Las carreras de coches solares son carreras competitivas de vehículos eléctricos que funcionan con energía solar obtenida de paneles solares en la superficie del coche ( coches solares ). La primera carrera de coches solares fue el Tour de Sol en 1985, que dio lugar a varias carreras similares en Europa, Estados Unidos y Australia. Las universidades suelen participar en este tipo de desafíos para desarrollar las habilidades tecnológicas y de ingeniería de sus estudiantes, pero muchas corporaciones comerciales han participado en competiciones en el pasado. Un pequeño número de equipos de secundaria participan en carreras de coches solares diseñadas exclusivamente para estudiantes de secundaria.
Las dos carreras de larga distancia (terrestre) con vehículos solares más destacadas son el World Solar Challenge y el American Solar Challenge . En ellas participan diversos equipos universitarios y corporativos. Los equipos corporativos participan en las carreras para que sus equipos de diseño adquieran experiencia en el trabajo con fuentes de energía alternativas y materiales avanzados. Los equipos universitarios participan para que sus estudiantes adquieran experiencia en el diseño de vehículos de alta tecnología y en el trabajo con tecnología medioambiental y de materiales avanzados. Estas carreras suelen estar patrocinadas por agencias gubernamentales o educativas, [ cita requerida ] y empresas como Toyota [1] interesadas en promover las fuentes de energía renovable.
Los coches requieren equipos de apoyo intensivos, de tamaño similar al de los equipos de carreras profesionales. Este es especialmente el caso del World Solar Challenge, en el que algunos tramos de la carrera discurren por zonas muy remotas. El coche solar viajará escoltado por una pequeña caravana de coches de apoyo. En una carrera de larga distancia, cada coche solar estará precedido por un coche líder que puede identificar problemas u obstáculos por delante del coche de carreras. Detrás del coche solar habrá un vehículo de control de misión desde el que se controlará el ritmo de la carrera. Aquí se toman decisiones tácticas en función de la información del coche solar y de la información medioambiental sobre el tiempo y el terreno. Detrás del control de misión puede haber uno o más vehículos que transporten conductores de reemplazo y apoyo de mantenimiento, así como suministros y equipo de acampada para todo el equipo.
Esta carrera cuenta con un grupo de competidores de todo el mundo que compiten para cruzar el continente australiano . La carrera del 30º aniversario del World Solar Challenge se celebró en octubre de 2017. En junio de 2006 se publicaron importantes cambios en la reglamentación de esta carrera para aumentar la seguridad, construir una nueva generación de automóviles solares, que con pocas modificaciones podrían ser la base de una propuesta práctica para el transporte sostenible y tenían como objetivo reducir la velocidad de los automóviles en el evento principal, que podían superar fácilmente el límite de velocidad (110 km/h) en años anteriores.
En 2013, los organizadores del evento introdujeron la clase Cruiser en el World Solar Challenge, diseñado para alentar a los participantes a diseñar un vehículo "práctico" alimentado con energía solar. Esta carrera requiere que los vehículos tengan cuatro ruedas y asientos verticales para los pasajeros, y se juzga en función de una serie de factores, incluidos el tiempo, la carga útil, los kilómetros recorridos por los pasajeros y el uso de energía externa. [2] El equipo holandés de carreras solares TU Eindhoven fue el ganador inaugural de la clase Cruiser con su vehículo Stella . [3]
El American Solar Challenge, anteriormente conocido como "North American Solar Challenge" y "Sunrayce", cuenta con equipos principalmente universitarios que compiten en intervalos cronometrados en Estados Unidos y Canadá. La carrera anual en pista del Gran Premio de Fórmula Sun se utiliza como clasificatorio para el ASC.
El American Solar Challenge fue patrocinado en parte por varios patrocinadores pequeños. Sin embargo, la financiación se redujo cerca de finales de 2005, y la NASC 2007 se canceló. La comunidad de carreras solares de América del Norte trabajó para encontrar una solución, incorporando a Toyota como patrocinador principal para una carrera en 2008. [4] [5] Desde entonces, Toyota ha abandonado el patrocinio. El último North American Solar Challenge se llevó a cabo en 2016, desde Brecksville, Ohio, hasta Hot Springs, Dakota del Sur. La carrera fue ganada por la Universidad de Michigan . Michigan ha ganado la carrera las últimas 6 veces que se ha celebrado.
El Solar Car Challenge es un evento anual que fomenta la educación y la innovación en energía renovable al involucrar a estudiantes de secundaria en el diseño, la ingeniería y las carreras de vehículos alimentados con energía solar. Fundado en 1989 [6] por el Dr. Lehman Marks, el desafío ha crecido hasta convertirse en un programa educativo de primer nivel, que combina principios de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas (STEM) con experiencia práctica. Los participantes tienen la tarea de construir y competir con autos solares, lo que les permite aplicar el conocimiento teórico a problemas prácticos al mismo tiempo que promueven la tecnología sustentable y el trabajo en equipo.
El Solar Car Challenge, que se desarrolla durante varios días, suele incluir una carrera de cross country o un evento en pista, según el año. El evento atrae a equipos de todo Estados Unidos y, ocasionalmente, a participantes internacionales, lo que fomenta un espíritu de competencia amistosa y colaboración. Más allá de la carrera en sí, el Solar Car Challenge ofrece amplios recursos educativos, talleres y tutorías para ayudar a los estudiantes a tener éxito. Esta competencia no solo destaca el potencial de la energía solar, sino que también inspira a la próxima generación de ingenieros, científicos y ciudadanos conscientes del medio ambiente.
El South African Solar Challenge es una carrera de coches con energía solar que se celebra cada dos semanas a lo largo y ancho de Sudáfrica. El primer desafío, celebrado en 2008, demostró que este evento puede atraer el interés del público y que cuenta con el apoyo internacional necesario de la FIA. A finales de septiembre, todos los participantes saldrán de Pretoria y se dirigirán a Ciudad del Cabo, para luego conducir a lo largo de la costa hasta Durban, antes de escalar la escarpadura de camino de regreso a la línea de meta en Pretoria 11 días después. El evento ha sido respaldado (tanto en 2008 como en 2010) por la Federación Internacional de Coches Solares (ISF), la Federación Internacional del Automóvil (FIA) y el Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF), lo que lo convierte en la primera carrera solar que recibe el apoyo de estas tres organizaciones. La última carrera tuvo lugar en 2016. Sasol confirmó su apoyo al South Africa Solar Challenge, adquiriendo los derechos del nombre del evento, de modo que mientras duró su patrocinio, el evento se conoció como Sasol Solar Challenge, Sudáfrica.
La Carrera Solar Atacama es la primera carrera de autos con energía solar de su tipo en América Latina; la carrera cubre 2.600 km (1.600 mi) desde Santiago hasta Arica en el norte de Chile. El fundador de la carrera, La Ruta Solar, afirma que es la más extrema de las carreras vehiculares debido a los altos niveles de radiación solar, hasta 8,5 kWh/m2 / día, que se encuentran al atravesar el desierto de Atacama, además de desafiar a los equipos participantes a escalar 3.500 m (11.500 pies) sobre el nivel del mar. Después de la carrera de 2018, La Ruta Solar organizó su próxima edición para 2020, pero nunca se realizó. A fines de 2019, la organización tuvo problemas de financiación y decidió cancelar la carrera. Unos meses después se declaró en quiebra. [7]
Las carreras de aceleración solares son otra forma de carreras solares. A diferencia de las carreras solares de larga distancia, las carreras de aceleración solares no utilizan baterías ni dispositivos de almacenamiento de energía precargados . Los corredores compiten cara a cara a lo largo de una distancia recta de un cuarto de kilómetro. Actualmente, cada año se celebra una carrera de aceleración solar el sábado más cercano al solsticio de verano en Wenatchee, Washington, EE. UU. El récord mundial de este evento es de 29,5 segundos, establecido por el equipo de South Whidbey High School el 23 de junio de 2007. [8]
La tecnología de vehículos solares se puede aplicar a pequeña escala, lo que la hace ideal para fines educativos en las áreas STEM . [9] Algunos eventos son:
El Victorian Model Solar Vehicle Challenge es una competencia de ingeniería que realizan estudiantes de todo Victoria , desde el primer año hasta el duodécimo. Los estudiantes diseñan y construyen su propio vehículo, ya sea un automóvil o un bote. Este evento se lleva a cabo actualmente en ScienceWorks ( Melbourne ) en octubre de cada año. El primer evento se llevó a cabo en 1986. El objetivo del desafío es brindarles a los estudiantes una experiencia de cómo es trabajar en STEM y comprender lo que se puede lograr con la tecnología renovable . [10]
Junior Solar Sprint fue creado en la década de 1980 por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) para enseñar a los niños más pequeños sobre la importancia y los desafíos del uso de energía renovable . El proyecto también enseña a los estudiantes cómo se aplica el proceso de ingeniería y cómo se pueden utilizar en la práctica los paneles solares , la transmisión y la aerodinámica . [11]
La FIA reconoce un récord de velocidad en tierra para vehículos propulsados únicamente por paneles solares. El récord actual lo consiguió el Solar Team Twente, de la Universidad de Twente, con su coche SolUTra. El récord, de 37,757 km/h, se estableció en 2005. El récord se consigue en una carrera de 1000 m en vuelo y es la velocidad media de dos carreras en direcciones opuestas.
En julio de 2014, un grupo de estudiantes australianos del equipo de carreras solar UNSW Sunswift de la Universidad de Nueva Gales del Sur batió un récord mundial con su coche solar: el coche eléctrico más rápido con un peso inferior a 500 kilogramos (1100 libras) y capaz de recorrer 500 kilómetros (310 millas) con una sola carga de batería. Este récord en particular fue supervisado por la Confederación Australiana de Deportes de Motor en nombre de la FIA y no es exclusivo de los coches de energía solar, sino de cualquier coche eléctrico, por lo que durante el intento, los paneles solares estaban desconectados de los sistemas eléctricos. El récord anterior de 73 kilómetros por hora (45 mph), que se había establecido en 1988, fue batido por el equipo con una velocidad media de 107 kilómetros por hora (66 mph) en la distancia de 500 kilómetros (310 millas).
Los Récords Mundiales Guinness reconocen un récord de velocidad en tierra para vehículos propulsados únicamente por paneles solares. Este récord lo ostenta actualmente la Universidad de Nueva Gales del Sur con el coche Sunswift IV . Se le quitó la batería de 25 kilogramos (55 libras) para que el vehículo funcionara únicamente con sus paneles solares. [12] El récord de 88,8 kilómetros por hora (55,2 mph) se estableció el 7 de enero de 2011 en la base aérea naval HMAS Albatross en Nowra , rompiendo el récord que anteriormente ostentaba el coche Sunraycer de General Motors de 78,3 kilómetros por hora (48,7 mph). El récord se logra en un tramo de 500 metros (1600 pies) de vuelo y es el promedio de dos carreras en direcciones opuestas.
El récord transcontinental de Perth a Sydney ha tenido un cierto atractivo en las carreras de autos solares. Hans Tholstrup (el fundador del World Solar Challenge) completó por primera vez este viaje en The Quiet Achiever en menos de 20 días en 1983. Este vehículo está en la colección del Museo Nacional de Australia en Canberra . [13]
El récord fue batido por Dick Smith y la Asociación de Vehículos Solares Aurora en la carrera Q1 de Aurora.
El récord actual lo estableció en 2007 el equipo UNSW Solar Racing con su coche Sunswift III mk2.
Los coches solares combinan la tecnología utilizada en las industrias aeroespacial , de bicicletas , de energía alternativa y de automoción . A diferencia de la mayoría de los coches de carreras, los coches solares están diseñados con severas restricciones energéticas impuestas por las regulaciones de la carrera. Estas reglas limitan la energía utilizada únicamente a la recogida de la radiación solar , aunque se parte de una batería completamente cargada. Algunas clases de vehículos también permiten la entrada de energía humana. Como resultado, es primordial optimizar el diseño para tener en cuenta la resistencia aerodinámica, el peso del vehículo, la resistencia a la rodadura y la eficiencia eléctrica.
Un diseño habitual de los vehículos actuales de éxito es una pequeña cubierta en el centro de un conjunto de paneles solares curvos, totalmente cubierto de células, con tres ruedas. Antes, el estilo de cucaracha con un carenado frontal liso en el panel era más exitoso. A velocidades más bajas, con conjuntos solares menos potentes, otras configuraciones son viables y más fáciles de construir, por ejemplo, cubrir las superficies disponibles de los vehículos eléctricos existentes con células solares o fijar cubiertas solares sobre ellas.
El sistema eléctrico controla toda la energía que entra y sale del sistema. El paquete de baterías almacena el excedente de energía solar que se produce cuando el vehículo está parado, circula a baja velocidad o cuesta abajo. Los coches solares utilizan una variedad de baterías, entre ellas las de plomo-ácido , las de níquel-hidruro metálico ( NiMH ), las de níquel-cadmio ( NiCd ), las de iones de litio y las de polímero de litio .
La electrónica de potencia se puede utilizar para optimizar el sistema eléctrico. El rastreador de potencia máxima ajusta el punto de funcionamiento del panel solar al voltaje que produce la mayor potencia para las condiciones dadas, por ejemplo, la temperatura. El administrador de baterías protege las baterías de la sobrecarga. El controlador del motor controla la potencia deseada del motor. Muchos controladores permiten el frenado regenerativo, es decir, la energía se devuelve a la batería durante la desaceleración.
Algunos coches solares disponen de complejos sistemas de adquisición de datos que monitorizan todo el sistema eléctrico, mientras que los coches básicos muestran el voltaje de la batería y la corriente del motor. Para calcular la autonomía disponible con variaciones en la producción solar y el consumo de energía, un amperímetro multiplica la corriente y la velocidad de la batería, proporcionando así la autonomía restante del vehículo en cada momento y en las condiciones dadas.
Se han utilizado una amplia variedad de tipos de motores. Los motores más eficientes superan el 98% de eficiencia. Se trata de motores de corriente continua trifásicos sin escobillas, conmutados electrónicamente, con ruedas, con una configuración de matriz Halbach para los imanes de neodimio-hierro-boro y alambre Litz para los bobinados. [14] Las alternativas más económicas son los motores de corriente alterna asíncronos o los motores de corriente continua con escobillas.
Los sistemas mecánicos están diseñados para mantener la fricción y el peso al mínimo, manteniendo al mismo tiempo la resistencia y la rigidez. Los diseñadores normalmente utilizan aluminio, titanio y materiales compuestos para proporcionar una estructura que cumpla con los requisitos de resistencia y rigidez y que sea al mismo tiempo bastante ligera. El acero se utiliza para algunas piezas de la suspensión de muchos coches.
Los coches solares suelen tener tres ruedas, pero algunos tienen cuatro. Los vehículos de tres ruedas suelen tener dos ruedas delanteras y una trasera: las ruedas delanteras giran y la trasera sigue. Los vehículos de cuatro ruedas están configurados como coches normales o de forma similar a los vehículos de tres ruedas, con las dos ruedas traseras juntas.
Los coches solares tienen una amplia gama de suspensiones debido a la variedad de carrocerías y chasis. La suspensión delantera más común es la de doble horquilla . La suspensión trasera suele ser una suspensión de brazos tirados como la que se encuentra en las motocicletas.
Los vehículos solares deben cumplir con estándares rigurosos en materia de frenos. Los frenos de disco son los más utilizados debido a su buena capacidad de frenado y a su capacidad de ajuste. Los frenos mecánicos e hidráulicos son ampliamente utilizados. Las pastillas o zapatas de freno suelen estar diseñadas para retraerse y minimizar el arrastre de los frenos en los vehículos más avanzados.
Los sistemas de dirección de los coches solares también varían. Los principales factores de diseño de los sistemas de dirección son la eficiencia, la fiabilidad y la alineación precisa para minimizar el desgaste de los neumáticos y la pérdida de potencia. La popularidad de las carreras de coches solares ha llevado a algunos fabricantes de neumáticos a diseñar neumáticos para vehículos solares. Esto ha aumentado la seguridad y el rendimiento generales.
Todos los equipos de élite utilizan ahora motores de rueda , eliminando las transmisiones por correa o cadena.
Las pruebas son esenciales para demostrar la fiabilidad del vehículo antes de una carrera. Es fácil gastar cien mil dólares para obtener una ventaja de dos horas, y es igualmente fácil perder dos horas debido a problemas de fiabilidad.
El sistema solar consta de cientos (o miles) de células solares fotovoltaicas que convierten la luz solar en electricidad. Los automóviles pueden utilizar una variedad de tecnologías de células solares; la mayoría de las veces, silicio policristalino, silicio monocristalino o arseniuro de galio. Las células están conectadas entre sí en cadenas, mientras que las cadenas a menudo están conectadas entre sí para formar un panel. Los paneles normalmente tienen voltajes cercanos al voltaje nominal de la batería. El objetivo principal es obtener la mayor área de células en el menor espacio posible. Los diseñadores encapsulan las células para protegerlas del clima y de las roturas.
Diseñar un conjunto de paneles solares es más que simplemente conectar un montón de celdas. Un conjunto de paneles solares actúa como muchas baterías muy pequeñas conectadas en serie. El voltaje total producido es la suma de todos los voltajes de las celdas. El problema es que si una sola celda está a la sombra, actúa como un diodo , bloqueando la corriente para toda la cadena de celdas. Para diseñar en contra de esto, los diseñadores de conjuntos utilizan diodos de derivación en paralelo con segmentos más pequeños de la cadena de celdas, permitiendo que la corriente circule alrededor de las celdas que no funcionan. Otra consideración es que la propia batería puede forzar la corriente hacia atrás a través del conjunto, a menos que haya diodos de bloqueo colocados al final de cada panel.
La energía producida por el sistema solar depende de las condiciones climáticas, la posición del sol y la capacidad del sistema. Al mediodía de un día soleado, un buen sistema puede producir más de 2 kilovatios (2,6 CV). Un sistema de 6 m2 de células al 20 % producirá aproximadamente 6 kWh (22 kJ) de energía durante un día típico en el WSC.
Algunos coches han empleado velas independientes o integradas para aprovechar la energía eólica. [15] Las carreras, incluidas la WSC y la ASC , consideran que la energía eólica es energía solar, por lo que sus regulaciones de carrera permiten esta práctica.
La resistencia aerodinámica es la principal fuente de pérdidas en un coche de carreras solar. La resistencia aerodinámica de un vehículo es el producto del área frontal y su C d . Para la mayoría de los coches solares, el área frontal es de 0,75 a 1,3 m 2 . Aunque se han reportado valores de C d tan bajos como 0,10, 0,13 es más típico. Esto requiere una gran atención a los detalles. [16]
La masa del vehículo también es un factor importante. Un vehículo ligero genera menos resistencia a la rodadura y necesitará frenos y otros componentes de la suspensión más pequeños y ligeros. Este es el círculo virtuoso a la hora de diseñar vehículos ligeros.
La resistencia a la rodadura se puede minimizar utilizando neumáticos adecuados, inflados a la presión correcta, correctamente alineados y minimizando el peso del vehículo.
El diseño de un automóvil solar se rige por la siguiente ecuación de trabajo:
que puede simplificarse de manera útil a la ecuación de rendimiento
para carreras de larga distancia y valores observados en la práctica.
En pocas palabras, el lado izquierdo representa la energía que ingresa al automóvil (baterías y energía del sol) y el lado derecho es la energía necesaria para conducir el automóvil a lo largo de la ruta de la carrera (superando la resistencia a la rodadura, la resistencia aerodinámica, subiendo pendientes y acelerando). Todo en esta ecuación se puede estimar excepto v . Los parámetros incluyen:
Nota 1 Para el WSC, la potencia promedio del panel se puede aproximar como (7/9) × potencia nominal.
La solución de la forma larga de la ecuación de velocidad da como resultado una ecuación grande (aproximadamente 100 términos). Al utilizar la ecuación de potencia como árbitro, los diseñadores de vehículos pueden comparar varios diseños de automóviles y evaluar el rendimiento comparativo en una ruta determinada. Combinada con CAE y modelado de sistemas, la ecuación de potencia puede ser una herramienta útil en el diseño de automóviles solares.
La orientación direccional de la ruta de una carrera de autos solares afecta la posición aparente del sol en el cielo durante un día de carrera, lo que a su vez afecta el aporte de energía al vehículo.
Esto es importante para los diseñadores, que buscan maximizar la entrada de energía a un panel de células solares (a menudo llamado "matriz" de células) diseñando la matriz para que apunte directamente hacia el sol durante el mayor tiempo posible durante el día de la carrera. Por lo tanto, un diseñador de autos de carrera de sur a norte podría aumentar la entrada total de energía del auto utilizando células solares en los lados del vehículo donde el sol las golpeará (o creando una matriz convexa coaxial con el movimiento del vehículo). Por el contrario, una alineación de carrera de este a oeste podría reducir el beneficio de tener células en los lados del vehículo y, por lo tanto, podría alentar el diseño de una matriz plana.
Debido a que los autos solares a menudo se construyen para un propósito específico y debido a que los paneles normalmente no se mueven en relación con el resto del vehículo (con notables excepciones), este compromiso entre diseño de panel plano o convexo impulsado por la ruta de carreras es una de las decisiones más importantes que un diseñador de autos solares debe tomar.
Por ejemplo, los eventos Sunrayce USA de 1990 y 1993 fueron ganados por vehículos con alineaciones significativamente convexas, correspondientes a las alineaciones de carrera sur-norte; en 1997, sin embargo, la mayoría de los autos en ese evento tenían alineaciones planas para coincidir con el cambio a una ruta este-oeste.
Optimizar el consumo de energía es de suma importancia en una carrera de autos solares. Por lo tanto, es útil poder monitorear y optimizar continuamente los parámetros energéticos del vehículo. Dadas las condiciones variables, la mayoría de los equipos tienen programas de optimización de la velocidad de carrera que actualizan continuamente al equipo sobre la velocidad a la que debe viajar el vehículo. Algunos equipos utilizan telemetría que transmite datos de rendimiento del vehículo a un vehículo de apoyo que lo sigue, lo que puede proporcionar al conductor del vehículo una estrategia óptima.
La ruta de la carrera en sí afectará la estrategia, porque la posición aparente del sol en el cielo variará dependiendo de varios factores que son específicos de la orientación del vehículo (ver "Consideraciones sobre la ruta de la carrera", más arriba).
Además, los cambios de elevación en una ruta de carrera pueden modificar drásticamente la cantidad de energía necesaria para recorrerla. Por ejemplo, la ruta del Desafío Solar de América del Norte de 2001 y 2003 atravesó las Montañas Rocosas (ver gráfico a la derecha).
Un equipo de carreras de autos solares exitoso necesitará tener acceso a pronósticos meteorológicos confiables para poder predecir la energía solar que ingresará al vehículo durante cada día de carrera.
