ソーラーカーレース

ソーラーカーレースとは、ソーラーパネルから得られた太陽エネルギー（ソーラーカー）から得られる電気自動車の競争レースを指します。 最初のソーラーカーレースは1985年のトゥール・デ・ソルで、ヨーロッパ、アメリカ、オーストラリアでも同様のレースが行われました。 このような課題は、多くの場合、大学によって学生の技術と技術のスキルを養うために入力されますが、過去に多くの企業が競技に参入しています。 少数の高校チームが高校生専用のソーラーカーレースに参加しています。

距離競走
2つの最も顕著なソーラーカーの遠距離（陸上）レースは、ワールドソーラーチャレンジとアメリカソーラーチャレンジです。 彼らは様々な大学や企業のチームと競合しています。 企業チームはレースに参加して、設計チームに代替エネルギー源と高度な材料の両方を扱う経験を与えます。 大学チームは、ハイテク車の設計や環境・先端材料技術の研究に学生が参加できるようにするために参加しています。 これらのレースは、政府機関や教育機関、トヨタなどの企業が再生可能エネルギー源を熱心に宣伝していることがよくあります。

サポート
この車には、プロのモーターレーシングチームと同様の大きさの集中サポートチームが必要です。これは、特に世界のソーラーチャレンジでは、レースのセクションが非常に離れた国を通過する場合があります。 ソーラーカーはサポートカーの小さなキャラバンによって護衛されます。 長距離のレースでは、各ソーラーカーに先行して、先行車に先行して、レースカーよりも先に問題または障害物を特定することができます。 ソーラーカーの後ろには、レースペースが制御されるミッションコントロール車両があります。 ここで戦術的決定は、ソーラーカーからの情報と天候と地形に関する環境情報に基づいて行われます。 ミッションコントロールの背後には、交換用のドライバーとメンテナンスのサポート、さらにはチーム全体のための消耗品とキャンプ用の装備を運ぶ1つ以上の他の車両が存在する可能性があります。

ワールドソーラーチャレンジ
このレースは、オーストラリア大陸を横断するために競争する世界中の競争相手のフィールドを特徴としています。 世界ソーラーチャレンジの30周年記念レースが2017年10月に開催されます。2006年6月に主要な規制変更が発表され、安全性の向上、新世代ソーラーカーの建設が行われました。これは、持続可能な輸送のための実用的な提案であり、主なイベントでは、スピードリミット（110km / h）を容易に上回る可能性があります。

2013年には、イベントの主催者は、参加者に「実用的な」ソーラー駆動車の設計を促すように設計されたWorld Solar Challengeにクルーザークラスを導入しました。 このレースでは、車両には4つの車輪と乗客のための直立座席が必要で、時間、積載量、旅客マイル、外部エネルギー使用などのさまざまな要因によって判断されます。 オランダのTUアイントホーフェン・ソーラー・レーシング・チームは、クルーザー・クラスの勝者であり、スティラーの車両を所有していました。

アメリカの太陽の挑戦
以前は「北米ソーラーチャレンジ」と「サンライズ」として知られていたアメリカのソーラーチャレンジは、主に米国とカナダで定期的にレースを行っています。 フォーミュラサングランプリの年次レースは、ASCの予選として使用されます。

アメリカのソーラーチャレンジは、いくつかの小さなスポンサーが後援していました。 しかし、2005年末に資金が削減され、NASC 2007はキャンセルされた。 北米のソーラーレースのコミュニティは、トヨタを2008年のレースの主なスポンサーにして解決策を見つけることに努めました。 トヨタはその後スポンサーシップを失った。 最後の北米ソーラーチャレンジは、オハイオ州ブレイクスヴィルからサウスダコタ州ホットスプリングスにかけて2016年に行われました。 レースはミシガン大学が勝った。 ミシガンは過去6回のレースで優勝した。

Dell-Winstonスクールソーラーカーチャレンジ
デルウィンストンスクールソーラーカーチャレンジは、高校生向けの年間ソーラーカーレースです。 このイベントは世界中のチームを集めていますが、主にアメリカの高校からのものです。 このレースは1995年に初めて開催されました。各イベントはウィンストンソーラーカーチームが開始した2年間の教育サイクルの最終製品です。 奇数年では、このレースはテキサス州ラウンドロックのデルダイヤモンドで始まるロードコースです。 コースの終わりは年ごとに異なります。 偶数年では、レースはテキサス・モータースピードウェイの周りのトラックレースです。 Dellは2002年以来このイベントを後援している。

南アフリカソーラーチャレンジ
南アフリカソーラーチャレンジは、南アフリカの長さと幅を通して、2年ごとに2週間のソーラーカーレースです。 2008年の最初の挑戦は、このイベントが国民の関心を引くことができ、FIAからの国際的な支援が必要であることを証明しました。 9月の終わりに、すべての参加者はプレトリアから出発し、ケープタウンへ向かい、ダーバンまで海岸沿いにドライブし、11日後にプレトリアのフィニッシュラインに戻る途中で断崖を登る。 このイベントは、国際ソーラーカー連盟（ISF）、国際自動車連盟（FIA）、世界自然保護基金（WWF）によって承認された（2008年と2010年の両方）、これらの3団体からの支持を最初に受けたソーラーレースです。 最後のレースは2016年に行われました。サソールは南アフリカソーラーチャレンジの支援を確認し、スポンサーシップの間、南アフリカのサソールソーラーチャレンジとして知られていました。

カレラソーラーアタカマ
Carrera Solar Atacamaは、中南米で初めてのソーラーカーレースです。 サンティアゴからチリ北部のアリカに2,600km（1,600マイル）をカバーしています。 レースの創設者であるラ・ルタ・ソーラーは、アタカマ砂漠を横切る際に遭遇する日射量が最大8.5kWh / m2 /日と高いため、車両レースの最も極端なものであると主張しています。海面より3,500m（11,500フィート）上ります。 地元のチームだけで2009年にデビューしたこのレースは、2018年10月下旬に5回目となり、すべてのカテゴリーで国際チームを歓迎し、英語とスペイン語ではじめてです。

その他のレース
フォーミュラG、トルコでの年間トラックレース
鈴鹿、日本での年間トラックレース。
世界のグリーンチャレンジ（ワールドソーラーラリー/ワールドソーラーバイクレース）は、日本の年間トラックレースです。
Phaethon、2004年オリンピック以前のギリシャの文化オリンピックの一部。
台湾の世界ソーラーラリー。

ソーラードラグレース
ソーラードラッグレースはソーラーレーシングの別の形です。 長距離ソーラーレースとは異なり、ソーラー式ドラグターは、バッテリやプリチャージされたエネルギー貯蔵装置を使用していません。 レーサーは、直進して4分の1キロメートルの距離を走ります。 現在、米国ワシントン州ウェナチーの夏至に最も近い土曜日に、毎年ソーラードラッグレースが開催されています。 このイベントの世界記録は、2007年6月23日にSouth Whidbey High Schoolチームが設定した29.5秒です。

スピードレコード

国際自動車連盟（FIA）
FIAは、ソーラーパネルのみを搭載した車両の陸上での速度記録を認識しています。 現在の記録は、Twente大学のRaedthys SolarチームがSolutraの車で設定したものです。 2005年に37.757km / hの記録が設定されました。記録は1000mの飛行で記録され、反対方向の2回の平均速度です。

2014年7月、ニューサウスウェールズ大学のUNSWサンswiftソーラーレーシングチームのオーストラリア人学生の一グループが、ソーラーカーの世界記録を破り、重量が500キログラム（1,100ポンド）未満で、 1回の充電で500キロ（310マイル）走行します。 この特定の記録は、FIAに代わってオーストラリアモータースポーツ連盟によって監督され、太陽光発電車だけでなく、電気自動車にも適用されていたため、太陽電池パネルが電気システムから切り離されました。 1988年に設定された73キロメートル（45マイル）の過去の記録は、500キロ（310マイル）の距離を上回る平均スピードが毎時107キロメートル（66マイル）のチームによって壊れていた。

ギネス世界記録
ギネス世界記録は、ソーラーパネルのみで動力を与えられる車両の陸上での速度記録を認識しています。 この記録は現在、ニューサウスウェールズ大学でSunswift IV車で開催されています。 25キロ（55ポンド）のバッテリーが取り外されたため、車両はソーラーパネルのみで動力を供給されました。 2011年1月7日、ノワラの海上空軍基地HMASアルバトロスで時速88.8キロメートル（55.2マイル）を記録し、以前はゼネラルモーターズのサンレイサーが記録した78.3キロメートル（48.7マイル）の記録を破った。 記録は飛行500メートル（1,600フィート）のストレッチで行われ、反対方向の2回の走行の平均です。

その他のレコード
オーストラリア・トランスコンチネンタル（パースからシドニー）スピード・レコード
パース・トゥ・シドニー・トランスコンチネンタル・レコードは、ソーラーカー・レーシングである程度の魅力を残しています。 Hans Tholstrup（世界ソーラーチャレンジの創始者）は、1983年に20日以内にThe Quiet Achieverでこの旅を初めて完成しました。この車両はキャンベラのオーストラリア国立博物館のコレクションに収められています。

この記録はDick SmithとAurora Solar Vehicle AssociationのAurora Q1でレースされた

現在の記録は、UNSWソーラーレーシングチームが2007年に設定したものです。Sunswift III mk2

車両の設計
ソーラーカーは、航空宇宙、自転車、代替エネルギー、自動車産業で使用される技術を組み合わせています。 ほとんどのレースカーとは異なり、ソーラーカーはレース規則によって厳しいエネルギー制約が課せられています。 これらのルールは、完全に充電されたバッテリパックから始めるにもかかわらず、使用されるエネルギーを太陽放射から収集されたエネルギーだけに制限します。 いくつかの車両クラスはまた、人間の力入力を可能にする。 その結果、空力抵抗、車両重量、転がり抵抗および電気効率を考慮して設計を最適化することが最も重要です。

今日の成功した車両のための通常の設計は、カーブした翼のようなアレイの真ん中にある小さなキャノピーです。 以前は、パネルに平滑な鼻をつけたゴキブリ様式がより成功しました。 低速では、より強力ではないアレイでは、太陽電池で既存の電気自動車の利用可能な表面を覆うか、またはそれらの上に太陽の天蓋を固定するなど、他の構成が実行可能であり構築がより容易である。

電気システム
電気システムは、システムに出入りするすべての電力を制御します。 バッテリパックは、車両が静止しているときまたはゆっくりまたは下り坂を走行しているときに生成される余剰太陽エネルギーを蓄える。 ソーラーカーは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池（NiMH）、ニッケルカドミウム電池（NiCd）、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池など幅広い電池を使用しています。

電力エレクトロニクスを使用して、電気システムを最適化することができる。 最大電力トラッカーは、ソーラーアレイの動作点を、所与の条件、例えば温度に対して最大の電力を生成する電圧に調整する。 バッテリーマネージャーは、バッテリーを過充電から保護します。 モータ制御装置は、所望のモータ動力を制御する。 多くのコントローラで回生制動が可能です。つまり、減速中にバッテリに電力が戻されます。

一部のソーラーカーは、電気システム全体を監視する複雑なデータ収集システムを備えていますが、基本的な自動車はバッテリー電圧とモーター電流を示しています。 太陽光発電量と動力消費量を変えて利用可能なレンジを判断するために、アンペアアワーメータはバッテリの電流とレートを掛け合わせることで、与えられた条件の各瞬間に残りの車両のレンジを提供します。

多種多様なモータタイプが使用されている。 最も効率的なモーターは98％の効率を超えています。これらは、ネオジム – 鉄 – ホウ素磁石用のハルバッハ配列構成と巻線用のリッツ線を備えた、ブラシレスの3相の「位相」DC、電気的に整流されたホイールモータである。 より安価な代替品は、非同期ACまたはブラシ付きDCモータです。

機械システム
機械システムは、強度と剛性を維持しながら、摩擦と重量を最小限に保つように設計されています。 デザイナーは、通常、軽くても強度と剛性の要求を満たす構造を提供するために、アルミニウム、チタン、複合材を使用しています。 スチールは、多くの車のサスペンションパーツに使用されています。

ソーラーカーは通常3つの車輪を持っていますが、一部は4つあります。 三輪車は通常2つの前輪と1つの後輪を持っています：前輪が操舵し、後輪が追従します。 四輪車は、通常の車のように設定されているか、二輪の後輪が接近している三輪車と同様に設置されている。

ソーラーカーは、さまざまな車体とシャシーのために、幅広いサスペンションを備えています。 最も一般的なフロントサスペンションはダブルウィッシュボーンサスペンションです。 リアサスペンションは、モーターサイクルに見られるように、しばしばトレーリングアームサスペンションです。

ソーラーカーは、厳しいブレーキ基準を満たす必要があります。 ディスクブレーキは、優れた制動能力と調整能力のために最も一般的に使用されています。 メカニカルブレーキと油圧ブレーキが広く使用されています。 ブレーキパッドまたは靴は、典型的には、先行車のブレーキ抗力を最小にするように後退するように設計されている。

ソーラーカーのステアリングシステムもさまざまです。 ステアリングシステムの主な設計要素は、効率、信頼性、精密なアライメントであり、タイヤ摩耗や動力損失を最小限に抑えます。 ソーラーカーレースの人気は、ソーラーカー用のタイヤを設計している一部のタイヤメーカーにつながっています。 これにより全体的な安全性とパフォーマンスが向上しました。

すべてのトップチームは現在、ホイールモータを使用してベルトやチェーンドライブを排除しています。

レース前に車両の信頼性を実証するには、テストが不可欠です。 2時間の利点を得るのに10万ドルを費やすのは簡単で、信頼性の問題で2時間も簡単に失うことは簡単です。

ソーラーアレイ
太陽電池アレイは、太陽光を電気に変換する数百（または数千）の太陽電池からなる。 車は様々な太陽電池技術を使用することができます。 最も頻繁には多結晶シリコン、単結晶シリコンまたはヒ化ガリウムである。 セルは文字列にまとめられ、文字列は配線されてパネルを形成することが多い。 パネルは通常、公称バッテリ電圧に近い電圧を持っています。 主な目的は、可能な限り小さなスペースで多くのセル領域を取得することです。 デザイナーは天候や破損からそれらを保護するために細胞をカプセル化します。

ソーラーアレイを設計することは、たくさんの細胞をつなぎ合わせることだけではありません。 太陽電池アレイは、直列に接続された多数の非常に小さな電池のように機能します。 生成される合計電圧は、すべてのセル電圧の合計です。 問題は、単一のセルがシャドウ内にある場合、ダイオードのように動作し、セルのストリング全体の電流をブロックするということです。 これに対して設計するために、アレイ設計者はバイパスダイオードをセルストリングのより小さいセグメントと並列に使用し、機能しないセルの周囲に電流を流すことができます。 もう1つの考慮点は、各パネルの端にブロッキング・ダイオードが置かれていない限り、バッテリー自体がアレイを通って電流を逆方向に強制的に流すことができるということです。

太陽電池アレイによって生成される電力は、気象条件、太陽の位置、およびアレイの容量に依存する。 明るい日の正午には、良い配列は2キロワット（2.6馬力）以上を生産することができます。6m 2の20％セルのアレイは、WSCの典型的な日の間に約6kW・h（22kJ）のエネルギーを生成する。

いくつかの車は風力エネルギーを利用するために自立式または一体型の帆を採用しています。 WSCやASCなどのレースは、風力エネルギーを太陽エネルギーと考えているため、レース規則ではこのようなことが許されています。

空気力学
空気力学的な抗力は、ソーラーカーの損失の主な原因です。 車両の空力抵抗は、正面領域とそのCdの積である。 ほとんどのソーラーカーでは、正面面積は0.75~1.3 m2です。 0.10という低いCdが報告されているが、0.13がより典型的である。 これには細部まで注意が必要です。

質量
車両の質量も重要な要素です。 軽車両は転がり抵抗が少なく、より軽量のブレーキおよび他の懸架部品が必要となる。 これは軽量車を設計する際の好循環です。

転がり抵抗
転がり抵抗は、右のタイヤを使用し、適切な圧力に膨張させ、正しく整列させ、車両の重量を最小限に抑えることによって、最小限に抑えることができます。

性能方程式
ソーラーカーの設計は、次の作業方程式によって支配されます。

性能方程式に簡略化することができます

長距離レースの場合、そして実際に見られる値。

手短に言えば、左手側は車に入力されるエネルギー（バッテリーと太陽からの力）を表し、右手側はレースルートに沿って車を運転するのに必要なエネルギーです（転がり抵抗、空力抵抗、坂を上り、 ）。 この式の中のすべては、vを除いて推定することができます。

注1 WSCの平均パネル電力は、（7/9）×公称電力で近似することができます。

速度方程式の長い形式を解くと、大きな方程式（約100項）が得られます。 電力設計式をアービタとして使用することで、車両設計者はさまざまな車の設計を比較し、特定のルートで比較性能を評価することができます。 CAEとシステムモデリングを組み合わせることで、パワー方程式はソーラーカー設計における有用なツールになります。

レースルートの考慮事項
ソーラーカーレースルートの方向の向きは、レースの日の空の太陽の見た目の位置に影響を及ぼし、その結果、車両へのエネルギー入力に影響を与えます。

例えば、南から北へのレースのルートアライメントでは、太陽はドライバーの右肩を越えて上がり、左（太陽の東西の見かけの動きのため）で終わるでしょう。
東西軌道のアライメントでは、太陽は車両の後ろに立ち上がり、車両の前進方向に移動するように見えます。
ハイブリッドのルートアライメントには、南北ルートと東西ルートの重要なセクションが一緒に含まれています。
これは、競技日にできるだけ長く太陽の方を指すようにアレイを設計することによって、太陽電池パネル（しばしば「アレイ」と呼ばれる）へのエネルギー入力を最大にしようとする設計者にとって重要である。 したがって、南北レースカーの設計者は、太陽が衝突する車両の側面に太陽電池を使用することによって（または車両の動きと同軸の凸面アレイを作成することによって）自動車の総エネルギー入力を増加させることができる。 これとは対照的に、東西レースアライメントは、車両の側面に細胞があることによる利益を減らし、ひいてはフラットアレイの設計を促進する可能性がある。

なぜなら、ソーラーカーはしばしば目的に合わせて作られているからであり、アレイは通常他の車両との関係で動くわけではない（例外はあるが）。このレースルート駆動のフラットパネル対凸面デザインの妥協は、ソーラーカーデザイナーがしなければならない決定。

例えば、1990年と1993年のSunrayce USAのイベントは、南北レースのアラインメントに対応する、かなり凸状の配列を持つ車両によって獲得された。 しかし、1997年までに、そのイベントのほとんどの車は、東西ルートへの変更に合わせてフラットアレイを持っていました。

レース戦略

エネルギー消費
エネルギー消費を最適化することは、ソーラーカーレースで最も重要です。 したがって、車両のエネルギーパラメータを継続的に監視し最適化することが有用である。 さまざまな条件が与えられると、ほとんどのチームにはレーススピード最適化プログラムが用意されており、チームは車の走行速度を継続的に更新します。 いくつかのチームは、車両性能データを次のサポート車両に中継するテレメトリを採用しており、車両のドライバーに最適な戦略を提供することができる。

レースルート
空の太陽の見かけの位置は、車両の向きに固有のさまざまな要因によって変化するため、レースルート自体が戦略に影響します。

さらに、レースルート上の標高の変化は、ルートを移動するのに必要な電力の量を劇的に変更する可能性があります。 たとえば、2001年と2003年の北米ソーラーチャレンジルートはロッキー山脈を横断しました。

天気予報
成功したソーラーカーレースチームは、各レースの日に太陽からのパワー入力を予測するために、信頼できる天気予報にアクセスする必要があります。