As corridas de carros solares referem-se a corridas competitivas de veículos eléctricos alimentados por energia solar obtida a partir de painéis solares na superfície do carro (carros solares). A primeira corrida de carros solares foi o Tour de Sol em 1985, que levou a várias corridas similares na Europa, EUA e Austrália. Tais desafios são frequentemente introduzidos pelas universidades para desenvolver as habilidades tecnológicas e de engenharia de seus alunos, mas muitas corporações de negócios já participaram de competições no passado. Um pequeno número de equipes do ensino médio participa de corridas de carros solares projetados exclusivamente para estudantes do ensino médio.
Corridas à distância
As duas mais notáveis provas de distância do carro solar (por terra) são o World Solar Challenge e o American Solar Challenge. Eles são contestados por várias equipes universitárias e corporativas. As equipes corporativas participam das corridas para dar às suas equipes de design a experiência de trabalhar com fontes de energia alternativas e materiais avançados. Equipes universitárias participam para dar aos seus alunos experiência em projetar carros de alta tecnologia e trabalhar com tecnologia ambiental e de materiais avançados. Essas corridas são frequentemente patrocinadas por agências governamentais ou educacionais, e empresas como a Toyota, interessadas em promover fontes de energia renováveis.
Apoio, suporte
Os carros exigem equipes de suporte intensivo, semelhantes em tamanho às equipes profissionais de automobilismo. Este é especialmente o caso do World Solar Challenge, onde seções da corrida passam por um país muito remoto. O carro solar viajará escoltado por uma pequena caravana de carros de apoio. Em uma corrida de longa distância, cada carro solar será precedido por um carro que pode identificar problemas ou obstáculos à frente do carro de corrida. Atrás do carro solar, haverá um veículo de controle de missão a partir do qual o ritmo da corrida é controlado. Aqui as decisões táticas são tomadas com base nas informações do carro solar e informações ambientais sobre o clima e o terreno. Por trás do controle da missão, pode haver um ou mais outros veículos transportando drivers de substituição e suporte de manutenção, bem como suprimentos e equipamentos de camping para toda a equipe.
Desafio Solar Mundial
Esta corrida apresenta um campo de competidores de todo o mundo que correm para atravessar o continente australiano. A corrida do 30º Aniversário do World Solar Challenge será realizada em outubro de 2017. Grandes mudanças de regulamentação foram lançadas em junho de 2006 para aumentar a segurança e construir uma nova geração de carros solares, que com poucas modificações podem ser a base para uma corrida proposição prática para o transporte sustentável e destinada a desacelerar os carros no evento principal, que poderia facilmente ultrapassar o limite de velocidade (110 km / h) nos anos anteriores.
Em 2013, os organizadores do evento introduziram a Classe Cruiser no World Solar Challenge, projetado para incentivar os participantes a projetar um veículo “prático” movido a energia solar.Esta corrida requer que os veículos tenham quatro rodas e assentos eretos para os passageiros, e é julgada em uma série de fatores, incluindo tempo, carga útil, milhas de passageiros e uso de energia externa. A equipe de corrida solar holandesa TU Eindhoven foi o vencedor inaugural da Classe Cruiser com seu veículo Stella.
Desafio Solar Americano
O American Solar Challenge, anteriormente conhecido como ‘North American Solar Challenge’ e ‘Sunrayce’, apresenta principalmente equipes colegiadas que correm em intervalos regulares nos Estados Unidos e no Canadá. A corrida de pista anual Formula Sun Grand Prix é usada como qualificador para o ASC.
O American Solar Challenge foi patrocinado em parte por vários pequenos patrocinadores. No entanto, o financiamento foi cortado perto do final de 2005, e o NASC 2007 foi cancelado. A comunidade norte-americana de corridas solares trabalhou para encontrar uma solução, trazendo a Toyota como principal patrocinadora para uma corrida de 2008. A Toyota, desde então, abandonou o patrocínio. O último North American Solar Challenge foi realizado em 2016, de Brecksville, OH, a Hot Springs, SD. A corrida foi vencida pela Universidade de Michigan. Michigan venceu a corrida nas últimas 6 vezes que foi realizada.
O Desafio do Carro Solar da Dell-Winston School
O Desafio Solar Car da Dell-Winston School é uma corrida de carros anual movida a energia solar para alunos do ensino médio. O evento atrai equipes de todo o mundo, mas principalmente de escolas secundárias americanas. A corrida foi realizada pela primeira vez em 1995. Cada evento é o produto final de um ciclo de educação de dois anos lançado pela Winston Solar Car Team. Em anos ímpares, a corrida é um percurso de estrada que começa no Dell Diamond em Round Rock, Texas;o final do curso varia de ano para ano. Em anos pares, a corrida é uma corrida de pista no Texas Motor Speedway. A Dell patrocina o evento desde 2002.
Desafio Solar Sul Africano
O South African Solar Challenge é uma corrida de carros bienal, movida a energia solar, com duração de duas semanas, em toda a extensão da África do Sul. O primeiro desafio em 2008 provou que este evento pode atrair o interesse do público e que ele tem o apoio internacional necessário da FIA. No final de setembro, todos os participantes partirão de Pretória e seguirão para a Cidade do Cabo, em seguida, dirigirão ao longo da costa até Durban, antes de escalar a escarpa no caminho de volta à linha de chegada em Pretória, 11 dias depois. O evento (em 2008 e 2010) foi endossado pela Federação Internacional de Energia Solar (ISF), Federação Internacional do Automóvel (FIA), World Wildlife Fund (WWF), tornando-se a primeira corrida solar a receber o endosso dessas três organizações. A última corrida teve lugar em 2016. A Sasol confirmou o seu apoio ao South Africa Solar Challenge, assumindo os direitos de nomeação para o evento, pelo que durante o período do seu patrocínio, o evento ficou conhecido como o Sasol Solar Challenge, África do Sul.
Carrera Solar Atacama
O Carrera Solar Atacama é a primeira corrida de carros movidos a energia solar da América Latina;a corrida abrange 2.600 km (1.600 milhas) de Santiago a Arica, no norte do Chile. A fundadora da corrida, La Ruta Solar, afirma que é a mais extrema das corridas de veículos devido aos altos níveis de radiação solar, até 8,5 kWh / m2 / dia, encontrados ao atravessar o Deserto do Atacama, além de desafiar as equipes participantes. suba a 3.500 m (11.500 pés) acima do nível do mar. A corrida, que estreou em 2009 com apenas algumas equipes locais, está marcada para sua quinta versão no final de outubro de 2018, recebendo equipes internacionais em todas as categorias e pela primeira vez em inglês e espanhol.
Outras raças
Formula-G, uma corrida anual na Turquia.
Suzuka, uma corrida anual no Japão.
World Green Challenge (World Solarcar Rallye / Corrida Mundial de Bicicleta Solar), uma corrida anual de pista no Japão.
Phaethon, parte da Olimpíada Cultural na Grécia antes das Olimpíadas de 2004.
World Solar Rally em Taiwan.
Corridas de arrasto solares
Corridas de arrasto solares são outra forma de corrida solar. Ao contrário das corridas solares de longa distância, os dragsters solares não utilizam baterias ou dispositivos de armazenamento de energia pré-carregados. Os pilotos vão frente a frente ao longo de uma distância de um quarto de quilómetro. Atualmente, uma drag race solar é realizada todos os anos no sábado mais próximo do solstício de verão em Wenatchee, Washington, EUA. O recorde mundial para este evento é de 29,5 segundos estabelecido pela equipe do South Whidbey High School em 23 de junho de 2007.
Registros de velocidade
Federação Internacional do Automóvel (FIA)
A FIA reconhece um recorde de velocidade terrestre para veículos movidos apenas por painéis solares. O recorde atual foi estabelecido pela Raedthuys Solar Team, da Universidade de Twente, com seu carro Solutra. O recorde de 37.757 km / h foi estabelecido em 2005. O recorde ocorre ao longo de uma corrida de 1000m, e é a velocidade média de 2 corridas em direções opostas.
Em julho de 2014, um grupo de estudantes australianos da equipe de corrida solar UNSW Sunswift da Universidade de New South Wales quebrou um recorde mundial em seu carro solar, para o carro elétrico mais rápido, pesando menos de 500 kg e capaz de viajando 500 km (310 mi) com uma única carga de bateria. Este recorde particular foi supervisionado pela Confederação Australiana de Automobilismo em nome da FIA e não é exclusivo para carros movidos a energia solar, mas para qualquer carro elétrico, e assim, durante a tentativa, os painéis solares foram desconectados dos sistemas elétricos. O recorde anterior de 73 quilômetros por hora (45 mph) – que havia sido estabelecido em 1988 – foi quebrado pela equipe com uma velocidade média de 107 quilômetros por hora (66 mph) sobre a distância de 500 quilômetros (310 milhas).
Recorde mundial Guinness
O Guinness World Records reconhece um recorde de velocidade terrestre para veículos movidos apenas por painéis solares. Este registro é atualmente realizado pela Universidade de New South Wales com o carro Sunswift IV. Sua bateria de 25 quilos foi removida para que o veículo fosse alimentado apenas por seus painéis solares. O recorde de 88,8 quilômetros por hora (55,2 mph) foi estabelecido em 7 de janeiro de 2011 na base aérea naval HMAS Albatross em Nowra, quebrando o recorde anteriormente detido pelo carro General Motors Sunraycer de 78,3 quilômetros por hora (48,7 mph). O registro ocorre em um trecho voador de 500 metros (1.600 pés) e é a média de duas corridas em direções opostas.
Registros diversos
Australian Transcontinental (Perth to Sydney) Registo de velocidade
O recorde Perth to Sydney Transcontinental atraiu um certo fascínio na Solar Car Racing. Hans Tholstrup (o fundador do World Solar Challenge) completou esta jornada em The Quiet Empreendedor em menos de 20 dias em 1983. Este veículo está na coleção do Museu Nacional da Austrália em Canberra.
O recorde foi batido por Dick Smith e pela Aurora Solar Vehicle Association na Aurora Q1
O recorde atual foi estabelecido em 2007 pela UNSW Solar Racing Team com seu carro Sunswift III mk2
Projeto do veículo
Os carros solares combinam a tecnologia usada nas indústrias aeroespacial, de bicicletas, energia alternativa e automotiva. Ao contrário da maioria dos carros de corrida, os carros solares são projetados com severas restrições de energia impostas pelos regulamentos da corrida. Estas regras limitam a energia usada apenas àquela coletada da radiação solar, embora começando com uma bateria totalmente carregada. Algumas classes de veículos também permitem a entrada de energia humana. Como resultado, otimizar o projeto para levar em conta o arrasto aerodinâmico, o peso do veículo, a resistência ao rolamento e a eficiência elétrica são fundamentais.
Um projeto usual para os veículos de sucesso de hoje é um pequeno toldo no meio de uma disposição curvada, totalmente coberta de células, com 3 rodas. Antes, o estilo de barata com uma carenagem de nariz suave no painel era mais bem sucedido. Em velocidades mais baixas, com matrizes menos potentes, outras configurações são viáveis e fáceis de construir, por exemplo, cobrindo superfícies disponíveis de veículos elétricos existentes com células solares ou fixando coberturas solares acima deles.
Sistema elétrico
O sistema elétrico controla toda a energia que entra e sai do sistema. A bateria armazena energia solar excedente produzida quando o veículo está parado ou viajando lentamente ou em declive. Os carros solares usam uma variedade de baterias, incluindo baterias de chumbo-ácido, baterias de níquel-hidreto de metal (NiMH), baterias de níquel-cádmio (NiCd), baterias de íon de lítio e baterias de polímero de lítio.
A eletrônica de potência pode ser usada para otimizar o sistema elétrico. O rastreador de potência máxima ajusta o ponto de operação do painel solar àquela voltagem que produz a maior potência para as condições dadas, por exemplo, temperatura. O gerenciador de bateria protege as baterias contra sobrecarga. O controlador do motor controla a potência do motor desejada. Muitos controladores permitem a frenagem regenerativa, ou seja, a energia é devolvida à bateria durante a desaceleração.
Alguns carros solares têm sistemas complexos de aquisição de dados que monitoram todo o sistema elétrico, enquanto carros básicos mostram a voltagem da bateria e a corrente do motor. A fim de avaliar o alcance disponível com a produção solar e o consumo de energia variáveis, um contador de ampère-hora multiplica a corrente e a taxa da bateria, proporcionando assim a gama restante de veículos em cada momento nas condições dadas.
Uma ampla variedade de tipos de motores foi usada. Os motores mais eficientes excedem 98% de eficiência. Trata-se de motores DC de três “fase” sem escova, comutados eletronicamente, com uma configuração de arranjo Halbach para os ímãs de neodímio-ferro-boro e fio Litz para os enrolamentos. Alternativas mais baratas são motores AC assíncronos ou escovados.
Sistemas mecânicos
Os sistemas mecânicos são projetados para manter o atrito e o peso ao mínimo, mantendo a resistência e a rigidez. Designers normalmente usam alumínio, titânio e compósitos para fornecer uma estrutura que atenda aos requisitos de resistência e rigidez, ao mesmo tempo que é bastante leve. O aço é usado para algumas peças de suspensão em muitos carros.
Carros solares geralmente têm três rodas, mas alguns têm quatro. Os veículos de três rodas geralmente têm duas rodas dianteiras e uma traseira: as rodas dianteiras guiam e a roda traseira segue. Veículos de quatro rodas são montados como carros normais ou similarmente a veículos de três rodas com as duas rodas traseiras juntas.
Carros solares têm uma ampla gama de suspensões por causa de vários corpos e chassis. A suspensão dianteira mais comum é a suspensão double wishbone. A suspensão traseira é geralmente uma suspensão de braço arrastado, conforme encontrada em ciclos de motor.
Carros solares são necessários para atender a rigorosos padrões de freios. Os freios a disco são os mais utilizados devido à sua boa capacidade de frenagem e capacidade de ajuste. Freios mecânicos e hidráulicos são amplamente utilizados. As pastilhas ou sapatas de freio são normalmente projetadas para retrair para minimizar o arrasto do freio nos principais carros.
Sistemas de direção para carros solares também variam. Os principais fatores de projeto para sistemas de direção são eficiência, confiabilidade e alinhamento de precisão para minimizar o desgaste dos pneus e a perda de potência. A popularidade das corridas de carros solares levou alguns fabricantes de pneus a projetar pneus para veículos solares. Isso aumentou a segurança e o desempenho geral.
Todas as equipes de ponta agora usam motores de roda, eliminando as correias ou correntes.
O teste é essencial para demonstrar a confiabilidade do veículo antes de uma corrida. É fácil gastar cem mil dólares para ganhar uma vantagem de duas horas, e igualmente fácil perder duas horas devido a problemas de confiabilidade.
Painel solar
O painel solar consiste em centenas (ou milhares) de células solares fotovoltaicas convertendo a luz solar em eletricidade. Os carros podem usar uma variedade de tecnologias de células solares; na maioria das vezes, silício policristalino, silício monocristalino ou arseneto de gálio. As células são conectadas em seqüências de caracteres, enquanto as seqüências de caracteres são freqüentemente conectadas para formar um painel. Painéis normalmente têm voltagens próximas à voltagem nominal da bateria. O principal objetivo é obter o máximo de área de células no menor espaço possível. Os designers encapsulam as células para protegê-las do clima e da quebra.
Projetar um painel solar é mais do que apenas amarrar um monte de células. Um painel solar funciona como muitas baterias muito pequenas, todas interligadas em série. A tensão total produzida é a soma de todas as tensões das células. O problema é que, se uma única célula está na sombra, ela age como um diodo, bloqueando a corrente para toda a cadeia de células. Para projetar isso, os projetistas de matriz usam diodos de bypass em paralelo com segmentos menores da cadeia de células, permitindo a corrente ao redor da (s) célula (s) não funcional (is). Outra consideração é que a própria bateria pode forçar a corrente para trás através da matriz, a menos que haja diodos de bloqueio colocados no final de cada painel.
A energia produzida pelo painel solar depende das condições do tempo, da posição do sol e da capacidade do arranjo. Ao meio-dia em um dia claro, uma boa matriz pode produzir mais de 2 kilowatts (2,6 hp). Uma matriz de 6 m2 de 20% de células produzirá aproximadamente 6 kW • h (22 kJ) de energia durante um dia típico na WSC.
Alguns carros empregaram velas independentes ou integradas para aproveitar a energia eólica.Corridas, incluindo a WSC e a ASC, consideram a energia eólica como energia solar, portanto, suas regulamentações de corrida permitem essa prática.
Aerodinâmica
Arrasto aerodinâmico é a principal fonte de perdas em um carro de corrida solar. O arrasto aerodinâmico de um veículo é o produto da área frontal e seu Cd. Para a maioria dos carros solares, a área frontal é de 0,75 a 1,3 m2. Enquanto Cd tão baixo quanto 0,10 foram relatados, 0,13 é mais típico. Isso precisa de muita atenção aos detalhes.
Massa
A massa do veículo também é um fator significativo. Um veículo leve gera menos resistência ao rolamento e precisará de freios mais leves e outros componentes de suspensão. Este é o círculo virtuoso ao projetar veículos leves.
Resistência ao rolamento
A resistência ao rolamento pode ser minimizada usando os pneus certos, inflados na pressão correta, alinhados corretamente e minimizando o peso do veículo.
Equação de desempenho
O design de um carro solar é regido pela seguinte equação de trabalho:
que pode ser simplificado para a equação de desempenho
para corridas de longa distância e valores vistos na prática.
Resumidamente, o lado esquerdo representa a entrada de energia no carro (baterias e energia do sol) e o lado direito é a energia necessária para dirigir o carro ao longo da rota (superando resistência ao rolamento, resistência aerodinâmica, subindo e acelerando ). Tudo nesta equação pode ser estimado exceto v. Os parâmetros incluem:
| Símbolo | Descrição | Ford Australia | aurora | aurora | aurora |
|---|---|---|---|---|---|
| Ano | 1987 | 1993 | 1999 | 2007 | |
| η | Motor, controlador e eficiência do trem de acionamento (decimal) | 0,82 | 0,80 | 0,97 | 0,97 |
| η b | Eficiência da bateria de watt-hora (decimal) | 0,82 | 0,92 | 0,82 | 1,00 (LiPoly) |
| E | Energia disponível nas baterias (joules) | 1.2e7 | 1,8e7 | 1,8e7 | 1,8e7 |
| P | Potência média estimada da matriz (1) (watts) | 918 | 902 | 1050 | 972 |
| x | Distância da rota de corrida (metros) | 3e6 | 3.007e6 | 3.007e6 | 3.007e6 |
| W | Peso do veículo, incluindo carga útil (newtons) | 2690 | 2950 | 3000 | 2400 |
| C rr 1 | Primeiro coeficiente de resistência ao rolamento (não dimensional) | 0,0060 | 0,0050 | 0,0027 | 0,0027 |
| C rr 2 | Segundo coeficiente de resistência ao rolamento (newton-seconds por metro) | 0 | 0 | 0 | 0 |
| N | Número de rodas no veículo (inteiro) | 4 | 3 | 3 | 3 |
| ρ | Densidade do ar (quilogramas por metro cúbico) | 1,22 | 1,22 | 1,22 | 1,22 |
| C d | Coeficiente de arrasto (não-dimensional) | 0,26 | 0,133 | 0,10 | 0,10 |
| UMA | Área frontal (metros quadrados) | 0,70 | 0,75 | 0,75 | 0,76 |
| h | Altura total que o veículo vai subir (metros) | 0 | 0 | 0 | 0 |
| N a | Número de vezes que o veículo irá acelerar em um dia de corrida (inteiro) | 4 | 4 | 4 | 4 |
| g | Aceleração local devido à variável gravidade (metros por segundo ao quadrado) | 9,81 | 9,81 | 9,81 | 9,81 |
| v | Velocidade média calculada ao longo da rota (metros por segundo) | 16,8 | 20,3 | 27,2 | 27,1 |
| Velocidade média calculada em km / h | 60,5 | 73,1 | 97,9 | 97,6 | |
| Velocidade real de corrida km / h | 44,8 | 70,1 | 73 | 85 |
Nota 1 Para a WSC, a potência média do painel pode ser aproximada como (7/9) × potência nominal.
Resolver a forma longa da equação para velocidade resulta em uma grande equação (aproximadamente 100 termos). Usando a equação de potência como o árbitro, os projetistas de veículos podem comparar vários projetos de carros e avaliar o desempenho comparativo em uma determinada rota. Combinada com CAE e modelagem de sistemas, a equação de potência pode ser uma ferramenta útil no projeto de carros solares.
Considerações sobre rotas de corrida
A orientação direcional de uma rota de corrida de carro solar afeta a posição aparente do sol no céu durante um dia de corrida, que por sua vez afeta a entrada de energia para o veículo.
Em um alinhamento de rota de corrida do sul para o norte, por exemplo, o sol se elevaria sobre o ombro direito do motorista e terminaria sobre o esquerdo (devido ao movimento aparente leste-oeste do sol).
Em um alinhamento de rota de corrida leste-oeste, o sol subiria atrás do veículo e pareceria se mover na direção do movimento do veículo, posicionando-se na frente do carro.
Um alinhamento de rota híbrido inclui seções significativas de rotas sul-norte e leste-oeste juntas.
Isso é significativo para os projetistas, que buscam maximizar a entrada de energia para um painel de células solares (geralmente chamado de “array” de células) projetando a matriz para apontar diretamente para o sol pelo maior tempo possível durante o dia da corrida. Assim, um projetista de carros de corrida sul-norte pode aumentar a entrada de energia total do carro usando células solares nas laterais do veículo, onde o sol as atingirá (ou criando um arranjo convexo coaxial com o movimento do veículo). Em contraste, um alinhamento de raça leste-oeste pode reduzir o benefício de ter células no lado do veículo e, portanto, pode incentivar o design de uma matriz plana.
Como os carros solares são frequentemente construídos de propósito, e porque os arrays geralmente não se movem em relação ao resto do veículo (com notáveis exceções), este compromisso de projeto de painel plano versus convexo orientado por rotas de corrida é um dos mais significativos. decisões que um projetista de carros solares deve tomar.
Por exemplo, os eventos de 1990 e 1993 da Sunrayce USA foram vencidos por veículos com matrizes significativamente convexas, correspondendo aos alinhamentos de corrida sul-norte; em 1997, no entanto, a maioria dos carros naquele evento tinha matrizes planas para combinar com a mudança para uma rota leste-oeste.
Estratégia de corrida
Consumo de energia
A otimização do consumo de energia é de suma importância em uma corrida de carros solares.Portanto, é útil poder monitorar e otimizar continuamente os parâmetros de energia do veículo.Dadas as condições variáveis, a maioria das equipes tem programas de otimização de velocidade de corrida que atualizam continuamente a equipe sobre a velocidade com que o veículo deve viajar.Algumas equipes empregam telemetria que transmite dados de desempenho do veículo para um veículo de suporte seguinte, que pode fornecer ao motorista do veículo uma estratégia ideal.
Rota de corrida
A rota da corrida afetará a estratégia, porque a posição aparente do sol no céu irá variar dependendo de vários fatores que são específicos para a orientação do veículo.
Além disso, mudanças de elevação ao longo de uma rota de corrida podem alterar drasticamente a quantidade de energia necessária para percorrer a rota. Por exemplo, a rota do Desafio Solar Norte-Americano de 2001 e 2003 cruzou as Montanhas Rochosas.
Previsão do tempo
Uma equipe de carros de corrida solar bem-sucedida precisará ter acesso a previsões meteorológicas confiáveis para prever a entrada de energia do sol para o veículo durante cada dia de corrida.