Гонки на солнечных автомобилях — это соревновательные гонки электромобилей , которые питаются от солнечной энергии , получаемой от солнечных панелей на поверхности автомобиля ( солнечные автомобили ). Первой гонкой на солнечных автомобилях была Tour de Sol в 1985 году, которая привела к нескольким аналогичным гонкам в Европе, США и Австралии. Такие соревнования часто проводятся университетами для развития инженерных и технологических навыков своих студентов, но многие коммерческие корпорации принимали участие в соревнованиях в прошлом. Небольшое количество команд старших классов принимают участие в гонках на солнечных автомобилях, предназначенных исключительно для старшеклассников.
Две самые известные гонки на солнечных автомобилях по суше — это World Solar Challenge и American Solar Challenge . В них участвуют различные университетские и корпоративные команды. Корпоративные команды участвуют в гонках, чтобы дать своим командам дизайнеров опыт работы как с альтернативными источниками энергии, так и с передовыми материалами. Университетские команды участвуют, чтобы дать своим студентам опыт проектирования высокотехнологичных автомобилей и работы с экологическими и передовыми технологиями материалов. Эти гонки часто спонсируются государственными или образовательными агентствами, [ требуется ссылка ] и такими компаниями, как Toyota [1], которые стремятся продвигать возобновляемые источники энергии.
Автомобили требуют интенсивных групп поддержки, сопоставимых по размеру с профессиональными гоночными командами. Это особенно касается World Solar Challenge, где участки гонки проходят по очень отдаленной местности. Солнечная машина будет ехать в сопровождении небольшого каравана вспомогательных машин. В гонке на длинную дистанцию перед каждой солнечной машиной будет ехать головная машина, которая может определять проблемы или препятствия впереди гоночной машины. За солнечной машиной будет находиться машина управления полетами, с которой будет контролироваться темп гонки. Здесь тактические решения принимаются на основе информации от солнечной машины и экологической информации о погоде и рельефе. За центром управления полетами может находиться одна или несколько других машин, перевозящих сменных водителей и техническую поддержку, а также припасы и походное снаряжение для всей команды.
В этой гонке принимают участие участники со всего мира, которые стремятся пересечь австралийский континент . 30-я юбилейная гонка World Solar Challenge прошла в октябре 2017 года. В июне 2006 года были внесены существенные изменения в правила этой гонки с целью повышения безопасности, создания нового поколения солнечных автомобилей, которые с небольшими изменениями могли бы стать основой для практического предложения по устойчивому транспорту и призваны замедлить автомобили в главном событии, которые могли легко превысить ограничение скорости (110 км/ч) в предыдущие годы.
В 2013 году организаторы мероприятия представили класс Cruiser в World Solar Challenge, призванный побудить участников спроектировать «практичное» транспортное средство на солнечных батареях. Для этой гонки требуется, чтобы транспортные средства имели четыре колеса и вертикальные сиденья для пассажиров, и оценивается по ряду факторов, включая время, полезную нагрузку, пассажиро-миль и использование внешней энергии. [2] Голландская гоночная команда TU Eindhoven Solar стала первым победителем в классе Cruiser со своим автомобилем Stella . [3]
American Solar Challenge, ранее известный как «North American Solar Challenge» и «Sunrayce», в основном представляет собой студенческие команды, соревнующиеся на временных интервалах в Соединенных Штатах и Канаде. Ежегодная гонка на треке Formula Sun Grand Prix используется в качестве квалификации для ASC.
American Solar Challenge частично спонсировался несколькими мелкими спонсорами. Однако финансирование было урезано ближе к концу 2005 года, и NASC 2007 был отменен. Североамериканское сообщество гонщиков на солнечных батареях работало над поиском решения, привлекая Toyota в качестве основного спонсора для гонки 2008 года. [4] [5] С тех пор Toyota отказалась от спонсорства. Последний North American Solar Challenge проводился в 2016 году из Брексвилла, штат Огайо, в Хот-Спрингс, штат Южная Дакота. Гонку выиграл Мичиганский университет . Мичиган выигрывал гонку последние 6 раз, когда она проводилась.
Solar Car Challenge — ежегодное мероприятие, которое способствует образованию и инновациям в области возобновляемой энергии, вовлекая старшеклассников в проектирование, проектирование и гонки на солнечных транспортных средствах. Основанный в 1989 году [6] доктором Леманом Марксом, этот конкурс вырос в ведущую образовательную программу, сочетающую принципы науки, технологий, инженерии и математики (STEM) с практическим опытом. Участникам поручено строить и гонять на солнечных автомобилях, что позволяет им применять теоретические знания для решения практических задач, одновременно продвигая устойчивые технологии и командную работу.
Проводимый в течение нескольких дней, Solar Car Challenge обычно включает гонку по пересеченной местности или гонку на треке, в зависимости от года. Мероприятие привлекает команды со всех уголков США, а иногда и международных участников, способствуя развитию духа дружеского соревнования и сотрудничества. Помимо самой гонки, Solar Car Challenge предоставляет обширные образовательные ресурсы, семинары и наставничество, чтобы помочь студентам добиться успеха. Это соревнование не только подчеркивает потенциал солнечной энергии, но и вдохновляет следующее поколение инженеров, ученых и экологически сознательных граждан.
South African Solar Challenge — это двухнедельная гонка на автомобилях на солнечных батареях, которая проводится раз в два года по всей Южной Африке. Первая гонка в 2008 году доказала, что это мероприятие может привлечь интерес публики и что у него есть необходимая международная поддержка FIA. В конце сентября все участники стартуют из Претории и отправятся в Кейптаун, затем проедут вдоль побережья в Дурбан, прежде чем подняться на откос на обратном пути к финишной черте в Претории 11 дней спустя. Мероприятие (и в 2008, и в 2010 году) было одобрено Международной федерацией солнечных автомобилей (ISF), Международной автомобильной федерацией (FIA) и Всемирным фондом дикой природы (WWF), что сделало его первой гонкой на солнечных батареях, получившей поддержку этих трех организаций. Последняя гонка состоялась в 2016 году. Компания Sasol подтвердила свою поддержку South Africa Solar Challenge, взяв на себя права на название мероприятия, так что на протяжении всего периода спонсорства мероприятие называлось Sasol Solar Challenge, South Africa.
Carrera Solar Atacama — первая в своем роде гонка на автомобилях, работающих 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 высокого уровня солнечной радиации, до 8,5 кВт·ч/м² / день, с которым сталкиваются при пересечении пустыни Атакама, а также из-за того, что участвующим командам предстоит подняться на высоту 3500 м (11 500 футов) над уровнем моря. После гонки 2018 года La Ruta Solar организовала свой следующий выпуск в 2020 году, но он так и не состоялся. В конце 2019 года организация столкнулась с трудностями с финансированием и решила отменить гонку. Несколько месяцев спустя они объявили о банкротстве. [7]
Гонки на солнечных дрэг-рейсингах — это еще одна форма гонок на солнечных батареях. В отличие от гонок на длинные дистанции, в гонках на солнечных батареях не используются батареи или предварительно заряженные накопители энергии . Гонщики соревнуются друг с другом на прямой дистанции в четверть километра. В настоящее время гонки на солнечных батареях проводятся каждый год в субботу, ближайшую к летнему солнцестоянию, в Уэнатчи, штат Вашингтон, США. Мировой рекорд для этого мероприятия составляет 29,5 секунд, установленный командой средней школы South Whidbey 23 июня 2007 года. [8]
Технология солнечных транспортных средств может применяться в небольших масштабах, что делает ее идеальной для образовательных целей в областях STEM . [9] Вот некоторые события:
Victorian Model Solar Vehicle Challenge — это инженерное соревнование, проводимое студентами по всей Виктории с 1 по 12 класс. Студенты проектируют и строят собственное транспортное средство, будь то автомобиль или лодка. Это мероприятие в настоящее время проводится в ScienceWorks ( Мельбурн ) в октябре каждого года. Первое мероприятие было проведено в 1986 году. Целью соревнования является предоставление студентам опыта работы в области STEM и понимание того, чего можно достичь с помощью возобновляемых технологий . [10]
Junior Solar Sprint был создан в 1980-х годах Национальной лабораторией возобновляемой энергии (NREL) для обучения детей младшего возраста важности и проблемам использования возобновляемой энергии . Проект также обучает студентов тому , как применяется инженерный процесс и как солнечные панели , передача и аэродинамика могут использоваться на практике. [11]
FIA признает рекорд скорости на суше для транспортных средств , работающих только на солнечных батареях. Текущий рекорд был установлен командой Solar Team Twente из Университета Твенте на их автомобиле SolUTra. Рекорд в 37,757 км/ч был установлен в 2005 году. Рекорд был установлен на забеге на 1000 м и представляет собой среднюю скорость двух заездов в противоположных направлениях.
В июле 2014 года группа австралийских студентов из гоночной команды UNSW Sunswift Solar Racing Team в Университете Нового Южного Уэльса побила мировой рекорд на своем солнечном автомобиле, став самым быстрым электромобилем весом менее 500 килограммов (1100 фунтов) и способным проехать 500 километров (310 миль) на одной зарядке батареи. Этот конкретный рекорд был зафиксирован Конфедерацией австралийского автоспорта от имени FIA и распространяется не только на автомобили на солнечных батареях, но и на любые электромобили, поэтому во время попытки солнечные панели были отключены от электрических систем. Предыдущий рекорд в 73 километра в час (45 миль в час), установленный в 1988 году, был побит командой со средней скоростью 107 километров в час (66 миль в час) на дистанции 500 километров (310 миль).
Книга рекордов Гиннесса признает рекорд скорости на суше для транспортных средств, работающих только от солнечных батарей. Этот рекорд в настоящее время принадлежит Университету Нового Южного Уэльса с автомобилем Sunswift IV . Его 25-килограммовая (55 фунтов) батарея была снята, поэтому транспортное средство питалось только от своих солнечных батарей. [12] Рекорд в 88,8 километров в час (55,2 миль в час) был установлен 7 января 2011 года на военно-морской авиабазе HMAS Albatross в Ноуре , побив предыдущий рекорд, установленный автомобилем General Motors Sunraycer в 78,3 километра в час (48,7 миль в час). Рекорд был установлен на участке полета 500 метров (1600 футов) и является средним значением двух заездов в противоположных направлениях.
Трансконтинентальный рекорд Перт-Сидней имел определенную привлекательность в гонках на солнечных автомобилях. Ганс Толструп (основатель World Solar Challenge) первым завершил это путешествие на автомобиле The Quiet Achiever менее чем за 20 дней в 1983 году. Этот автомобиль находится в коллекции Национального музея Австралии в Канберре . [13]
Рекорд был побит Диком Смитом и Aurora Solar Vehicle Association, участвовавшими в гонках Aurora Q1.
Действующий рекорд был установлен в 2007 году командой UNSW Solar Racing Team на автомобиле Sunswift III mk2.
Солнечные автомобили сочетают в себе технологии, используемые в аэрокосмической , велосипедной , альтернативной энергетике и автомобильной промышленности. В отличие от большинства гоночных автомобилей, солнечные автомобили разработаны с жесткими ограничениями по энергии, налагаемыми правилами гонок. Эти правила ограничивают использование энергии только той, которая получена от солнечного излучения , хотя и начинается с полностью заряженного аккумулятора. Некоторые классы транспортных средств также допускают использование человеческой силы. В результате оптимизация конструкции с учетом аэродинамического сопротивления, веса транспортного средства, сопротивления качению и электрической эффективности имеет первостепенное значение.
Обычная конструкция для современных успешных транспортных средств — небольшой навес в середине изогнутого крыла, полностью покрытого ячейками, с 3 колесами. Раньше более успешным был стиль таракана с гладким носовым обтекателем, входящим в панель. На более низких скоростях, с менее мощными ячейками, другие конфигурации являются жизнеспособными и более простыми в изготовлении, например, покрытие имеющихся поверхностей существующих электромобилей солнечными элементами или крепление солнечных навесов над ними.
Электрическая система контролирует всю мощность, входящую и выходящую из системы. Аккумуляторная батарея хранит излишки солнечной энергии, вырабатываемой, когда транспортное средство стоит на месте или движется медленно или под уклон. В автомобилях на солнечных батареях используются различные батареи, включая свинцово-кислотные батареи , никель-металл-гидридные батареи ( NiMH ), никель-кадмиевые батареи ( NiCd ), литий-ионные батареи и литий-полимерные батареи .
Силовая электроника может использоваться для оптимизации электрической системы. Трекер максимальной мощности настраивает рабочую точку солнечной батареи на напряжение, которое вырабатывает наибольшую мощность для данных условий, например температуры. Менеджер батареи защищает батареи от перезарядки. Контроллер двигателя управляет желаемой мощностью двигателя. Многие контроллеры допускают рекуперативное торможение, т. е. мощность возвращается в батарею во время замедления.
Некоторые солнечные автомобили имеют сложные системы сбора данных, которые контролируют всю электрическую систему, в то время как базовые автомобили показывают напряжение батареи и ток двигателя. Чтобы оценить доступный диапазон при различной выработке солнечной энергии и потреблении энергии, счетчик ампер-часов умножает ток батареи и скорость, тем самым предоставляя оставшийся запас хода автомобиля в каждый момент в заданных условиях.
Было использовано большое разнообразие типов двигателей. Наиболее эффективные двигатели превышают 98% эффективности. Это бесщеточные трехфазные двигатели постоянного тока с электронной коммутацией, колесные двигатели с конфигурацией массива Хальбаха для неодимово-железо-боровых магнитов и литцендрат для обмоток. [14] Более дешевыми альтернативами являются асинхронные двигатели переменного тока или щеточные двигатели постоянного тока.
Механические системы разработаны так, чтобы свести трение и вес к минимуму, сохраняя прочность и жесткость. Обычно конструкторы используют алюминий, титан и композиты, чтобы обеспечить структуру, которая соответствует требованиям прочности и жесткости, будучи при этом достаточно легкой. Сталь используется для некоторых деталей подвески во многих автомобилях.
Солнечные автомобили обычно имеют три колеса, но некоторые имеют четыре. Трехколесные транспортные средства обычно имеют два передних колеса и одно заднее колесо: передние колеса управляются, а заднее колесо следует за ними. Четырехколесные транспортные средства устроены как обычные автомобили или аналогично трехколесным транспортным средствам с двумя задними колесами, расположенными близко друг к другу.
Солнечные автомобили имеют широкий диапазон подвесок из-за различных кузовов и шасси. Наиболее распространенной передней подвеской является подвеска с двойным поперечным рычагом . Задняя подвеска часто представляет собой подвеску с продольным рычагом, как у мотоциклов.
Автомобили на солнечных батареях должны соответствовать строгим стандартам тормозов. Дисковые тормоза являются наиболее часто используемыми из-за их хорошей тормозной способности и возможности регулировки. Механические и гидравлические тормоза широко используются. Тормозные колодки или башмаки обычно спроектированы так, чтобы втягиваться, чтобы минимизировать тормозное сопротивление на ведущих автомобилях.
Системы рулевого управления для солнечных автомобилей также различаются. Основными факторами проектирования систем рулевого управления являются эффективность, надежность и точность выравнивания для минимизации износа шин и потери мощности. Популярность гонок на солнечных автомобилях привела к тому, что некоторые производители шин начали разрабатывать шины для солнечных автомобилей. Это повысило общую безопасность и производительность.
Все ведущие команды теперь используют мотор-колеса , отказавшись от ременных и цепных передач.
Тестирование необходимо для демонстрации надежности автомобиля перед гонкой. Легко потратить сто тысяч долларов, чтобы получить преимущество в два часа, и так же легко потерять два часа из-за проблем с надежностью.
Солнечная батарея состоит из сотен (или тысяч) фотоэлектрических солнечных элементов, преобразующих солнечный свет в электричество. Автомобили могут использовать различные технологии солнечных элементов; чаще всего поликристаллический кремний, монокристаллический кремний или арсенид галлия. Элементы соединены вместе в гирлянды, а гирлянды часто соединены вместе, образуя панель. Панели обычно имеют напряжение, близкое к номинальному напряжению батареи. Основная цель — получить как можно большую площадь элемента в как можно меньшем пространстве. Разработчики инкапсулируют элементы, чтобы защитить их от погодных условий и поломок.
Проектирование солнечной батареи — это больше, чем просто соединение нескольких ячеек вместе. Солнечная батарея действует как множество очень маленьких батареек, соединенных последовательно. Общее вырабатываемое напряжение является суммой напряжений всех ячеек. Проблема в том, что если одна ячейка находится в тени, она действует как диод , блокируя ток для всей цепочки ячеек. Чтобы спроектировать ее так, чтобы избежать этого, проектировщики решеток используют обходные диоды параллельно с меньшими сегментами цепочки ячеек, пропуская ток вокруг неработающих ячеек. Другое соображение заключается в том, что сама батарея может направлять ток обратно через решетку, если в конце каждой панели не установлены блокирующие диоды.
Мощность, вырабатываемая солнечной батареей, зависит от погодных условий, положения солнца и мощности батареи. В полдень в ясный день хорошая батарея может вырабатывать более 2 киловатт (2,6 л. с.). Батарея площадью 6 м 2 из 20% ячеек вырабатывает примерно 6 кВт·ч (22 кДж) энергии в течение типичного дня на WSC.
Некоторые автомобили использовали отдельно стоящие или интегрированные паруса для использования энергии ветра. [15] Гонки, включая WSC и ASC , считают энергию ветра солнечной энергией, поэтому их правила гонок разрешают такую практику.
Аэродинамическое сопротивление является основным источником потерь на гоночном автомобиле на солнечных батареях. Аэродинамическое сопротивление автомобиля является произведением лобовой площади и его C d . Для большинства солнечных автомобилей лобовая площадь составляет от 0,75 до 1,3 м 2 . Хотя сообщалось о C d всего лишь 0,10, более типичным является 0,13. Это требует большого внимания к деталям. [16]
Масса автомобиля также является существенным фактором. Легкое транспортное средство создает меньшее сопротивление качению и нуждается в меньших, более легких тормозах и других компонентах подвески . Это замкнутый круг при проектировании легких транспортных средств.
Сопротивление качению можно свести к минимуму, используя подходящие шины, накачанные до нужного давления, правильно отрегулированные и минимизировав вес транспортного средства.
Конструкция солнечного автомобиля регулируется следующим уравнением работы:
которое можно с пользой упростить до уравнения производительности
для забегов на длинные дистанции и значения, увиденные на практике.
Вкратце, левая часть представляет собой энергию, поступающую в автомобиль (аккумуляторы и энергия солнца), а правая часть — энергию, необходимую для движения автомобиля по гоночной трассе (преодоление сопротивления качению, аэродинамического сопротивления, подъем в гору и ускорение). Все в этом уравнении можно оценить, за исключением v . Параметры включают в себя:
Примечание 1. Для WSC среднюю мощность панели можно приблизительно рассчитать как (7/9)×номинальную мощность.
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 на заданном маршруте. В сочетании с CAE и системным моделированием уравнение мощности может быть полезным инструментом при проектировании солнечных автомобилей.
Ориентация трассы гонки солнечного автомобиля влияет на видимое положение солнца на небе в день гонки, что, в свою очередь, влияет на подачу энергии в транспортное средство.
Это важно для конструкторов, которые стремятся максимизировать поступление энергии в панель солнечных элементов (часто называемую «массивом» элементов), проектируя массив так, чтобы он был направлен прямо на солнце как можно дольше в течение дня гонки. Таким образом, конструктор гоночного автомобиля с юга на север может увеличить общий расход энергии автомобиля, используя солнечные элементы по бокам автомобиля, где на них будет падать солнце (или создав выпуклый массив, соосный с движением автомобиля). Напротив, гоночное выравнивание с востока на запад может снизить выгоду от наличия ячеек по бокам автомобиля и, таким образом, может поощрить проектирование плоского массива.
Поскольку солнечные автомобили часто проектируются специально, а батареи обычно не двигаются относительно остальной части транспортного средства (за некоторыми исключениями), этот обусловленный гоночной трассой компромисс между плоской панелью и выпуклой конструкцией является одним из самых важных решений, которые должен принять конструктор солнечного автомобиля.
Например, гонки Sunrayce USA 1990 и 1993 годов выиграли автомобили с существенно выпуклыми решетками, что соответствовало направлению гонки с юга на север; однако к 1997 году большинство автомобилей в этом соревновании имели плоские решетки, что соответствовало изменению направления на восток-запад.
Оптимизация потребления энергии имеет первостепенное значение в гонке солнечных автомобилей. Поэтому полезно иметь возможность постоянно контролировать и оптимизировать энергетические параметры автомобиля. Учитывая изменчивые условия, большинство команд имеют программы оптимизации скорости гонки, которые постоянно информируют команду о том, насколько быстро должен двигаться автомобиль. Некоторые команды используют телеметрию , которая передает данные о производительности автомобиля следующему автомобилю поддержки, который может предоставить водителю автомобиля оптимальную стратегию.
Сам маршрут гонки будет влиять на стратегию, поскольку видимое положение солнца на небе будет меняться в зависимости от различных факторов, которые зависят от ориентации транспортного средства (см. раздел «Соображения относительно маршрута гонки» выше).
Кроме того, перепады высот на маршруте гонки могут существенно изменить количество энергии, необходимое для прохождения маршрута. Например, маршрут North American Solar Challenge 2001 и 2003 годов пересекал Скалистые горы (см. график справа).
Успешной команде гонок на солнечных автомобилях потребуется доступ к надежным прогнозам погоды, чтобы предсказать, сколько энергии будет поступать в автомобиль от солнца в течение каждого дня гонки.
