Nuna 3
| słoneczna wyścigówka |
| Nuna |
|---|
|
Nuna 3 to samochód solarny opracowany przez Nuon Solar Team z Delft University of Technology w latach 2004-2005 na potrzeby World Solar Challenge 2005 .
Zastąpił Nuna2 , samochód zasilany energią słoneczną, który odniósł drugie z rzędu zwycięstwo dla tego zespołu słonecznego, wygrywając World Solar Challenge po raz trzeci z rzędu.
Nuna 3 była jednym z faworytów edycji World Solar Challenge w 2005 roku, a podczas jazdy próbnej przed wyścigiem zarejestrowano prędkość maksymalną 130 km/h. Ostateczny wynik był taki, że 3021 kilometrów między Darwin a Adelajdą zostało pokonane w rekordowym czasie 29 godzin i 11 minut, ze średnią prędkością około 103 km/h.
Ma bardzo wydajne ogniwa słoneczne , takie jak zwykle używane do zasilania satelitów orbitalnych (tak jak poprzednie Nuny), ma lepszą aerodynamikę i jest lżejszy niż jego poprzednicy. [ potrzebne źródło ]
Został zaprojektowany i zbudowany przez 11 studentów z różnych dyscyplin Politechniki w Delft, którzy częściowo zawiesili z tego powodu studia. Korzystali z zaawansowanych technologicznie laboratoriów i warsztatów uniwersytetu i, podobnie jak w przypadku Nuna 2, otrzymywali porady [ potrzebne źródło ] od Wubbo Ockelsa , pierwszego holenderskiego astronauty i profesora na uniwersytecie.
Główne specyfikacje
| Wymiary | 5x1,8x0,8m | (dxsxw) |
| Waga | < 200 kg | |
| Współczynnik tarcia powietrza | 0,07 | wartość ta wynosi od 0,25 do 0,35 dla nowoczesnych samochodów |
| Wydajność ogniw słonecznych | 27% | jest to bardzo wysoka wydajność; dla porównania, najbardziej wydajne ogniwa słoneczne, jakie dotychczas stworzono w warunkach laboratoryjnych, były tylko o 14% bardziej wydajne. Materiałem użytym do wytworzenia tych ogniw był związek zawierający arsenek galu . Sprawność większości paneli wynosi 15% |
| Efektywna powierzchnia ogniw słonecznych | > 8m^2 | łącznie z ogniwami słonecznymi przymocowanymi do boków samochodu |
| Sprawność silnika | > 97% | porównanie: przeciętny silnik elektryczny ma sprawność 85% |
| Pojemność baterii | 5 kWh | porównanie: zwykły akumulator samochodowy o wadze 24 kg ma pojemność 80 Ah, co odpowiada 1 kWh |
| Waga baterii | 30 kg |
Kryteria projektowe
Aby mieć duże szanse na wygraną, samochód musi:
- zebrać jak najwięcej energii słonecznej
- zużywać jak najmniej energii, aby jechać z określoną prędkością. Oznacza to szczególną uwagę na:
- efektywność przekazywania energii elektrycznej do kół, oraz
- minimalizujące tarcie, na które składają się:
- tarcie powietrza (opór powietrza) i
- tarcie toczne , na które z kolei wpływa między innymi ciężar
Ogniwa słoneczne
Ogniwa słoneczne są wykonane z arsenku galu (GaAs) i składają się z trzech warstw. Światło słoneczne, które penetruje górną warstwę, jest wykorzystywane w dolnych warstwach, co daje wydajność ponad 26%. Ten typ ogniw słonecznych jest jednym z najlepszych dostępnych obecnie. Poza wydajnością liczą się też rozmiary, dlatego cała górna powierzchnia Nuny 3 jest nimi pokryta, z wyjątkiem kokpitu.
Wydajność jest optymalna, gdy na ogniwa pada prostopadle promienie słoneczne. Jeśli nie, wyjście jest zmniejszane w przybliżeniu o cosinus kąta z prostopadłą. Ponieważ wyścig w 2005 roku odbywał się we wrześniu (w przeciwieństwie do października czy listopada w poprzednich latach) słońce znajdowało się niżej na niebie (wiosną jest wcześniej). Aby to zrekompensować, po bokach umieszczono jak najwięcej komórek, zwłaszcza na kołpakach kół.
Ogniwo słoneczne daje określoną ilość prądu dla określonej ilości światła słonecznego. Napięcie zależy od obciążenia (dokładniej rezystancji obciążenia) . Moc jest iloczynem napięcia i prądu, a zatem zależy również od obciążenia . Powyżej pewnego napięcia prąd ogniwa słonecznego szybko spada do zera, jak pokazuje wykres.
Jednak akumulatory mają dość stałe napięcie, które również ma nieco inną wartość niż ogniwa słoneczne. Potrzebna jest więc transformacja napięcia. Specjalny typ przetwornicy DC-DC jest stosowany w celu zapewnienia, że rezystancja obciążenia prezentowana ogniwom słonecznym jest taka, że ogniwa słoneczne dają maksymalną moc, a więc także na górze zielonej linii na wykresie. Nazywa się to śledzeniem maksymalnego punktu mocy (MPPT). Również w tym przypadku celem jest osiągnięcie przez tę konwersję maksymalnej wydajności (>97%).
Aerodynamiczny projekt
Opór aerodynamiczny jest ważną częścią całkowitego oporu. Ważna jest powierzchnia czołowa i opływowość. Każde odchylenie od idealnej linii prądu spowoduje turbulencje , które kosztują energię. Idealną opływowość osiąga się na różnych etapach:
- Poprzez komputerowe symulacje projektu
- Poprzez testowanie modelu w zmniejszonej skali w tunelu aerodynamicznym . Na przykład można zastosować farby w płynie, aby zobaczyć przepływ powietrza nad powierzchnią. Zdjęcie pokazuje zrobione podczas jednego z tych testów w Laboratorium Niskich Prędkości TU Delft.
- Poprzez testowanie pełnowymiarowego samochodu w tunelu aerodynamicznym. W tym celu zostanie wykorzystany niemiecko-holenderski tunel aerodynamiczny w Emmeloord .
Z danych meteorologicznych z terenu, na którym odbędą się zawody, można wnioskować, że prawdopodobnie będzie wiał silny boczny wiatr. Kołpaki kół Nuna 3 są zaprojektowane w taki sposób, że boczny wiatr będzie miał efekt napędowy.
Silnik
Silnik elektryczny jest całkowicie zamknięty w tylnym kole, aby zminimalizować straty spowodowane mechanicznym przeniesieniem napędu z silnika na koło (tak jak w normalnym samochodzie w skrzyni biegów i kardanie). Silnik jest ulepszoną wersją oryginalnego silnika Spirit of Biel III z 1993 r., opracowanego przez Engineering School of Biel w Szwajcarii (obecnie: Berner Fachhochschule Technik und Informatik) . Ulepszenia wynikają z całkowicie przebudowanej cyfrowej energoelektroniki i sterowania, zrealizowanej w 1999 roku. Pozwoliły one na uzyskanie o 50% większej mocy (ponad 2400 W) i o 45% wyższego momentu obrotowego w porównaniu do Spirit of Biel II z 1993 roku. Sprawność całego układu napędowego (łącznie ze stratami energoelektroniki) również uległa poprawie i wynosi obecnie ponad 98%. Ale jak pokazuje wykres, zależy to w pewnym stopniu od prędkości i rośnie wraz z prędkością. Projekt został początkowo opracowany tak, aby osiągnąć maksymalne osiągi przy normalnej prędkości przelotowej samochodu słonecznego, wynoszącej około 100 km/h.
Jazda testowa
Podczas jednej z jazd próbnych w Holandii Nuna 3 osiągnęła prędkość 130 km/h. Pierwszego dnia wyścigu samochód osiągnął prędkość maksymalną 140 km/h. Dla porównania, Sunraycer (pierwszy zwycięzca wyścigu Solar Challenge) osiągnął prędkość maksymalną 109 km/h w 1987 roku.
Ważni przeciwnicy
Za jednego z najważniejszych przeciwników uznano zwycięzcę North American Solar Challenge z University of Michigan (USA). Innymi ważnymi uczestnikami konkursu byli MIT (również z USA) oraz zespół z japońskiego Uniwersytetu Ashiya . W 2005 roku było jeszcze dwóch innych europejskich zawodników, holenderski Raedthuys Solar Team z Uniwersytetu Twente i belgijski Umicore Solar Team z Leuven .
Monitor wyścigu 2005
- 5 sierpnia 2005: zespół przybywa do Adelajdy .
- 2 września 2005 r.: Uzyskanie zezwolenia na prowadzenie ruchu.
- 16 września 2005: Podczas jazdy próbnej Nuna 3 zahacza o wyboistą nawierzchnię przy drodze. Przyczyną okazało się wadliwe zawieszenie kół. Uszkodzenia zostały ograniczone i naprawione po kilku dniach.
- 22 września 2005: Nuna 3 zostaje zatwierdzona przez organizację.
- 24 września 2005: Nuna 3 kwalifikuje się na 8. pozycję startową, która jest lepsza niż pozycje startowe, które zajęły dwa poprzednie modele.
- 25 września 2005: Nuna 3 przejechała 827 km, zajmując pierwsze miejsce, prowadząc zespół z Michigan, który zajął kolejne miejsce, o około pół godziny.
- 26 września 2005: Drugiego dnia Nuna 3 pokonała 835 km ze średnią prędkością 105 km/h, co jest nowym jednodniowym rekordem World Solar Challenge. Zespół z Michigan jest teraz 132 km w tyle.
- 27 września 2005: Nuna 3 pokonała 858 km, bijąc wczorajszy rekord. Wydłużyli swoją przewagę do dwóch godzin. 500 km do przejechania.
- 28 września 2005: Nuna 3 przybywa jako pierwszy samochód do Adelajdy, zdobywając w ten sposób hat-tricka . Ogólna średnia prędkość 103 km/h na 3010 km oznacza poprawę o 6 km/h w stosunku do rekordu z 2003 roku.
Ta średnia prędkość, która może prowadzić do maksymalnych prędkości 140 km/h na odcinku zjazdowym, znacznie przekraczających ograniczenia prędkości na australijskiej autostradzie, doprowadziła do zmian przepisów dla przyszłych wyścigów.