Voiture de course solaire

Les courses de voitures solaires font référence aux courses de véhicules électriques concurrentes alimentées par l’énergie solaire obtenue à partir de panneaux solaires à la surface de la voiture (voitures solaires). La première course de voitures solaires a été le Tour de Sol en 1985, qui a mené à plusieurs courses similaires en Europe, aux États-Unis et en Australie. Les universités sont souvent confrontées à de tels défis pour développer les compétences en ingénierie et en technologie de leurs étudiants, mais de nombreuses entreprises ont déjà participé à des concours. Un petit nombre d’équipes d’écoles secondaires participent à des courses de voitures solaires conçues exclusivement pour les lycéens.

Courses à distance
Les deux courses les plus remarquables de distance par voiture solaire (par voie terrestre) sont le World Solar Challenge et l’American Solar Challenge. Ils sont contestés par diverses équipes universitaires et entreprises. Les équipes d’entreprise participent aux courses pour donner à leurs équipes de conception une expérience de travail avec des sources d’énergie alternatives et des matériaux avancés. Les équipes universitaires participent afin de donner à leurs étudiants une expérience dans la conception de voitures de haute technologie et dans l’utilisation de technologies environnementales et de matériaux avancés. Ces courses sont souvent parrainées par des organismes gouvernementaux ou éducatifs et par des entreprises telles que Toyota, désireuses de promouvoir les sources d’énergie renouvelables.

Soutien
Les voitures nécessitent des équipes de soutien intensives, de taille similaire à celle des équipes de course automobile professionnelles. C’est particulièrement le cas avec le World Solar Challenge où des sections de la course traversent un pays très isolé. La voiture solaire voyagera escortée par une petite caravane de voitures de soutien. Dans une course longue distance, chaque voiture solaire sera précédée par une voiture de tête qui pourra identifier les problèmes ou les obstacles avant la voiture de course. Derrière la voiture solaire, il y aura un véhicule de contrôle de mission dont le rythme de course sera contrôlé. Ici, les décisions tactiques sont prises sur la base d’informations provenant de la voiture solaire et d’informations environnementales sur la météo et le terrain.Derrière le contrôle de la mission, il pourrait y avoir un ou plusieurs autres véhicules transportant des chauffeurs de remplacement et un service de maintenance, ainsi que des fournitures et du matériel de camping pour l’ensemble de l’équipe.

World Solar Challenge
Cette course met en scène un groupe de concurrents du monde entier qui courent pour traverser le continent australien. La course du 30e anniversaire du World Solar Challenge aura lieu en octobre 2017. Des modifications majeures à la réglementation ont été lancées en juin 2006 pour renforcer la sécurité et permettre la construction d’une nouvelle génération de voiture solaire. proposition pratique pour le transport durable et visant à ralentir les voitures dans l’événement principal, ce qui pourrait facilement dépasser la limite de vitesse (110 km / h) les années précédentes.

En 2013, les organisateurs de l’événement ont présenté la Cruiser Class au World Solar Challenge, conçu pour encourager les concurrents à concevoir un véhicule solaire « pratique ». Cette course exige que les véhicules soient équipés de quatre roues et de sièges verticaux pour les passagers et qu’ils soient jugés en fonction d’un certain nombre de facteurs, notamment l’heure, la charge utile, les kilomètres-passagers et la consommation d’énergie externe. L’équipe de course hollandaise TU Eindhoven était le vainqueur de la Class Cruiser avec son véhicule Stella.

American Solar Challenge
L’American Solar Challenge, auparavant connu sous le nom de «North American Solar Challenge» et «Sunrayce», présente principalement des équipes collégiales disputant des intervalles chronométrés aux États-Unis et au Canada. La course sur piste annuelle du Formula Sun Grand Prix est utilisée comme qualificatif pour ASC.

L’American Solar Challenge était sponsorisé en partie par plusieurs petits sponsors. Cependant, le financement a été réduit vers la fin de 2005 et le NASC 2007 a été annulé. La communauté des courses solaires en Amérique du Nord s’est efforcée de trouver une solution, en faisant de Toyota un sponsor principal pour une course en 2008. Toyota a depuis abandonné le parrainage. Le dernier North American Solar Challenge a eu lieu en 2016, de Brecksville, OH à Hot Springs, SD. La course a été remportée par l’Université du Michigan. Le Michigan a remporté la course les six dernières fois.

Le défi de la voiture solaire Dell-Winston School
Le Dell-Winston School Solar Car Challenge est une course automobile annuelle à énergie solaire pour les lycéens. L’événement attire des équipes du monde entier, mais surtout des lycées américains. La course a eu lieu pour la première fois en 1995. Chaque événement est le produit final d’un cycle de formation de deux ans lancé par Winston Solar Car Team. Les années impaires, la course est un parcours routier qui commence au Dell Diamond à Round Rock, au Texas; la fin du cours varie d’une année à l’autre. Les années paires, la course est une course sur piste autour du Texas Motor Speedway. Dell sponsorise l’événement depuis 2002.

Défi solaire sud-africain
Le South African Solar Challenge est une course automobile biennale de deux semaines à travers toute l’Afrique du Sud. Le premier défi en 2008 a prouvé que cet événement peut susciter l’intérêt du public et qu’il bénéficie du soutien international nécessaire de la FIA. À la fin du mois de septembre, tous les participants décolleront de Pretoria et se dirigeront vers le Cap, puis longeront la côte jusqu’à Durban, avant de gravir l’escarpement pour regagner la ligne d’arrivée à Pretoria 11 jours plus tard. L’événement a été approuvé (en 2008 et en 2010) par la Fédération Internationale de l’Automobile (FIA), la Fédération Internationale de l’Automobile (FSI), ce qui en fait la première course solaire à recevoir l’approbation de ces trois organisations. La dernière course a eu lieu en 2016. Sasol a confirmé son soutien au South Africa Solar Challenge, en accordant des droits de dénomination à l’événement, de sorte que pendant toute la durée de son parrainage, l’événement était connu sous le nom de Sasol Solar Challenge, Afrique du Sud.

Carrera Solar Atacama
La Carrera Solar Atacama est la première course automobile de ce type en Amérique latine. La course couvre 2 600 km de Santiago à Arica dans le nord du Chili. Le fondateur de la course, La Ruta Solar, affirme que c’est la course automobile la plus extrême en raison des niveaux élevés de rayonnement solaire, atteignant 8,5 kWh / m2 / jour, rencontrés lors de la traversée du désert d’Atacama. monter 3 500 m au dessus du niveau de la mer. La course, qui a fait ses débuts en 2009 avec une poignée d’équipes locales, est prévue pour sa cinquième version fin octobre 2018, accueillant des équipes internationales dans toutes les catégories et pour la première fois en anglais et en espagnol.

Autres courses
Formula-G, une course de piste annuelle en Turquie.
Suzuka, une course de piste annuelle au Japon.
World Green Challenge (course mondiale Solarcar Rallye / World Solar Bicycle), une course de piste annuelle au Japon.
Phaethon, une partie de l’Olympiade culturelle en Grèce avant les Jeux olympiques de 2004.
World Solar Rally à Taiwan.

Courses de dragues solaires
Les courses de dragsters solaires sont une autre forme de course solaire. Contrairement aux courses solaires à longue distance, les dragsters solaires n’utilisent aucune batterie ni aucun dispositif de stockage d’énergie pré-chargé. Les coureurs s’affrontent sur une distance d’un quart de kilomètre. Actuellement, une course de traînée solaire a lieu chaque année le samedi le plus proche du solstice d’été à Wenatchee, Washington, États-Unis. Le record du monde pour cet événement est de 29,5 secondes établi par l’équipe de South Whidbey High School le 23 juin 2007.

Records de vitesse

Fédération Internationale de l’Automobile (FIA)
La FIA reconnaît un record de vitesse terrestre pour les véhicules alimentés uniquement par des panneaux solaires. Le record actuel a été établi par le Raedthuys Solar Team, de l’Université de Twente, avec leur voiture SolUTra. Le record de 37,757 km / h a été établi en 2005. Le record se déroule sur une course de 1000 m et représente la vitesse moyenne de 2 courses dans des directions opposées.

En juillet 2014, un groupe d’étudiants australiens de l’équipe de course solaire UNSW Sunswift de l’Université de New South Wales a battu un record mondial dans sa voiture solaire, pour la voiture électrique la plus rapide pesant moins de 500 kilos et capable de voyager 500 kilomètres sur une seule charge de batterie. Ce record particulier a été supervisé par la Confederation of Australian Motorsport pour le compte de la FIA et ne concerne pas exclusivement les voitures à énergie solaire, mais toute voiture électrique. Ainsi, pendant la tentative, les panneaux solaires ont été déconnectés des systèmes électriques. Le record précédent de 73 kilomètres à l’heure (45 mi / h) – établi en 1988 – avait été battu par l’équipe à une vitesse moyenne de 107 kilomètres à l’heure (66 mi / h) sur une distance de 500 kilomètres (310 milles).

Record du monde Guinness
Guinness World Records reconnaît un record de vitesse terrestre pour les véhicules alimentés uniquement par des panneaux solaires. Ce record est actuellement détenu par l’Université de New South Wales avec la voiture Sunswift IV. Sa batterie de 25 kilogrammes (55 lb) a été retirée de sorte que le véhicule était alimenté uniquement par ses panneaux solaires. Le record de 88,8 kilomètres à l’heure (55,2 mi / h) a été établi le 7 janvier 2011 à la base aérienne HMAS Albatross à Nowra, battant le record précédemment détenu par la voiture General Motors Sunraycer de 78,3 km / h. Le record se déroule sur un tronçon volant de 500 mètres et représente la moyenne de deux parcours dans des directions opposées.

Enregistrements divers
Record de vitesse de l’Australian Transcontinental (Perth à Sydney)
Le record de Transcontinental de Perth à Sydney a attiré un certain attrait dans la course de voitures solaires. Hans Tholstrup (le fondateur du World Solar Challenge) a achevé ce voyage dans The Quiet Achiever en moins de 20 jours en 1983. Ce véhicule fait partie de la collection du Musée national d’Australie à Canberra.

Le record a été battu par Dick Smith et l’Aurora Solar Vehicle Association dans l’Aurora Q1.

Le record actuel a été établi en 2007 par le UNSW Solar Racing Team avec leur voiture Sunswift III mk2

Conception de véhicule
Les voitures solaires combinent la technologie utilisée dans les secteurs de l’aérospatiale, du vélo, des énergies alternatives et de l’automobile. Contrairement à la plupart des voitures de course, les voitures solaires sont conçues avec des contraintes énergétiques sévères imposées par les règlements de course. Ces règles limitent l’énergie utilisée aux seules sources de rayonnement solaire, à commencer par une batterie complètement chargée. Certaines classes de véhicules autorisent également la puissance humaine. Par conséquent, l’optimisation de la conception pour tenir compte de la traînée aérodynamique, du poids du véhicule, de la résistance au roulement et du rendement électrique est primordiale.

Une conception habituelle pour les véhicules à succès d’aujourd’hui est un petit auvent au milieu d’un réseau d’ailes incurvées, entièrement recouvert de cellules, avec trois roues. Auparavant, le style de blatte avec un carénage de nez lisse dans le panneau était plus efficace. À des vitesses inférieures, avec des réseaux moins puissants, d’autres configurations sont viables et plus faciles à construire, par exemple pour couvrir les surfaces disponibles de véhicules électriques existants équipés de cellules solaires ou pour fixer des auvents solaires au-dessus d’eux.

Système électrique
Le système électrique contrôle toute la puissance entrant et sortant du système. La batterie stocke le surplus d’énergie solaire produit lorsque le véhicule est à l’arrêt ou se déplace lentement ou en descente. Les voitures solaires utilisent une gamme de batteries comprenant des batteries au plomb, des batteries nickel-métal hydrure (NiMH), des batteries nickel-cadmium (NiCd), des batteries lithium-ion et des batteries lithium-polymère.

L’électronique de puissance peut être utilisée pour optimiser le système électrique. Le tracker de puissance maximale règle le point de fonctionnement du générateur solaire sur la tension qui produit le plus d’énergie pour les conditions données, par exemple la température. Le gestionnaire de batterie protège les batteries contre les surcharges. Le contrôleur de moteur contrôle la puissance du moteur souhaitée. De nombreux contrôleurs permettent un freinage par récupération, c.-à-d. Que la puissance est réinjectée dans la batterie pendant la décélération.

Certaines voitures solaires ont des systèmes d’acquisition de données complexes qui surveillent l’ensemble du système électrique, tandis que les voitures de base affichent la tension de la batterie et le courant du moteur. Afin de juger de la gamme disponible avec une production solaire et une consommation de moteur variables, un ampèremètre-heure multiplie le courant et le débit de la batterie, fournissant ainsi la gamme de véhicules restante à chaque instant dans les conditions données.

Une grande variété de types de moteurs ont été utilisés. Les moteurs les plus efficaces dépassent 98% d’efficacité. Il s’agit de moteurs à courant continu à trois phases sans balais, à commutation électronique, avec une configuration de réseau Halbach pour les aimants néodyme-fer-bore et un fil Litz pour les enroulements. Les alternatives moins chères sont les moteurs asynchrones à courant alternatif ou à courant continu.

Systèmes mécaniques
Les systèmes mécaniques sont conçus pour minimiser le frottement et le poids tout en maintenant la force et la rigidité. Les concepteurs utilisent normalement de l’aluminium, du titane et des composites pour fournir une structure qui répond aux exigences de résistance et de rigidité tout en étant assez légère. L’acier est utilisé pour certaines pièces de suspension sur de nombreuses voitures.

Les voitures solaires ont généralement trois roues, mais certaines en ont quatre. Les trois-roues ont généralement deux roues avant et une roue arrière: les roues avant tournent et la roue arrière suit.Les véhicules à quatre roues sont installés comme des voitures normales ou de la même manière que les véhicules à trois roues avec les deux roues arrière rapprochées.

Les voitures solaires ont une large gamme de suspensions en raison des corps et des châssis variés. La suspension avant la plus courante est la suspension à double triangulation. La suspension arrière est souvent une suspension à bras oscillants que l’on retrouve dans les motocycles.

Les voitures solaires doivent respecter des normes rigoureuses pour les freins. Les freins à disque sont les plus couramment utilisés en raison de leur bonne capacité de freinage et de leur capacité de réglage. Les freins mécaniques et hydrauliques sont tous deux largement utilisés. Les plaquettes ou les sabots de freins sont généralement conçus pour se rétracter afin de minimiser la traînée des freins sur les voitures de tête.

Les systèmes de direction des voitures solaires varient également. Les principaux facteurs de conception des systèmes de direction sont l’efficacité, la fiabilité et l’alignement de précision afin de minimiser l’usure des pneus et la perte de puissance. La popularité des courses de voitures solaires a conduit certains fabricants de pneumatiques à concevoir des pneus pour véhicules solaires. Cela a augmenté la sécurité et la performance globales.

Toutes les meilleures équipes utilisent maintenant des moteurs de roue, éliminant les entraînements par courroie ou par chaîne.

Les tests sont essentiels pour démontrer la fiabilité du véhicule avant une course. Il est facile de dépenser cent mille dollars pour obtenir un avantage de deux heures et tout aussi facile de perdre deux heures en raison de problèmes de fiabilité.

Réseau solaire
Le panneau solaire se compose de centaines (ou de milliers) de cellules solaires photovoltaïques convertissant la lumière solaire en électricité. Les voitures peuvent utiliser une variété de technologies de cellules solaires; le plus souvent du silicium polycristallin, du silicium monocristallin ou de l’arséniure de gallium. Les cellules sont reliées entre elles en chaînes tandis que les chaînes sont souvent reliées entre elles pour former un panneau. Les panneaux ont normalement des tensions proches de la tension nominale de la batterie. L’objectif principal est d’obtenir autant de surface de cellules dans un espace aussi réduit que possible. Les concepteurs encapsulent les cellules pour les protéger des intempéries et de la casse.

Concevoir un panneau solaire ne se limite pas à assembler des cellules. Un panneau solaire agit comme de très petites piles, toutes reliées entre elles en série. La tension totale produite est la somme de toutes les tensions de cellule. Le problème est que si une seule cellule est dans l’ombre, elle agit comme une diode, bloquant le courant pour toute la chaîne de cellules. Pour concevoir cela, les concepteurs de matrices utilisent des diodes de dérivation en parallèle avec des segments plus petits de la chaîne de cellules, permettant ainsi le courant autour de la ou des cellules qui ne fonctionnent pas. Une autre considération est que la batterie elle-même peut forcer le courant à travers le réseau à moins que des diodes de blocage ne soient placées à la fin de chaque panneau.

La puissance produite par le panneau solaire dépend des conditions météorologiques, de la position du soleil et de la capacité du réseau. A midi un jour ensoleillé, un bon tableau peut produire plus de 2 kilowatts (2,6 ch). Un réseau de 6 m2 de cellules à 20% produira environ 6 kW • h (22 kJ) d’énergie au cours d’une journée normale sur le WSC.

Certaines voitures utilisent des voiles autonomes ou intégrées pour exploiter l’énergie éolienne. Les courses, y compris le WSC et l’ASC, considèrent que l’énergie éolienne est l’énergie solaire, de sorte que leurs règlements de course autorisent cette pratique.

Aérodynamique
La traînée aérodynamique est la principale source de pertes sur une voiture de course solaire. La traînée aérodynamique d’un véhicule est le produit de la zone frontale et de son Cd. Pour la plupart des voitures solaires, la surface frontale est de 0,75 à 1,3 m2. Alors que des Cd aussi bas que 0,10 ont été rapportés, 0,13 est plus typique. Cela nécessite une grande attention aux détails.

Masse
La masse du véhicule est également un facteur important. Un véhicule léger génère moins de résistance au roulement et nécessitera des freins plus légers et d’autres composants de suspension.C’est le cercle vertueux dans la conception de véhicules légers.

Résistance au roulement
La résistance au roulement peut être réduite en utilisant les bons pneus, gonflés à la bonne pression, correctement alignés et en minimisant le poids du véhicule.

Équation de performance
La conception d’une voiture solaire est régie par l’équation de travail suivante:

qui peut être utilement simplifié à l’équation de performance

pour les courses de longue distance et les valeurs observées dans la pratique.

En bref, le côté gauche représente l’apport d’énergie dans la voiture (batteries et courant du soleil) et le côté droit représente l’énergie nécessaire pour conduire la voiture sur le parcours (résistance au roulement, résistance aérodynamique, montée et accélération). ). Tout dans cette équation peut être estimé sauf v. Les paramètres incluent:

Remarque 1 Pour le WSC, la puissance moyenne du panneau peut être estimée à (7/9) × puissance nominale.

La résolution de la forme longue de l’équation pour la vitesse donne une grande équation (environ 100 termes). En utilisant l’équation de puissance comme arbitre, les concepteurs de véhicules peuvent comparer différentes conceptions de voitures et évaluer les performances comparatives sur un itinéraire donné. Combinée à la modélisation CAE et aux systèmes, l’équation de puissance peut être un outil utile dans la conception de voitures solaires.

Considérations sur l’itinéraire de course
L’orientation directionnelle d’un parcours de voiture solaire affecte la position apparente du soleil dans le ciel pendant un jour de course, ce qui affecte à son tour l’apport d’énergie au véhicule.

Dans un tracé de parcours sud-nord, par exemple, le soleil se lèverait sur l’épaule droite du conducteur et finirait sur sa gauche (en raison du mouvement apparent est-ouest du soleil).
Dans un tracé d’itinéraire de course est-ouest, le soleil se levait derrière le véhicule et semblait se déplacer dans la direction du mouvement du véhicule, se plaçant à l’avant de la voiture.
Un tracé d’itinéraire hybride comprend des sections importantes des routes sud-nord et est-ouest.
Ceci est important pour les concepteurs, qui cherchent à maximiser l’apport d’énergie à un panel de cellules solaires (souvent appelé un « réseau » de cellules) en concevant la matrice qui pointe directement vers le soleil aussi longtemps que possible pendant la journée de course. Ainsi, un concepteur de voitures de course sud-nord pourrait augmenter l’apport énergétique total de la voiture en utilisant des cellules solaires sur les côtés du véhicule où le soleil les frapperait (ou en créant un réseau convexe coaxial au mouvement du véhicule). En revanche, un alignement est-ouest de la course pourrait réduire l’avantage d’avoir des cellules sur le côté du véhicule, ce qui pourrait encourager la conception d’un réseau plat.

Étant donné que les voitures solaires sont souvent construites à cet effet et que les baies ne se déplacent généralement pas par rapport au reste du véhicule (sauf exceptions notables), ce compromis de conception à panneau plat ou convexe est l’un des plus importants. décisions que doit prendre un concepteur de voitures solaires.

Par exemple, les événements de Sunrayce USA en 1990 et 1993 ont été remportés par des véhicules dotés de réseaux sensiblement convexes, correspondant aux alignements de course sud-nord; en 1997, toutefois, la plupart des voitures de cette catégorie avaient des matrices plates correspondant au changement de route est-ouest.

Stratégie de course

Consommation d’énergie
L’optimisation de la consommation d’énergie est primordiale dans une course de voitures solaires.Par conséquent, il est utile de pouvoir surveiller et optimiser en permanence les paramètres énergétiques du véhicule. Compte tenu des conditions variables, la plupart des équipes ont des programmes d’optimisation de la vitesse de la course qui informent continuellement l’équipe de la vitesse à laquelle le véhicule doit voyager. Certaines équipes utilisent la télémétrie qui transmet les données de performance du véhicule à un véhicule de support suivant, ce qui peut fournir au conducteur du véhicule une stratégie optimale.

Parcours de course
Le parcours lui-même aura une incidence sur la stratégie, car la position apparente du soleil dans le ciel variera en fonction de divers facteurs spécifiques à l’orientation du véhicule.

En outre, les changements d’altitude sur un parcours peuvent modifier considérablement la quantité d’énergie nécessaire pour parcourir l’itinéraire. Par exemple, la route du Défi solaire nord-américain de 2001 et 2003 a traversé les montagnes Rocheuses.

Prévision météo
Une équipe de course de voitures solaires performante devra avoir accès à des prévisions météorologiques fiables afin de prévoir l’entrée de puissance du véhicule par le soleil au cours de chaque jour de course.