno testa a testa per una distanza di un quarto di miglio. Attualmente, una gara di resistenza solare si svolge ogni anno il sabato più vicino al solstizio d’estate a Wenatchee, nello stato di Washington, negli Stati Uniti. Il record mondiale per questo evento è di 29,5 secondi stabilito dal team di South Whidbey High School il 23 giugno 2007.
Record di velocità
Fédération Internationale de l’Automobile (FIA)
La FIA riconosce un record di velocità terrestre per veicoli alimentati solo da pannelli solari. Il record attuale è stato stabilito dal Raedthuys Solar Team, dell’Università di Twente con la loro auto SolUTra.Il record di 37.757 km / h è stato stabilito nel 2005. Il record si svolge su una corsa di 1000 m, ed è la velocità media di 2 corse in direzioni opposte.
Nel luglio 2014, un gruppo di studenti australiani del team solare UNSW Sunswift presso l’Università del New South Wales ha battuto un record mondiale nella loro auto solare, per l’auto elettrica più veloce che pesa meno di 500 chilogrammi (1.100 lb) e capace di viaggiando 500 chilometri (310 miglia) con una sola carica della batteria. Questo particolare record è stato supervisionato dalla Confederazione dell’Australian Motorsport per conto della FIA e non è esclusivo per le auto a energia solare, ma per qualsiasi auto elettrica, e così durante il tentativo i pannelli solari sono stati scollegati dai sistemi elettrici. Il precedente record di 73 chilometri all’ora (45 mph) – che era stato fissato nel 1988 – è stato rotto dal team con una velocità media di 107 chilometri all’ora (66 miglia orarie) su una distanza di 500 chilometri (310 miglia).
Record mondiale del Guinness
Guinness World Records riconosce un record di velocità terrestre per veicoli alimentati solo da pannelli solari. Questo disco è attualmente detenuto dall’Università del New South Wales con l’auto Sunswift IV. La batteria da 25 chilogrammi (55 libbre) è stata rimossa, quindi il veicolo era alimentato solo dai suoi pannelli solari. Il record di 88,8 chilometri all’ora (55,2 mph) è stato fissato il 7 gennaio 2011 presso la base aerea navale HMAS Albatross a Nowra, rompendo il record precedentemente detenuto dalla vettura General Motors Sunraycer di 78,3 chilometri all’ora (48,7 mph). Il record si svolge su un tratto di 500 metri (1,600 piedi) ed è la media di due percorsi in direzioni opposte.
Registrazioni varie
Speed Transcontinental australiano (da Perth a Sydney)
Il record Transcontinental da Perth a Sydney ha avuto un certo fascino in Solar Car Racing. Hans Tholstrup (il fondatore della World Solar Challenge) ha completato questo viaggio in The Quiet Achiever in meno di 20 giorni nel 1983. Questo veicolo è nella collezione del National Museum of Australia di Canberra.
Il record è stato battuto da Dick Smith e dall’Aurora Solar Vehicle Association che corre nell’Aurora Q1
Il record attuale è stato stabilito nel 2007 dal team UNSW Solar Racing con la loro auto Sunswift III mk2
Design del veicolo
Le auto solari combinano la tecnologia utilizzata nell’industria aerospaziale, della bicicletta, dell’energia alternativa e automobilistica. A differenza della maggior parte delle auto da corsa, le auto solari sono progettate con severi vincoli energetici imposti dai regolamenti di gara. Queste regole limitano l’energia utilizzata solo a quella raccolta dalla radiazione solare, anche se a partire da una batteria completamente carica. Alcune classi di veicoli consentono anche l’alimentazione umana. Di conseguenza, l’ottimizzazione del design per tenere conto della resistenza aerodinamica, del peso del veicolo, della resistenza al rotolamento e dell’efficienza elettrica è fondamentale.
Un design abituale per i veicoli di successo di oggi è una piccola vela nel mezzo di una schiera ad ala curva, interamente rivestita in celle, con 3 ruote. Prima, lo stile di scarafaggio con una carenatura del naso levigato nel pannello aveva più successo. A velocità inferiori, con matrici meno potenti, altre configurazioni sono fattibili e più facili da costruire, ad esempio coprendo le superfici disponibili di veicoli elettrici esistenti con celle solari o fissando dei baldacchini solari sopra di loro.
Sistema elettrico
L’impianto elettrico controlla tutta la potenza che entra e esce dal sistema. Il pacco batterie immagazzina l’energia solare in eccesso prodotta quando il veicolo è fermo o viaggia lentamente o in discesa. Le auto solari utilizzano una gamma di batterie incluse batterie al piombo, batterie al nichel-metallo idruro (NiMH), batterie al nichel-cadmio (NiCd), batterie agli ioni di litio e batterie ai polimeri di litio.
L’elettronica di potenza può essere utilizzata per ottimizzare l’impianto elettrico. Il power tracker massimo regola il punto di funzionamento dell’array solare con quella tensione che produce la massima potenza per le condizioni date, ad esempio la temperatura. Il gestore della batteria protegge le batterie dal sovraccarico. Il controller del motore controlla la potenza del motore desiderata. Molti controller consentono la frenatura rigenerativa, ovvero l’alimentazione viene reimmessa nella batteria durante la decelerazione.
Alcune auto solari hanno sistemi di acquisizione dati complessi che monitorano l’intero sistema elettrico, mentre le auto di base mostrano la tensione della batteria e la corrente del motore. Per giudicare la gamma disponibile con produzione solare variabile e consumo di motori, un misuratore di ampere-ora moltiplica la corrente e la frequenza della batteria, fornendo così la gamma di veicoli rimanenti in ciascun momento nelle condizioni date.
È stata utilizzata un’ampia varietà di tipi di motore. I motori più efficienti superano il 98% di efficienza.Questi sono motori brushless trifase a fase trifase, commutati elettronicamente, con una configurazione di array Halbach per i magneti al neodimio-ferro-boro e il filo Litz per gli avvolgimenti.Alternative più economiche sono i motori asincroni AC o brushed DC.
Sistemi meccanici
I sistemi meccanici sono progettati per mantenere l’attrito e il peso al minimo mantenendo la resistenza e la rigidità. I progettisti normalmente usano alluminio, titanio e materiali compositi per fornire una struttura che soddisfi i requisiti di resistenza e rigidità pur essendo abbastanza leggera.L’acciaio è usato per alcune parti di sospensione su molte macchine.
Le auto solari di solito hanno tre ruote, ma alcune ne hanno quattro. Le tre ruote di solito hanno due ruote anteriori e una posteriore: le ruote anteriori sterzano e la ruota posteriore segue. I veicoli a quattro ruote sono montati come normali vetture o similmente a veicoli a tre ruote con le due ruote posteriori ravvicinate.
Le auto solari hanno una vasta gamma di sospensioni a causa della variazione di corpi e telaio. La sospensione anteriore più comune è la sospensione a doppio braccio oscillante. La sospensione posteriore è spesso una sospensione del braccio longitudinale come si trova nei motocicli.
Le auto solari devono soddisfare rigorosi standard per i freni. I freni a disco sono i più comunemente usati grazie alla loro buona capacità di frenata e alla loro capacità di regolazione. I freni meccanici e idraulici sono entrambi ampiamente usati. Le pastiglie dei freni o le scarpe sono tipicamente progettate per retrarre per ridurre al minimo la resistenza dei freni, sulle auto più importanti.
Anche i sistemi di guida per auto solari variano. I principali fattori di progettazione per i sistemi di guida sono l’efficienza, l’affidabilità e l’allineamento di precisione per ridurre al minimo l’usura degli pneumatici e la perdita di potenza. La popolarità delle corse automobilistiche solari ha portato alcuni produttori di pneumatici a progettare pneumatici per veicoli solari. Ciò ha aumentato la sicurezza e le prestazioni complessive.
Tutti i migliori team ora utilizzano i motori delle ruote, eliminando le trasmissioni a cinghia o a catena.
I test sono essenziali per dimostrare l’affidabilità del veicolo prima di una gara. È facile spendere centomila dollari per ottenere un vantaggio di due ore e altrettanto facile perdere due ore a causa di problemi di affidabilità.
Array solare
L’array solare consiste in centinaia (o migliaia) di celle solari fotovoltaiche che convertono la luce solare in elettricità. Le automobili possono utilizzare una varietà di tecnologie per le celle solari; più spesso silicio policristallino, silicio monocristallino o arseniuro di gallio. Le celle sono collegate insieme in stringhe mentre le stringhe sono spesso collegate insieme per formare un pannello. I pannelli normalmente hanno tensioni prossime alla tensione nominale della batteria. L’obiettivo principale è quello di ottenere la maggior quantità possibile di spazio cellulare nel minor spazio possibile. I progettisti incapsulano le celle per proteggerle dalle intemperie e dalle rotture.
Progettare un array solare è molto più che stringere un gruppo di celle. Un array solare si comporta come molte batterie molto piccole tutte unite insieme in serie. La tensione totale prodotta è la somma di tutte le tensioni delle celle. Il problema è che se una singola cella è in ombra si comporta come un diodo, bloccando la corrente per l’intera stringa di celle. Per progettare in questo modo, i progettisti di array utilizzano diodi di bypass in parallelo con segmenti più piccoli della stringa di celle, consentendo la corrente attorno alle celle non funzionanti. Un’altra considerazione è che la batteria stessa può forzare la corrente all’indietro attraverso l’array, a meno che non ci siano diodi di blocco posti alla fine di ciascun pannello.
La potenza prodotta dall’array solare dipende dalle condizioni meteorologiche, dalla posizione del sole e dalla capacità dell’array. A mezzogiorno in un giorno luminoso, un buon array può produrre oltre 2 kilowatt (2,6 CV). Un array di 6 m2 di celle al 20% produrrà circa 6 kW • h (22 kJ) di energia durante un tipico giorno sul WSC.
Alcune auto hanno utilizzato vele indipendenti o integrate per sfruttare l’energia eolica. Razze tra cui il WSC e l’ASC, considerano l’energia eolica come l’energia solare, quindi le loro regole di gara consentono questa pratica.
Aerodinamica
La resistenza aerodinamica è la principale fonte di perdite su un’auto da corsa solare. La resistenza aerodinamica di un veicolo è il prodotto dell’area frontale e del suo Cd. Per la maggior parte delle auto solari l’area frontale è compresa tra 0,75 e 1,3 m2. Mentre è stato segnalato Cd a partire da 0.10, 0.13 è più tipico. Ciò richiede una grande attenzione ai dettagli.
Massa
Anche la massa del veicolo è un fattore significativo. Un veicolo leggero genera meno resistenza al rotolamento e necessita di freni più leggeri più piccoli e di altri componenti per le sospensioni.Questo è il circolo virtuoso nella progettazione di veicoli leggeri.
Resistenza al rotolamento
La resistenza al rotolamento può essere minimizzata utilizzando gli pneumatici giusti, gonfiati alla giusta pressione, allineati correttamente e riducendo al minimo il peso del veicolo.
Equazione delle prestazioni
Il design di un’auto solare è regolato dalla seguente equazione di lavoro:
che può essere utilmente semplificato all’equazione delle prestazioni
per corse a lunga distanza e valori visti nella pratica.
In breve, il lato sinistro rappresenta l’energia immessa nell’automobile (batterie e potenza dal sole) e il lato destro è l’energia necessaria per guidare l’auto lungo il percorso (superando resistenza al rotolamento, resistenza aerodinamica, salita e accelerazione ). Tutto in questa equazione può essere stimato tranne v. I parametri includono:
| Simbolo | Descrizione | Ford Australia | Aurora | Aurora | Aurora |
|---|---|---|---|---|---|
| Anno | 1987 | 1993 | 1999 | 2007 | |
| η | Efficienza del motore, del controller e della trasmissione (decimale) | 0.82 | 0,80 | 0.97 | 0.97 |
| η b | Efficienza della batteria in watt-ora (decimale) | 0.82 | 0.92 | 0.82 | 1.00 (LiPoly) |
| E | Energia disponibile nelle batterie (joule) | 1.2e7 | 1.8e7 | 1.8e7 | 1.8e7 |
| P | Potenza media stimata dall’array (1) (watt) | 918 | 902 | 1050 | 972 |
| X | Distanza percorso gara (metri) | 3E6 | 3.007e6 | 3.007e6 | 3.007e6 |
| W | Peso del veicolo incluso carico utile (newton) | 2690 | 2950 | 3000 | 2400 |
| C rr 1 | Primo coefficiente di resistenza al rotolamento (non dimensionale) | 0,0060 | 0,0050 | 0,0027 | 0,0027 |
| C rr 2 | Secondo coefficiente di resistenza al rotolamento (newton-secondi per metro) | 0 | 0 | 0 | 0 |
| N | Numero di ruote sul veicolo (numero intero) | 4 | 3 | 3 | 3 |
| ρ | Densità dell’aria (chilogrammi per metro cubo) | 1.22 | 1.22 | 1.22 | 1.22 |
| C d | Coefficiente di resistenza (non dimensionale) | 0.26 | 0.133 | 0.10 | 0.10 |
| UN | Area frontale (metri quadrati) | 0,70 | 0.75 | 0.75 | 0.76 |
| h | Altezza totale che il veicolo salirà (metri) | 0 | 0 | 0 | 0 |
| N a | Numero di volte in cui il veicolo accelera in un giorno di gara (numero intero) | 4 | 4 | 4 | 4 |
| g | Accelerazione locale dovuta alla gravità variabile (metri al secondo quadrato) | 9.81 | 9.81 | 9.81 | 9.81 |
| v | Velocità media calcolata lungo il percorso (metri al secondo) | 16.8 | 20.3 | 27.2 | 27.1 |
| Velocità media calcolata in km / h | 60.5 | 73.1 | 97,9 | 97,6 | |
| Velocità di gara effettiva km / h | 44.8 | 70.1 | 73 | 85 |
Nota 1 Per il WSC la potenza media del pannello può essere approssimata come (7/9) × potenza nominale.
Risolvendo la forma lunga dell’equazione per la velocità si ottiene una grande equazione (circa 100 termini). Utilizzando l’equazione di potenza come arbitro, i progettisti di veicoli possono confrontare vari progetti di automobili e valutare le prestazioni comparative su una determinata rotta. In combinazione con il CAE e la modellazione dei sistemi, l’equazione di potenza può essere uno strumento utile nella progettazione di auto solari.
Considerazioni sulla rotta di gara
L’orientamento direzionale di un percorso di gara di auto solari influisce sulla posizione apparente del sole nel cielo durante un giorno di gara, che a sua volta influenza l’energia immessa nel veicolo.
In un allineamento del percorso di gara da sud a nord, ad esempio, il sole sorgerà sulla spalla destra del guidatore e finirà sulla sua sinistra (a causa del movimento apparente est-ovest del sole).
In un allineamento del percorso di gara est-ovest, il sole si alzava dietro il veicolo e sembrava muoversi nella direzione del movimento del veicolo, posizionandosi nella parte anteriore della vettura.
Un allineamento di percorso ibrido comprende importanti tratti di rotte sud-nord e est-ovest insieme.
Questo è significativo per i progettisti, che cercano di massimizzare l’input di energia a un pannello di celle solari (spesso chiamato “array” di celle) progettando l’array in modo che punti direttamente verso il sole il più a lungo possibile durante il giorno della gara. Pertanto, un progettista di auto da corsa sud-nord potrebbe aumentare l’energia totale della vettura utilizzando celle solari ai lati del veicolo in cui il sole le colpirà (o creando una matrice convessa coassiale con il movimento del veicolo). Al contrario, un allineamento della razza est-ovest potrebbe ridurre il beneficio derivante dall’avere cellule sul lato del veicolo, e quindi potrebbe incoraggiare la progettazione di un array piatto.
Poiché le auto solari sono spesso costruite appositamente, e poiché gli array di solito non si muovono rispetto al resto del veicolo (con notevoli eccezioni), questo compromesso tra design a guida, flat-panel e design convesso è uno dei più significativi le decisioni che un progettista di auto solari deve prendere.
Ad esempio, gli eventi Sunrayce USA del 1990 e 1993 vennero vinti da veicoli con maglie significativamente convesse, corrispondenti agli allineamenti della razza sud-nord; nel 1997, tuttavia, la maggior parte delle vetture in quell’evento disponeva di matrici piatte per abbinare il passaggio a una rotta est-ovest.
Strategia di gara
Consumo di energia
L’ottimizzazione del consumo di energia è di primaria importanza in una gara di auto solari. Pertanto, è utile essere in grado di monitorare e ottimizzare continuamente i parametri energetici del veicolo.Date le condizioni variabili, la maggior parte delle squadre ha programmi di ottimizzazione della velocità di gara che aggiornano continuamente il team sulla velocità del veicolo. Alcuni team impiegano la telemetria che trasmette i dati delle prestazioni del veicolo a un veicolo di supporto successivo, che può fornire al guidatore del veicolo una strategia ottimale.
Percorso di gara
Il percorso di gara stesso influirà sulla strategia, poiché la posizione apparente del sole nel cielo varierà in base a vari fattori specifici dell’orientamento del veicolo.
Inoltre, i cambi di quota su una rotta possono cambiare drasticamente la quantità di energia necessaria per percorrere il percorso. Ad esempio, la rotta del Nord America del Solar Challenge del 2001 e del 2003 ha attraversato le Montagne Rocciose.
Previsioni del tempo
Un team di successo per le auto solari avrà bisogno di avere accesso a previsioni meteorologiche affidabili per prevedere la potenza assorbita dal veicolo durante il giorno della gara.