Corrida de carros solar - Solar car racing

Corridas de carros solares referem-se a corridas competitivas de veículos elétricos movidos a 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 semelhantes na Europa, EUA e Austrália. Esses desafios são frequentemente apresentados por universidades para desenvolver as habilidades tecnológicas e de engenharia de seus alunos, mas muitas empresas já participaram de competições no passado. Um pequeno número de equipes do ensino médio participa de corridas de carros solares projetadas exclusivamente para alunos do ensino médio.

Corridas de distância

As duas corridas de distância (terrestre) de carro solar mais notáveis ​​são o World Solar Challenge e o American Solar Challenge . Eles são contestados por uma variedade de equipes universitárias e corporativas. As equipes corporativas participam das corridas para dar às equipes de design experiência de trabalho com fontes alternativas de energia e materiais avançados. As equipes universitárias participam para dar aos alunos experiência no projeto de carros de alta tecnologia e no trabalho com tecnologia ambiental e de materiais avançados. Essas corridas costumam ser patrocinadas por agências governamentais ou educacionais e empresas como a Toyota que desejam 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 acontecem em um país muito remoto. O carro solar viajará acompanhado por uma pequena caravana de carros de apoio. Em uma corrida de longa distância, cada carro solar será precedido por um carro líder 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 feitas com base nas informações do carro solar e informações ambientais sobre o clima e o terreno. Atrás do controle da missão pode haver um ou mais veículos transportando motoristas de substituição e suporte de manutenção, bem como suprimentos e equipamentos de acampamento para toda a equipe.

Desafio Solar Mundial

Artigo principal: World Solar Challenge

Esta corrida apresenta um grupo de competidores de todo o mundo que correm para cruzar o continente australiano . A corrida de 30 anos do World Solar Challenge foi realizada em outubro de 2017. Mudanças importantes nos regulamentos foram lançadas em junho de 2006 para esta corrida para aumentar a segurança, para construir uma nova geração de carros solares, que com poucas modificações poderiam ser a base para uma prática proposta de transporte sustentável e que visava diminuir a velocidade dos carros no evento principal, que poderia facilmente ultrapassar o limite de velocidade (110 km / h) dos anos anteriores.

Em 2013, os organizadores do evento apresentaram a Classe Cruiser ao World Solar Challenge, projetado para incentivar os competidores a projetar um veículo "prático" movido a energia solar. Esta corrida exige que os veículos tenham quatro rodas e assentos verticais para os passageiros e é avaliada por vários fatores, incluindo tempo, carga útil, milhas do passageiro e uso de energia externa. A equipe de corrida solar holandesa TU Eindhoven foi a primeira vencedora da classe Cruiser com seu veículo Stella .

American Solar Challenge

Artigo principal: American Solar Challenge

O American Solar Challenge, anteriormente conhecido como 'North American Solar Challenge' e 'Sunrayce', apresenta principalmente equipes universitárias competindo em intervalos cronometrados nos Estados Unidos e Canadá. A corrida de pista anual do Grande Prêmio da Fórmula Sun é usada como um 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 corrida solar trabalhou para encontrar uma solução, trazendo a Toyota como patrocinadora principal para uma corrida de 2008. Desde então, a Toyota 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.

O desafio do carro solar Dell-Winston School

Artigo principal: Dell-Winston School Solar Car Challenge

O Dell-Winston School Solar Car Challenge é uma corrida anual de carros movidos a energia solar para alunos do ensino médio. O evento atrai equipes de todo o mundo, mas principalmente de escolas americanas. A corrida foi realizada pela primeira vez em 1995. Cada evento é o produto final de um ciclo educacional 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. Nos anos pares, a corrida é uma corrida em pista ao redor do Texas Motor Speedway. A Dell patrocina o evento desde 2002. [1]

Desafio solar sul-africano

Artigo principal: Desafio Solar Sul-Africano

O South African Solar Challenge é uma corrida de carros movidos a energia solar de duas semanas por toda a África do Sul. O primeiro desafio em 2008 provou que este evento pode atrair o interesse do público e que conta com o apoio internacional necessário da FIA. No final de setembro, todos os participantes decolarão de Pretória e seguirão para a Cidade do Cabo, em seguida, dirigirão ao longo da costa até Durban, antes de escalar a escarpa de volta à linha de chegada em Pretória 11 dias depois. O evento foi (em 2008 e 2010) endossado pela International Solarcar Federation (ISF), Fédération Internationale de l'Automobile (FIA), World Wildlife Fund (WWF), tornando-se a primeira Corrida Solar a receber o endosso dessas 3 organizações. A última corrida teve lugar em 2016. A Sasol confirmou o seu apoio ao South Africa Solar Challenge, tomando naming rights ao evento, de forma que durante o seu patrocínio, o evento ficou conhecido como Sasol Solar Challenge, South Africa.

Carrera Solar Atacama

O Carrera Solar Atacama é a primeira corrida de carros movidos a energia solar desse tipo na América Latina; a corrida cobre 2.600 km (1.600 milhas) de Santiago a Arica, no norte do Chile. O fundador da corrida, La Ruta Solar, afirma que é a mais extrema das corridas de veículos devido aos altos níveis de radiação solar, de até 8,5 kWh / m 2 / dia, encontrados durante a travessia do Deserto de Atacama, além de desafiar as equipes participantes subir 3.500 m (11.500 pés) acima do nível do mar. Depois da corrida de 2018, a La Ruta Solar organizou sua próxima edição para 2020, mas nunca aconteceu. No final de 2019, a organização lutou com financiamento e decidiu cancelar a corrida. Poucos meses depois, eles declararam falência.

Outras raças

Corridas de dragagem solar

As corridas solares são outra forma de corrida solar. Ao contrário das corridas solares de longa distância, os dragsters solares não usam baterias ou dispositivos de armazenamento de energia pré-carregados . Os pilotos enfrentam-se em uma distância reta de um quarto de quilômetro. Atualmente, uma corrida de resistência 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 South Whidbey High School em 23 de junho de 2007.

Corridas solares modelo e educacionais

A tecnologia de veículos solares pode ser aplicada em pequena escala, o que a torna ideal para fins educacionais nas áreas de STEM . Alguns eventos são:

Model Solar Vehicle Challenge Victoria

O Victorian Model Solar Vehicle Challenge é uma competição de engenharia realizada por alunos em Victoria , do 1o ao 12o ano. Os alunos projetam e constroem seu próprio veículo, seja um carro ou um barco. Este evento é realizado atualmente na ScienceWorks ( Melbourne ) em outubro de cada ano. O primeiro evento foi realizado em 1986. O objetivo do desafio é proporcionar aos alunos uma experiência de como é trabalhar em STEM e entender o que pode ser alcançado com a tecnologia renovável .

Junior Solar Sprint

Junior Solar Sprint foi criado na década de 1980 pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) para ensinar as crianças mais novas sobre a importância e os desafios do uso de energia renovável . O projeto também ensina aos alunos como o processo de engenharia é aplicado e como os painéis solares , a transmissão e a aerodinâmica podem ser usados ​​na prática.

Registros de velocidade

Fédération Internationale de l'Automobile (FIA)

A FIA reconhece um recorde de velocidade terrestre para veículos movidos apenas por painéis solares. O recorde atual foi estabelecido pela Solar Team Twente , da Universidade de Twente com seu carro SolUTra. O recorde de 37,757 km / h foi estabelecido em 2005. O recorde ocorre em 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 University of New South Wales quebrou um recorde mundial em seu carro solar, para o carro elétrico mais rápido, pesando menos de 500 kg (1.100 lb) e capaz de viajando 500 quilômetros (310 mi) com uma única carga de bateria. Este registro em particular foi supervisionado pela Confederação do Automobilismo Australiano 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) ao longo dos 500 quilômetros (310 milhas) de distância.

Recorde mundial Guinness

Sunswift IV e veículo de controle durante tentativas de recorde de velocidade no HMAS Albatross .

O Guinness World Records reconhece um recorde de velocidade em terra para veículos movidos apenas por painéis solares. Este recorde é atualmente detido pela University of New South Wales com o carro Sunswift IV . Sua bateria de 25 quilos (55 lb) foi removida, então o veículo foi 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 Sunraycer da General Motors de 78,3 quilômetros por hora (48,7 mph). O recorde ocorre em um trecho de vôo de 500 metros (1.600 pés) e é a média de duas corridas em direções opostas.

Registros diversos

Recorde de velocidade transcontinental australiana (Perth a Sydney)

O recorde Transcontinental de Perth a Sydney manteve um certo fascínio no Solar Car Racing. Hans Tholstrup (o fundador do World Solar Challenge) completou essa jornada em The Quiet Achiever 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 a Aurora Solar Vehicle Association competindo no Aurora Q1

O recorde atual foi estabelecido em 2007 pela UNSW Solar Racing Team com seu carro Sunswift III mk2

Design de veículos

Os carros solares combinam a tecnologia usada nas indústrias aeroespacial , de bicicleta , de 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. Essas regras limitam a energia usada apenas à coletada da radiação solar , embora começando com uma bateria totalmente carregada. Algumas classes de veículos também permitem 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 design comum para os veículos de sucesso de hoje é um pequeno velame no meio de uma estrutura em forma de asa curva, inteiramente coberta por células, com 3 rodas. Antes, o estilo da barata com uma carenagem de nariz lisa no painel fazia mais sucesso. Em velocidades mais baixas, com matrizes menos potentes, outras configurações são viáveis ​​e mais fáceis de construir, por exemplo, cobrindo as superfícies disponíveis de veículos elétricos existentes com células solares ou fixando dosséis solares acima deles.

Os veículos de corrida dirigem-se à linha de chegada no 2005 North American Solar Challenge.

Sistema elétrico

O sistema elétrico controla toda a energia que entra e sai do sistema. A bateria armazena o excedente de energia solar 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 metálico ( 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 para aquela voltagem que produz mais energia para as condições dadas, por exemplo, temperatura. O gerenciador de bateria protege as baterias contra sobrecarga. O controlador do motor controla a potência desejada do motor. Muitos controladores permitem a frenagem regenerativa, ou seja, a energia é realimentada na 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 tensão da bateria e a corrente do motor. Para julgar a faixa disponível com a variação da produção solar e do consumo motriz, um amperímetro-hora multiplica a corrente e a taxa da bateria, fornecendo assim a autonomia restante do veículo em cada momento nas condições dadas.

Uma grande variedade de tipos de motores tem sido usada. Os motores mais eficientes excedem a eficiência de 98%. Estes são motores de roda trifásicos sem escova, comutados eletronicamente, com uma configuração de matriz Halbach para os ímãs de neodímio-ferro-boro e fio Litz para os enrolamentos. Alternativas mais baratas são os motores AC assíncronos ou DC com escova.

Um chassi de teste no Ford Proving Grounds em 1992.

Sistemas mecânicos

Os sistemas mecânicos são projetados para manter o atrito e o peso ao mínimo, enquanto mantêm a resistência e a rigidez. Os projetistas normalmente usam alumínio, titânio e compostos para fornecer uma estrutura que atenda aos requisitos de resistência e rigidez, embora seja bastante leve. O aço é usado para algumas peças de suspensão em muitos carros.

Os 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 giram e as traseiras seguem. Os veículos de quatro rodas são configurados como carros normais ou de forma semelhante aos veículos de três rodas com as duas rodas traseiras juntas.

Os carros solares têm uma ampla gama de suspensões devido à variedade de carrocerias e chassis. A suspensão dianteira mais comum é a suspensão triangular dupla . A suspensão traseira é freqüentemente uma suspensão de braço à direita, como encontrada em motocicletas.

Os carros solares devem atender a padrões rigorosos de freios. Os freios a disco são os mais comumente usados ​​devido à sua boa capacidade de frenagem e ajuste. Freios mecânicos e hidráulicos são amplamente utilizados. As pastilhas ou sapatas de freio são normalmente projetadas para retrair para minimizar o arrasto de freio, em carros na frente.

Os 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 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 acionamentos por correia ou corrente.

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 que convertem 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 cordas, enquanto as cordas costumam ser unidas para formar um painel. Os painéis normalmente têm tensões próximas da tensão nominal da bateria. O objetivo principal é obter o máximo de área da célula no menor espaço possível. Os designers encapsulam as células para protegê-las do clima e quebras.

Projetar um painel solar é mais do que apenas amarrar um monte de células juntas. Um painel solar atua como muitas baterias muito pequenas, todas conectadas em série. A tensão total produzida é a soma de todas as tensões das células. O problema é que, se uma única célula estiver na sombra, ela atua como um diodo , bloqueando a corrente de toda a cadeia de células. Para projetar contra isso, os projetistas de matrizes usam diodos de desvio em paralelo com segmentos menores da cadeia de células, permitindo a corrente ao redor da (s) célula (s) que não funcionam. 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 climáticas, da posição do sol e da capacidade do painel. Ao meio-dia em um dia claro, uma boa matriz pode produzir mais de 2 quilowatts (2,6 HP). Uma matriz de 6 m 2 de células de 20% produzirá cerca de 6 kW · h (22 kJ) de energia durante um dia típico na WSC.

Alguns carros empregam velas autônomas ou integradas para aproveitar a energia eólica. As corridas, incluindo a WSC e ASC , consideram a energia eólica como energia solar, portanto, seus regulamentos de corrida permitem essa prática.

Aerodinâmica

O 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 C d . Para a maioria dos carros solares, a área frontal é de 0,75 a 1,3 m 2 . Embora C d tão baixo quanto 0,10 tenham sido relatados, 0,13 é mais típico. Isso requer 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 menores e 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, cheios com a pressão certa, alinhados corretamente e minimizando o peso do veículo.

Equação de desempenho

O projeto de um carro solar é regido pela seguinte equação de trabalho:

que pode ser simplificado de forma útil 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 conduzir o carro ao longo do percurso da corrida (superando a resistência ao rolamento, resistência aerodinâmica, subida e aceleração ) Tudo nesta equação pode ser estimado, exceto v . Os parâmetros incluem:

Simulação por computador de um projeto de carroceria solar.
Símbolo Descrição Ford Australia aurora aurora aurora
Ano 1987 1993 1999 2007
η Eficiência do motor, controlador e trem de força (decimal) 0,82 0,80 0,97 0,97
η b Eficiência da bateria em watts-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 do percurso da corrida (metros) 3e6 3.007e6 3.007e6 3.007e6
C Peso do veículo, incluindo carga útil (newtons) 2690 2950 3000 2.400
C rr 1 Primeiro coeficiente de resistência ao rolamento (adimensional) 0,0060 0,0050 0,0027 0,0027
C rr 2 Segundo coeficiente de resistência ao rolamento (newton-segundos 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 (adimensional) 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 de 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 da corrida km / h 44,8 70,1 73 85

Nota 1 Para o 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 árbitro, os projetistas de veículos podem comparar vários projetos de carros e avaliar o desempenho comparativo ao longo de uma determinada rota. Combinada com CAE e modelagem de sistemas, a equação de energia pode ser uma ferramenta útil no projeto de carros solares.

Considerações sobre a rota da 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 sul-norte, por exemplo, o sol nasceria sobre o ombro direito do piloto e terminaria sobre o esquerdo (devido ao movimento aparente leste-oeste do sol).
  • Em um alinhamento de rota de corrida leste-oeste, o sol nasceria atrás do veículo e pareceria se mover na direção do movimento do veículo, se pondo na frente do carro.
  • Um alinhamento de rota híbrida inclui seções significativas de rotas sul-norte e leste-oeste juntas.

Isso é significativo para os projetistas, que buscam maximizar a entrada de energia em um painel de células solares (muitas vezes chamado de "matriz" 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 os atingirá (ou criando uma matriz convexa coaxial com o movimento do veículo). Em contraste, um alinhamento de corrida leste-oeste pode reduzir o benefício de ter células na lateral do veículo e, portanto, pode encorajar o projeto de uma matriz plana.

Como os carros solares são muitas vezes construídos para um propósito específico e porque as matrizes geralmente não se movem em relação ao resto do veículo (com notáveis ​​exceções), este compromisso de design de tela plana versus convexo é um dos mais significativos decisões que um projetista de carros solares deve tomar.

Por exemplo, os eventos Sunrayce USA de 1990 e 1993 foram vencidos por veículos com matrizes significativamente convexas, correspondendo aos alinhamentos da corrida sul-norte; em 1997, entretanto, a maioria dos carros naquele evento tinha matrizes planas para coincidir com a mudança para uma rota leste-oeste.

Estratégia de corrida

Consumo de energia

Otimizar o consumo de energia é de extrema importância em uma corrida de carros solares. Portanto, é útil ser capaz de monitorar e otimizar continuamente os parâmetros de energia do veículo. Dadas as condições variáveis, a maioria das equipes tem programas de otimização da velocidade de corrida que atualizam continuamente a equipe sobre a velocidade com que o veículo deve se deslocar. Algumas equipes empregam telemetria que retransmite os dados de desempenho do veículo para um veículo de apoio a seguir, o que pode fornecer ao motorista do veículo uma estratégia ideal.

Elevação (em metros) de uma rota de corrida que cruzou as Montanhas Rochosas, de Illinois à Califórnia.

Rota da corrida

A própria rota da corrida afetará a estratégia, porque a posição aparente do sol no céu irá variar dependendo de vários fatores que são específicos à orientação do veículo (consulte "Considerações sobre a rota da corrida", acima).

Além disso, as mudanças de elevação em uma rota de corrida podem alterar drasticamente a quantidade de energia necessária para percorrer a rota. Por exemplo, a rota North American Solar Challenge de 2001 e 2003 cruzou as Montanhas Rochosas (veja o gráfico à direita).

Previsão do tempo

Uma equipe de corrida de carros solares 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.

Potência medida da matriz para Christine da Aurora na WSC 2008.

Veja também

Referências

links externos