Las carreras de coches solares se refieren a 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 estos desafíos para desarrollar las habilidades tecnológicas y de ingeniería de sus estudiantes, pero muchas corporaciones comerciales han participado en concursos en el pasado. Un pequeño número de equipos de secundaria participan en carreras de autos solares diseñadas exclusivamente para estudiantes de secundaria.
Las dos carreras de distancia (por tierra) de vehículos solares más notables son el World Solar Challenge y el American Solar Challenge . Son disputados por una variedad de equipos universitarios y corporativos. Los equipos corporativos participan en las carreras para brindar a sus equipos de diseño experiencia en el trabajo con fuentes de energía alternativas y materiales avanzados. Los equipos universitarios participan para brindar a sus estudiantes experiencia en el diseño de automóviles de alta tecnología y el trabajo con tecnología ambiental y de materiales avanzados. Estas carreras suelen estar patrocinadas por agencias gubernamentales o educativas, [ cita necesaria ] y empresas como Toyota [1] interesadas en promover fuentes de energía renovables.
Los coches requieren equipos de apoyo intensivos de tamaño similar a los equipos de carreras profesionales. Este es especialmente el caso del World Solar Challenge, donde secciones de la carrera discurren por países muy remotos. El coche solar viajará escoltado por una pequeña caravana de coches de apoyo. En una carrera de larga distancia, cada coche solar irá precedido por un coche líder que podrá identificar problemas u obstáculos delante del coche de carreras. Detrás del coche solar habrá un vehículo de control de misión desde el que se controla el ritmo de carrera. Aquí las decisiones tácticas se toman basándose en la información del vehículo solar y la información ambiental sobre el clima y el terreno. Detrás del control de la misión puede haber uno o más vehículos que transportan conductores de reemplazo y apoyo de mantenimiento, así como suministros y equipo de campamento para todo el equipo.
Esta carrera presenta un campo de competidores de todo el mundo que compiten para cruzar el continente australiano . En octubre de 2017 se celebró la carrera del 30.º aniversario del World Solar Challenge. En junio de 2006 se publicaron importantes cambios reglamentarios para esta carrera con el fin de aumentar la seguridad y construir una nueva generación de vehículos solares que, con pocas modificaciones, podrían ser la base de una práctica propuesta para un transporte sostenible y destinada a reducir la velocidad de los coches en la prueba principal, que podrían superar fácilmente el límite de velocidad (110 km/h) de años anteriores.
En 2013, los organizadores del evento introdujeron la clase Cruiser en el World Solar Challenge, diseñado para animar a los concursantes a diseñar un vehículo "práctico" propulsado por energía solar. Esta carrera requiere que los vehículos tengan cuatro ruedas y asientos erguidos para los pasajeros, y se juzga en función de una serie de factores que incluyen el tiempo, la carga útil, las millas de 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', presenta en su mayoría equipos universitarios que compiten en intervalos cronometrados en los Estados Unidos y Canadá. La carrera anual en pista del Gran Premio de Fórmula Sun se utiliza como clasificación para el ASC.
El American Solar Challenge fue patrocinado en parte por varios patrocinadores pequeños. Sin embargo, la financiación se cortó a finales de 2005 y la NASC 2007 fue cancelada. La comunidad norteamericana de carreras solares trabajó para encontrar una solución, incorporando a Toyota como patrocinador principal para una carrera de 2008. [4] [5] Desde entonces, Toyota abandonó el patrocinio. El último Desafío Solar de América del Norte se llevó a cabo en 2016, desde Brecksville, OH hasta Hot Springs, SD. La carrera la ganó 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 impulsados por 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 conocimientos teóricos a problemas prácticos mientras promueven la tecnología sustentable y el trabajo en equipo.
El Solar Car Challenge, que se lleva a cabo durante varios días, generalmente incluye una carrera a campo traviesa o un evento en pista, según el año. El evento atrae a equipos de todo Estados Unidos y ocasionalmente a participantes internacionales, fomentando 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 sólo resalta 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 bienal de dos semanas de duración de coches impulsados por energía solar a lo largo y ancho de Sudáfrica. El primer desafío en 2008 demostró que este evento puede atraer el interés del público y que cuenta con el respaldo internacional necesario de la FIA. A finales de septiembre, todos los participantes despegarán de Pretoria y se dirigirán a Ciudad del Cabo, luego conducirán a lo largo de la costa hasta Durban, antes de escalar la escarpa en su camino de regreso a la línea de meta en Pretoria 11 días después. El evento (tanto en 2008 como en 2010) ha sido respaldado por la Federación Internacional de Solarcar (ISF), la Fédération Internationale de l'Automobile (FIA) y el Fondo Mundial para la Naturaleza (WWF), lo que la convierte en la primera carrera solar en recibir el respaldo de estas 3 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 fue conocido 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 millas) 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/m 2 /día, que se encuentran al atravesar el desierto de Atacama, además de desafiar a los equipos participantes. para subir 3.500 m (11.500 pies) sobre el nivel del mar. Luego de la carrera de 2018, La Ruta Solar organizó su próxima edición para 2020, pero nunca llegó a realizarse. A finales de 2019, la organización tuvo problemas con la financiación y decidió cancelar la carrera. Unos meses más tarde se declararon en quiebra. [7]
Las carreras de resistencia solares son otra forma de carreras solares. A diferencia de las carreras solares de larga distancia, los dragsters solares no utilizan baterías ni dispositivos de almacenamiento de energía precargados . Los corredores se enfrentan cara a cara en una distancia de un cuarto de kilómetro recto. Actualmente, cada año se celebra una carrera de resistencia solar el sábado más cercano al solsticio de verano en Wenatchee, Washington, EE. UU. El récord mundial para 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 realizada por estudiantes de Victoria , desde el año 1 hasta el año 12. Los estudiantes diseñan y construyen su propio vehículo, ya sea un automóvil o un barco. 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 brindar a los estudiantes una experiencia de cómo es trabajar en STEM y comprender lo que se puede lograr con tecnología renovable . [10]
Junior Solar Sprint fue creado en la década de 1980 por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (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 estableció 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 establece en una carrera aérea de 1.000 m y es la velocidad media de 2 carreras en direcciones opuestas.
En julio de 2014, un grupo de estudiantes australianos del equipo de carreras solares Sunswift de la UNSW en la Universidad de Nueva Gales del Sur batieron un récord mundial en su automóvil solar, por ser el automóvil eléctrico más rápido que pesa menos de 500 kilogramos (1100 libras) y es capaz de viajando 500 kilómetros (310 millas) con una sola carga de batería. Este récord en particular fue supervisado por la Confederación Australiana de Automovilismo en nombre de la FIA y no es exclusivo de los autos que funcionan con energía solar sino de cualquier auto eléctrico, por lo que durante el intento, los paneles solares fueron desconectados de los sistemas eléctricos. El récord anterior de 73 kilómetros por hora (45 mph), establecido en 1988, fue batido por el equipo con una velocidad promedio de 107 kilómetros por hora (66 mph) en los 500 kilómetros (310 millas) de distancia.
Guinness World Records reconoce 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 quitó su batería de 25 kilogramos (55 libras), por lo que el vehículo funcionaba 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 , superando el récord que anteriormente ostentaba el automóvil Sunraycer de General Motors de 78,3 kilómetros por hora (48,7 mph). . El récord se logra en un tramo de vuelo de 500 metros (1600 pies) y es el promedio de dos carreras en direcciones opuestas.
El récord transcontinental de Perth a Sydney ha tenido cierto atractivo en Solar Car Racing. Hans Tholstrup (el fundador del World Solar Challenge) completó este viaje por primera vez 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 lo batieron Dick Smith y la Aurora Solar Vehicle Association compitiendo en el Aurora Q1.
El récord actual lo estableció en 2007 el equipo UNSW Solar Racing Team con su coche Sunswift III mk2.
Los coches solares combinan tecnología utilizada en las industrias aeroespacial , de bicicletas , de energías alternativas y de automoción . A diferencia de la mayoría de los autos de carrera, los autos solares están diseñados con severas restricciones energéticas impuestas por las regulaciones de carrera. Estas reglas limitan la energía utilizada únicamente a la recolectada de la radiación solar , aunque comenzando con 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 para los vehículos de éxito actuales es una pequeña capota en medio de un conjunto curvo en forma de ala, completamente cubierto de celdas, con 3 ruedas. Antes, el estilo cucaracha con un carenado frontal liso en el panel tenía más éxito. A velocidades más bajas, con conjuntos 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 marquesinas solares encima de 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 o circula lentamente o cuesta abajo. Los automóviles solares utilizan una variedad de baterías que incluyen baterías de plomo-ácido , baterías de níquel-hidruro metálico ( NiMH ), baterías de níquel-cadmio ( NiCd ), baterías de iones de litio y baterías de polímero de litio .
Se puede utilizar electrónica de potencia para optimizar el sistema eléctrico. El seguidor de máxima potencia 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 contra sobrecargas. 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 tienen complejos sistemas de adquisición de datos que monitorean todo el sistema eléctrico, mientras que los coches básicos muestran el voltaje de la batería y la corriente del motor. Para juzgar la autonomía disponible con diferentes producción solar y consumo motriz, un amperímetro-hora 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 ha utilizado una amplia variedad de tipos de motores. Los motores más eficientes superan el 98% de eficiencia. Estos son motores de rueda de CC "fásicos" sin escobillas, conmutados electrónicamente, con una configuración de matriz Halbach para los imanes de neodimio-hierro-boro y alambre Litz para los devanados. [14] Las alternativas más baratas son los motores de CA asíncronos o los de CC 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 compuestos para proporcionar una estructura que cumpla con los requisitos de resistencia y rigidez y al mismo tiempo sea bastante liviana. El acero se utiliza para algunas piezas de suspensión de muchos automóviles.
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 rueda 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 muy juntas.
Los coches solares tienen una amplia gama de suspensiones debido a las diferentes carrocerías y chasis. La suspensión delantera más común es la suspensión de doble horquilla . La suspensión trasera suele ser una suspensión de brazo de arrastre como la que se encuentra en las motocicletas.
Los coches solares deben cumplir normas rigurosas en materia de frenos. Los frenos de disco son los más utilizados debido a su buena capacidad de frenado y capacidad de ajuste. Los frenos mecánicos e hidráulicos se utilizan ampliamente. Las pastillas o zapatas de freno generalmente están diseñadas para retraerse y minimizar la resistencia de los frenos en los automóviles líderes.
Los sistemas de dirección de los coches solares también varían. Los principales factores de diseño de los sistemas de dirección son la eficiencia, la confiabilidad y la alineación de precisión 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 mejores equipos utilizan ahora motores de ruedas , eliminando las transmisiones por correa o cadena.
Las pruebas son esenciales para demostrar la confiabilidad del vehículo antes de una carrera. Es fácil gastar cien mil dólares para obtener una ventaja de dos horas, e igualmente fácil perder dos horas debido a problemas de confiabilidad.
El panel 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; más a menudo silicio policristalino, silicio monocristalino o arseniuro de galio. Las células están conectadas entre sí formando cuerdas, mientras que las cuerdas a menudo se conectan entre sí para formar un panel. Los paneles normalmente tienen voltajes cercanos al voltaje nominal de la batería. El objetivo principal es conseguir la mayor superficie de celda en el espacio más pequeño posible. Los diseñadores encapsulan las celdas para protegerlas de la intemperie y las roturas.
Diseñar un panel solar es más que simplemente unir un montón de células. Un panel solar actúa como muchas baterías muy pequeñas, todas 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 en la sombra, actúa como un diodo , bloqueando la corriente para toda la cadena de celdas. Para diseñar contra esto, los diseñadores de matrices 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 batería misma 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 panel solar depende de las condiciones climáticas, la posición del sol y la capacidad del panel. Al mediodía de un día luminoso, una buena matriz puede producir más de 2 kilovatios (2,6 CV). Un conjunto de 6 m 2 de celdas al 20% producirá aproximadamente 6 kW·h (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 reglamentos 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 vehículos solares, el área frontal es de 0,75 a 1,3 m 2 . Si bien se ha informado que C d es tan bajo como 0,10, 0,13 es más típico. Esto requiere mucha atención al detalle. [dieciséis]
La masa del vehículo también es un factor importante. Un vehículo liviano genera menos resistencia a la rodadura y necesitará frenos y otros componentes de suspensión más pequeños y livianos. Éste es el círculo virtuoso a la hora de diseñar vehículos ligeros.
La resistencia a la rodadura se puede minimizar utilizando los neumáticos adecuados, inflados a la presión adecuada, alineados correctamente y minimizando el peso del vehículo.
El diseño de un coche solar se rige por la siguiente ecuación de trabajo:
que puede simplificarse útilmente a la ecuación de rendimiento
para carreras de larga distancia, y valores vistos en la práctica.
Brevemente, el lado izquierdo representa la entrada de energía 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 (superar la resistencia a la rodadura, la resistencia aerodinámica, subir cuestas y acelerando). Todo lo que hay en esta ecuación se puede estimar excepto v . Los parámetros incluyen:
Nota 1 Para el WSC, la potencia promedio del panel se puede aproximar a (7/9) × potencia nominal.
Resolver la forma larga de la ecuación de velocidad da como resultado una ecuación grande (aproximadamente 100 términos). Utilizando 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 el modelado de sistemas, la ecuación de potencia puede ser una herramienta útil en el diseño de automóviles solares.
La orientación direccional de una ruta de carrera de autos solares afecta la posición aparente del sol en el cielo durante el día de la carrera, lo que a su vez afecta la entrada 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 "conjunto" de células) diseñando el conjunto 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 Sur-Norte podría aumentar el aporte total de energía del auto usando células solares en los lados del vehículo donde el sol las incidirá (o creando una matriz convexa coaxial con el movimiento del vehículo). Por el contrario, una alineación de carrera este-oeste podría reducir el beneficio de tener celdas en el costado del vehículo y, por lo tanto, podría fomentar el diseño de una matriz plana.
Debido a que los autos solares a menudo se construyen específicamente, y debido a que los paneles generalmente no se mueven en relación con el resto del vehículo (con notables excepciones), este compromiso entre el diseño de panel plano versus diseño convexo impulsado por la ruta de carrera es uno de los más significativos. Decisiones que debe tomar un diseñador de automóviles solares.
Por ejemplo, los eventos Sunrayce USA de 1990 y 1993 fueron ganados por vehículos con matrices significativamente convexas, correspondientes a las alineaciones de carrera sur-norte; en 1997, sin embargo, la mayoría de los autos en ese evento tenían matrices planas para adaptarse al cambio a una ruta de este a oeste.
La optimización del consumo de energía es de suma importancia en la carrera de coches 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 emplean telemetría que transmite datos de rendimiento del vehículo a un vehículo de apoyo siguiente, 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 (consulte "Consideraciones sobre la ruta de la carrera", más arriba).
Además, los cambios de elevación en una ruta de carrera pueden cambiar drásticamente la cantidad de energía necesaria para recorrer la ruta. Por ejemplo, la ruta del North American Solar Challenge de 2001 y 2003 cruzó las Montañas Rocosas (ver gráfico a la derecha).
Un equipo exitoso de carreras de autos solares necesitará tener acceso a pronósticos meteorológicos confiables para poder predecir la entrada de energía del sol al vehículo durante cada día de carrera.
