Солнечные автогонки

Солнечные автогонки относятся к конкурентным гонкам электрических транспортных средств, которые питаются солнечной энергией, полученной от солнечных панелей на поверхности автомобиля (солнечные автомобили). Первой гоночной гоночной гонкой стал Tour de Sol в 1985 году, который привел к нескольким аналогичным гонкам в Европе, США и Австралии. Такие проблемы часто вводятся университетами для развития инженерных и технологических навыков своих учеников, но многие бизнес-корпорации в прошлом вступали в конкурсы.Небольшое количество старшеклассников участвуют в гонках на солнечных автомобилях, предназначенных исключительно для учащихся старших классов.

Дистанционные гонки
Двумя наиболее заметными гоночными дистанциями (по суше) на солнечных автомобилях являются World Solar Challenge и American Solar Challenge. Их оспаривают различные университетские и корпоративные команды. Корпоративные команды участвуют в гонках, чтобы дать своим проектам опыт работы с альтернативными источниками энергии и передовыми материалами. Университетские команды участвуют, чтобы дать своим студентам опыт в разработке высокотехнологичных автомобилей и работе с экологическими и передовыми технологиями материалов. Эти гонки часто спонсируются правительственными или образовательными агентствами, а такие компании, как Toyota, стремятся продвигать возобновляемые источники энергии.

Поддержка
Для автомобилей требуются интенсивные группы поддержки, подобные по размерам профессиональным автогонщикам. Это особенно относится к World Solar Challenge, где разделы гонки проходят через очень удаленную страну. Солнечный автомобиль отправится в сопровождении небольшого каравана автомобилей поддержки. В гонке на большие расстояния каждому солнечному автомобилю будет предшествовать ведущий автомобиль, который может идентифицировать проблемы или препятствия перед гоночным автомобилем.За солнечным автомобилем будет находиться транспортное средство управления миссией, из которого контролируется скорость гонки. Здесь тактические решения принимаются на основе информации от солнечного автомобиля и экологической информации о погоде и местности. За управлением миссии может быть один или несколько других транспортных средств с заменой водителей и технической поддержки, а также принадлежностями и кемпинговым оборудованием для всей команды.

Мировой солнечный вызов
В этой гонке есть поле конкурентов со всего мира, которые участвуют в гонке, чтобы пересечь Австралийский континент. 30-я годовщина гонки World Solar Challenge состоится в октябре 2017 года. Основные изменения регулирования были выпущены в июне 2006 года для этой гонки, чтобы повысить безопасность, построить новое поколение солнечных автомобилей, которые с небольшими изменениями могут стать основой для практическое предложение для устойчивого транспорта и предназначалось для замедления автомобилей в главном событии, которое могло бы легко превысить ограничение скорости (110 км / ч) в предыдущие годы.

В 2013 году организаторы мероприятия представили Cruiser Class для World Solar Challenge, призванного побудить участников проектировать «практичный» автомобиль с солнечной батареей. Эта гонка требует, чтобы автомобили имели четыре колеса и вертикальные сиденья для пассажиров, и оценивается по ряду факторов, включая время, полезную нагрузку, пассажирские мили и использование внешней энергии. Голландская команда солнечных гонок TU Eindhoven была победителем первого класса Cruiser со своим транспортным средством Stella.

Американская солнечная проблема
Американская Solar Challenge, ранее известная как «North American Solar Challenge» и «Sunrayce», включает в себя коллегиальные команды, участвующие в гонках в определенные промежутки времени в Соединенных Штатах и ​​Канаде. Годовой гоночный трек Formula Sun Grand Prix используется в качестве квалификатора для ASC.

Американская Solar Challenge спонсировалась частично несколькими небольшими спонсорами. Однако финансирование было сокращено в конце 2005 года, и NASC 2007 был отменен. Североамериканское сообщество солнечных гонок работало над тем, чтобы найти решение, в результате чего Toyota стала основным спонсором гонки 2008 года. С тех пор Toyota отказалась от спонсорства. Последний североамериканский солнечный вызов был запущен в 2016 году, от Брексвилла, штат Огайо, до Хот-Спрингса, SD. Гонка была выиграна Мичиганским университетом. Мичиган выиграл гонку за последние 6 раз.

Задача Dell-Winston Solar Solar Challenge
Dell-Winston School Solar Car Challenge — это ежегодная гонка на солнечных батареях для старшеклассников. Мероприятие привлекает команды со всего мира, но в основном из американских средних школ. Гонка была впервые проведена в 1995 году. Каждое мероприятие является конечным продуктом двухлетнего цикла обучения, запущенного командой Winston Solar Car. В нечетные годы гонка — это дорожный курс, который начинается с Dell Diamond в Round Rock, штат Техас; конец курса варьируется от года к году. В четные годы гонка — это трековая гонка вокруг Техасского автодрома. Dell спонсировала мероприятие с 2002 года.

Южноафриканская солнечная проблема
Южноафриканская солнечная проблема — двухгодичная двухнедельная гонка на солнечных батареях по длине и ширине Южной Африки. Первый вызов в 2008 году показал, что это событие может привлечь внимание общественности и что у него есть необходимая международная поддержка от FIA. В конце сентября все абитуриенты вылетят из Претории и пробираются в Кейптаун, а затем едут по побережью в Дурбан, прежде чем подняться на откос на обратном пути до финиша в Претории через 11 дней. Событие (как в 2008 году, так и в 2010 году) было одобрено Международной федерацией солнечных батарей (ISF), Международной федерацией автомобильной промышленности (FIA), Всемирным фондом дикой природы (WWF), которая стала первой солнечной гонкой, получившей одобрение от этих 3 организаций.Последняя гонка состоялась в 2016 году. Sasol подтвердил свою поддержку South Africa Solar Challenge, приняв права на именование на мероприятие, так что в течение всего времени их спонсорства мероприятие называлось Sasol Solar Challenge, Южная Африка.

Carrera Solar Atacama
Carrera Solar Atacama — первая в мире автомобильная гонка на солнечной энергии в Латинской Америке; гонка охватывает 2600 км (1600 миль) от Сантьяго до Арики на севере Чили.Основатель гонки, La Ruta Solar, утверждает, что это самая экстремальная из автомобильных гонок из-за высоких уровней солнечной радиации, до 8,5 кВтч / м2 / день, встречающихся при прохождении пустыни Атакама, а также сложных команд-участниц подняться на 3 500 м (11 500 футов) над уровнем моря. Гонка, дебютировавшая в 2009 году с участием нескольких местных команд, установлена ​​в пятой версии в конце октября 2018 года, приветствуя международные команды во всех категориях и впервые на английском и испанском языках.

Другие гонки
Formula-G, годовая трасса в Турции.
Suzuka, годовая трасса в Японии.
World Green Challenge (World Solarcar Rallye / World Solar Bicycle race), годовая гонка в Японии.
Фаэтон, часть Культурной Олимпиады в Греции до Олимпийских игр 2004 года.
Мировое солнечное ралли на Тайване.

Солнечные гонки сопротивления
Солнечные гонки сопротивления — еще одна форма солнечных гонок. В отличие от солнечных гонок на большие расстояния, солнечные драгстеры не используют никаких батарей или предварительно заряженных устройств хранения энергии. Гонщики идут голова к голове на расстоянии в четверть километра. В настоящее время гонка солнечного сопротивления проводится каждый год в субботу ближе всего к летнему солнцестоянию в Веначи, штат Вашингтон, США. Мировой рекорд для этого мероприятия составляет 29,5 секунды, установленный командой South Whidbey High School 23 июня 2007 года.

Скорость записи

Международная федерация автомобильного транспорта (FIA)
FIA признает рекорд скорости земли для автомобилей, работающих только на солнечных батареях. Текущая запись была установлена ​​командой Raedthuys Solar Team из Университета Твенте с их автомобилем SolUTra. В 2005 году была установлена ​​отметка 37,757 км / ч. Запись проходит в течение летающего 1000 м пробега, а средняя скорость составляет 2 пробега в противоположных направлениях.

В июле 2014 года группа австралийских студентов из солнечной команды UNSW Sunswift в Университете Нового Южного Уэльса нарушила мировой рекорд в своем солнечном автомобиле, поскольку самый быстрый электрический автомобиль весом менее 500 килограммов (1100 фунтов) и способен путешествуя 500 километров (310 миль) на один заряд батареи. Этот конкретный рекорд контролировался Конфедерацией австралийского автоспорта от имени FIA и не был эксклюзивным для автомобилей с солнечной батареей, но для любого электрического автомобиля, и поэтому во время попытки солнечные батареи были отключены от электрических систем. Предыдущий рекорд 73 километров в час (45 миль в час), установленный в 1988 году, был нарушен командой со средней скоростью 107 километров в час (66 миль в час) на расстоянии 500 километров (310 миль).

Мировой рекорд Гиннеса
Мировые рекорды Гиннеса признают рекорд скорости земли для автомобилей, работающих только на солнечных батареях. Эта запись в настоящее время проводится Университетом Нового Южного Уэльса с автомобилем Sunswift IV. Его 25-килограммовая (55 фунтов) батарея была удалена, поэтому автомобиль был включен только своими солнечными батареями. 7 января 2011 года на военно-морской авиабазе HMAS Albatross в Норе была установлена ​​отметка в 88,8 километра в час (55,2 миль / ч), что привело к рекордному уровню, который ранее занимал автомобиль General Motors Sunraycer 78,3 километра в час (48,7 миль в час).Запись проходит над полетом длиной 500 метров (1600 футов) и является средним числом двух проходов в противоположных направлениях.

Разные записи
Запись по австралийскому трансконтинентальному (Перт в Сидней)
Перт в Сидней Трансконтинентальный рекорд провел определенное очарование в Solar Car Racing. Hans Tholstrup (основатель World Solar Challenge) впервые завершил это путешествие в The Quiet Achiever менее чем за 20 дней в 1983 году. Этот автомобиль находится в коллекции Национального музея Австралии в Канберре.

Запись была избита Диком Смитом и Ассоциацией солнечных автомобилей Aurora, участвующими в Aurora Q1

Текущая запись была установлена ​​в 2007 году командой UNSW Solar Racing с их автомобилем Sunswift III mk2

Дизайн автомобиля
Солнечные автомобили сочетают технологии, используемые в аэрокосмической, велосипедной, альтернативной энергетике и автомобильной промышленности. В отличие от большинства гоночных автомобилей, солнечные автомобили спроектированы с серьезными энергетическими ограничениями, установленными правилами гонки. Эти правила ограничивают энергию, используемую только для сбора солнечного излучения, хотя и начинаются с полностью заряженного аккумулятора. Некоторые классы автомобилей также позволяют вводить энергию человека. В результате оптимизация конструкции для учета аэродинамического сопротивления, веса транспортного средства, сопротивления качению и эффективности электрооборудования имеет первостепенное значение.

Обычный дизайн для сегодняшних успешных автомобилей — это небольшой купол в середине изогнутого крылообразного массива, полностью покрытого клетками, с тремя колесами.Раньше стиль тараканов с гладким носом обтекателем в панели был более успешным. На более низких скоростях, с менее мощными массивами, другие конфигурации жизнеспособны и легче конструируются, например, покрывают имеющиеся поверхности существующих электромобилей солнечными батареями или закрепляют солнечные навесы над ними.

Электрическая система
Электрическая система контролирует всю мощность, поступающую и выходящую из системы.Батарейный блок хранит избыточную солнечную энергию, возникающую при неподвижном или медленном движении автомобиля. Солнечные автомобили используют ряд батарей, включая свинцово-кислотные батареи, никель-металлогидридные батареи (NiMH), никель-кадмиевые батареи (NiCd), литий-ионные батареи и литиевые полимерные батареи.

Силовая электроника может использоваться для оптимизации электрической системы.Максимальная мощность трекера регулирует рабочую точку солнечной батареи до этого напряжения, которое производит наибольшую мощность для данных условий, например, температуры. Батарейный блок защищает батареи от перезарядки. Контроллер двигателя контролирует мощность двигателя. Многие контроллеры допускают регенеративное торможение, то есть питание подается обратно в аккумулятор во время замедления.

Некоторые солнечные автомобили имеют сложные системы сбора данных, которые контролируют всю электрическую систему, а основные автомобили показывают напряжение батареи и ток двигателя. Чтобы судить о диапазоне, доступном при различном производстве солнечной энергии и потреблении энергии, измеритель ампер-часов умножает ток и скорость батареи, тем самым обеспечивая оставшийся диапазон автомобилей в каждый момент в данных условиях.

Использовалось большое количество типов двигателей. Наиболее эффективные двигатели превышают 98% эффективности. Это бесщеточные трехфазные DC, электронно-коммутируемые, колесные двигатели с конфигурацией массива Halbach для магнитов неодимового железа и бора и проволоки Litz для обмоток. Более дешевыми альтернативами являются асинхронные двигатели постоянного тока или щеткой постоянного тока.

Механические системы
Механические системы предназначены для поддержания трения и веса до минимума при сохранении прочности и жесткости. Дизайнеры обычно используют алюминий, титан и композиты для обеспечения структуры, которая удовлетворяет требованиям прочности и жесткости, будучи достаточно светлыми. Сталь используется для некоторых частей подвески на многих автомобилях.

Солнечные автомобили обычно имеют три колеса, но у некоторых есть четыре. У трехколесных транспортных средств обычно есть два передних колеса и одно заднее колесо: передний руль и заднее колесо. Четырехколесные транспортные средства устанавливаются как обычные автомобили или аналогично трехколесным транспортным средствам с двумя задними колесами рядом.

Солнечные автомобили имеют широкий диапазон подвесок из-за различных корпусов и шасси.Наиболее распространенной передней подвеской является подвеска с двойным поперечным рычагом. Задняя подвеска часто представляет собой подвеску с подвеской, как показано в моторных циклах.

Солнечные автомобили должны соответствовать строгим стандартам тормозов. Дисковые тормоза наиболее часто используются из-за их хорошей тормозной способности и способности настраиваться. Механические и гидравлические тормоза широко используются.Тормозные колодки или обувь обычно предназначены для втягивания, чтобы минимизировать тормозное сопротивление на ведущих автомобилях.

Системы рулевого управления для солнечных автомобилей также различаются. Основными расчетными факторами для систем рулевого управления являются эффективность, надежность и точность выравнивания для минимизации износа шин и потери мощности.Популярность солнечных автогонок привела к тому, что некоторые производители шин проектировали шины для солнечных автомобилей. Это повысило общую безопасность и производительность.

Все топ-команды теперь используют колесные моторы, исключая поясные или цепные приводы.

Тестирование важно для демонстрации надежности автомобиля перед гонкой. Легко потратить сто тысяч долларов, чтобы получить двухчасовое преимущество, и одинаково легко потерять два часа из-за проблем с надежностью.

Солнечная батарея
Солнечная батарея состоит из сотен (или тысяч) фотоэлектрических солнечных элементов, преобразующих солнечный свет в электричество. Автомобили могут использовать различные технологии солнечных батарей; чаще всего поликристаллический кремний, монокристаллический кремний или арсенид галлия. Ячейки соединены вместе в строки, в то время как строки часто соединяются вместе, чтобы сформировать панель. Обычно панели имеют напряжения, близкие к номинальному напряжению батареи. Основная цель — получить как можно больше площади ячеек как можно меньшего пространства. Дизайнеры инкапсулируют клетки, чтобы защитить их от погодных условий и поломки.

Проектирование солнечной батареи — это нечто большее, чем просто наложение кучи ячеек вместе. Солнечная батарея действует как много очень маленьких батарей, все они соединены последовательно. Общее генерируемое напряжение представляет собой сумму всех напряжений ячейки. Проблема в том, что если одна ячейка находится в тени, она действует как диод, блокируя ток для всей строки ячеек. Чтобы проектировать против этого, конструкторы массива используют байпасные диоды параллельно с меньшими сегментами строки ячеек, что позволяет ток вокруг неработающей ячейки (я). Другое соображение состоит в том, что сама батарея может принудительно перемещать ток через массив, если в конце каждой панели не установлены блокирующие диоды.

Мощность, создаваемая солнечной батареей, зависит от погодных условий, положения солнца и мощности массива. В полдень в яркий день хороший массив может производить более 2 киловатт (2,6 л.с.). 6-миллиметровая массив из 20% клеток будет генерировать примерно 6 кВт • ч (22 кДж) энергии в течение типичного дня на WSC.

Некоторые автомобили использовали автономные или интегрированные паруса для использования энергии ветра. Гонки, включая WSC и ASC, считают энергию ветра солнечной энергией, поэтому их правила гонки позволяют эту практику.

аэродинамика
Аэродинамическое сопротивление является основным источником потерь на солнечной гонке.Аэродинамическое сопротивление транспортного средства является продуктом лобной области и ее Cd. Для большинства солнечных автомобилей фронтальная площадь составляет от 0,75 до 1,3 м2. В то время как Cd с 0.10 были зарегистрированы, 0.13 является более типичным. Это требует большого внимания к деталям.

масса
Масса транспортного средства также является важным фактором. Легкий автомобиль генерирует меньшее сопротивление качению и потребует меньших более легких тормозов и других компонентов подвески. Это добродетельный круг при проектировании легких транспортных средств.

Сопротивление качению
Сопротивление качению можно свести к минимуму, используя правильные шины, надутые до нужного давления, правильно выровненные и минимизирующие вес автомобиля.

Уравнение производительности
Конструкция солнечного автомобиля регулируется следующим уравнением работы:


который может быть удобно упрощен до уравнения производительности


для дальних дистанций и ценностей, наблюдаемых на практике.

Вкратце, левая сторона представляет собой вход энергии в автомобиль (батареи и мощность от солнца), а правая сторона — это энергия, необходимая для управления автомобилем вдоль маршрута гонки (преодоление сопротивления качению, аэродинамическое сопротивление, подъем в гору и ускорение ). Все в этом уравнении можно оценить, кроме v. Параметры включают:

Символ Описание Ford Australia Аврора Аврора Аврора
Год 1987 1993 1999 2007
η Двигатель, контроллер и эффективность привода (десятичная) 0,82 0,80 0,97 0,97
η b Ватт-часовая эффективность батареи (десятичная) 0,82 0,92 0,82 1,00 (LiPoly)
Е Энергия, доступная в батареях (джоулях) 1.2e7 1.8e7 1.8e7 1.8e7
п Расчетная средняя мощность из массива (1) (Вт) 918 902 1050 972
Икс Расстояние до маршрута (метров) 3E6 3.007e6 3.007e6 3.007e6
W Масса транспортного средства, включая полезную нагрузку (ньютоны) 2690 2950 3000 2400
C rr 1 Первый коэффициент сопротивления качению (безразмерный) 0,0060 0,0050 0,0027 0,0027
C rr 2 Второй коэффициент сопротивления качению (ньютон-секунда на метр) 0 0 0 0
N Количество колес на транспортном средстве (целое) 4 3 3 3
ρ Плотность воздуха (килограмм на кубический метр) 1,22 1,22 1,22 1,22
C d Коэффициент сопротивления (безразмерный) 0,26 0,133 0,10 0,10
Фронтальная площадь (квадратные метры) 0,70 0,75 0,75 0,76
час Общая высота, на которую будет подниматься автомобиль (метры) 0 0 0 0
N a Количество раз, когда автомобиль будет ускоряться в день гонки (целое число) 4 4 4 4
г Локальное ускорение вследствие переменной силы тяжести (метры в секунду в квадрате) 9,81 9,81 9,81 9,81
v Расчетная средняя скорость по маршруту (метры в секунду) +16,8 20,3 27,2 27,1
Расчетная средняя скорость в км / ч 60,5 73,1 97,9 97,6
Фактическая скорость гонки км / ч 44,8 70,1 73 85

Примечание 1 Для WSC средняя мощность панели может быть приблизительно равна (7/9) × номинальной мощности.

Решение длинной формы уравнения для скорости приводит к большому уравнению (приблизительно 100 членов). Используя уравнение мощности в качестве арбитра, конструкторы транспортных средств могут сравнивать различные конструкции автомобилей и оценивать сравнительные характеристики по данному маршруту. В сочетании с CAE и системным моделированием уравнение мощности может быть полезным инструментом в дизайне солнечных автомобилей.

Рассогласование маршрутов
Направленная ориентация маршрута солнечной автопробега влияет на кажущееся положение солнца в небе в течение дня гонки, что, в свою очередь, влияет на потребление энергии на транспортное средство.

Например, при южном направлении к северному маршруту, солнце поднималось над правым плечом водителя и заканчивалось слева (из-за видимого движения солнца на восток-запад).
При выравнивании маршрута на восток-запад солнце поднималось позади транспортного средства и, похоже, двигалось в направлении движения транспортного средства, устанавливая перед автомобилем.
Гибридная маршрутизация маршрута включает в себя значительные участки маршрутов с севера на север и восток-запад вместе.
Это важно для дизайнеров, которые стремятся максимизировать вклад энергии в панель солнечных элементов (часто называемую «массивом» ячеек), проектируя массив, чтобы указывать прямо на солнце как можно дольше в течение дня гонки. Таким образом, проектировщик автомобилей на юг-северный гоночный автомобиль может увеличить общую потребляемую мощность автомобиля, используя солнечные батареи по бокам транспортного средства, где солнце ударит их (или создав выпуклую матрицу, коаксиальную движению транспортного средства). Напротив, выравнивание гонки восток-запад может снизить выгоду от наличия ячеек на стороне транспортного средства и, таким образом, может способствовать созданию плоской решетки.

Поскольку солнечные автомобили часто предназначены для целенаправленного использования, и поскольку массивы обычно не перемещаются по отношению к остальной части транспортного средства (за исключением заметных исключений), этот компромисс с плоской панелью против выпуклого дизайна с гоночной трассой является одним из самых значительных решения, которые должен сделать дизайнер солнечных автомобилей.

Например, в 1990 и 1993 годах события Sunrayce USA были выиграны автомобилями со значительно выпуклыми массивами, соответствующими южно-северным расам; к 1997 году, однако, большинство автомобилей в этом случае имели плоские массивы, чтобы соответствовать изменению маршрута восток-запад.

Стратегия гонки

Потребление энергии
Оптимизация потребления энергии имеет первостепенное значение в солнечной гонке автомобилей. Поэтому полезно иметь возможность постоянно контролировать и оптимизировать энергетические параметры транспортного средства. Учитывая переменные условия, у большинства команд есть программы оптимизации скорости гонки, которые постоянно обновляют команду о том, насколько быстро автомобиль должен путешествовать. В некоторых командах используется телеметрия, которая передает данные о характеристиках транспортного средства на следующее транспортное средство поддержки, которое может обеспечить водителя транспортного средства оптимальной стратегией.

Трасса маршрута
Сам маршрут гонки повлияет на стратегию, поскольку видимое положение солнца в небе будет варьироваться в зависимости от различных факторов, которые характерны для ориентации транспортного средства.

Кроме того, изменения высоты над маршрутом гонки могут значительно изменить количество энергии, необходимое для проезда по маршруту. Например, маршрут североамериканских солнечных испытаний 2001 и 2003 годов пересек Скалистые горы.

Прогноз погоды
Успешной команде гонок на солнечных автомобилях необходимо будет иметь доступ к надежным прогнозам погоды, чтобы прогнозировать мощность, потребляемую автомобилем от солнца в течение каждого дня гонки.