Нуна 3

Команда на ипподроме Зандворт

Nuna 3 — это автомобиль на солнечных батареях, разработанный командой Nuon Solar Team из Делфтского технического университета в 2004–2005 годах для конкурса World Solar Challenge 2005 .

Он пришел на смену Nuna2 , солнечному автомобилю, который принес этой солнечной команде вторую победу подряд, выиграв World Solar Challenge в третий раз подряд.

Nuna 3 была одним из фаворитов на World Solar Challenge 2005 года, а на предгоночном тест-драйве была зафиксирована максимальная скорость 130 км/ч. Окончательный результат состоял в том, что 3021 километр между Дарвином и Аделаидой были преодолены за рекордные 29 часов и 11 минут, со средней скоростью около 103 км/ч.

Он оснащен очень эффективными солнечными батареями того типа, который обычно используется для питания орбитальных спутников [1] (как и предыдущий Nunas), а также имеет лучшую аэродинамику и легче своих предшественников. [ необходима цитата ]

Он был спроектирован и построен 11 студентами разных специальностей Делфтского технического университета, которые для этого частично отложили учебу. Они использовали высокотехнологичные лаборатории и мастерские университета и, как и в случае с Nuna 2, получили совет [ нужна цитата ] от Вуббо Окелса , первого голландского астронавта и профессора университета.

Основные характеристики

Размеры5 х 1,8 х 0,8 м(дxшxв)
Масса< 200 кг
Коэффициент трения воздуха0,07Для современных автомобилей это значение составляет от 0,25 до 0,35.
Эффективность солнечных батарей {\displaystyle \approx } 27%это очень высокая эффективность; для сравнения, самые эффективные солнечные элементы, созданные в лабораторных условиях, были всего на 14% эффективнее этого. [2] Материалом, использованным для изготовления этих элементов, был состав, содержащий арсенид галлия . Эффективность большинства панелей составляет 15%
Эффективная площадь солнечной батареи> 8м^2включая солнечные элементы, прикрепленные к бокам автомобиля
КПД двигателя> 97%сравнение: средний электродвигатель имеет КПД 85%
Емкость аккумулятора5 кВтчсравнение: емкость обычного автомобильного аккумулятора весом 24 кг составляет 80 Ач, что эквивалентно 1 кВтч.
Вес батареи30 кг

Критерии проектирования

Чтобы иметь хорошие шансы на победу, автомобиль должен:

  • собрать как можно больше солнечной энергии
  • использовать как можно меньше энергии для движения с определенной скоростью. Это означает особое внимание к:
    • эффективность передачи электрической энергии на колеса, и
    • минимизация трения, состоящая из:
      • трение воздуха (сопротивление воздуха) и
      • трение качения , которое в свою очередь зависит от веса, среди прочего

Солнечные элементы

Солнечные элементы изготовлены из арсенида галлия (GaAs) и состоят из трех слоев. Солнечный свет, проникающий в верхний слой, используется в нижних слоях, что обеспечивает эффективность более 26%. Этот тип солнечных элементов является одним из лучших на сегодняшний день. Помимо эффективности, размер также имеет значение, поэтому вся верхняя поверхность Nuna 3 покрыта ими, за исключением кабины.

Эффективность оптимальна, когда солнечные лучи падают на ячейки перпендикулярно. В противном случае выход уменьшается примерно на косинус угла с перпендикуляром. Поскольку гонка 2005 года проводилась в сентябре (в отличие от октября или ноября в предыдущие годы), солнце стояло ниже на небе (весна встает раньше). Чтобы компенсировать это, по бокам было размещено как можно больше ячеек, особенно на колпаках колес.

VI характеристика солнечного элемента
VI характеристика солнечного элемента

Солнечный элемент дает определенное количество тока для определенного количества солнечного света. Напряжение зависит от нагрузки (точнее, от сопротивления нагрузки). Мощность является произведением напряжения и тока и, следовательно, также зависит от нагрузки. При определенном напряжении ток солнечного элемента быстро падает до нуля, как показано на графике.

Однако батареи имеют довольно постоянное напряжение, которое также имеет довольно отличающееся значение, чем у солнечных элементов. Поэтому необходимо преобразование напряжения. Специальный тип DC-DC-преобразователя используется для обеспечения того, чтобы сопротивление нагрузки, представленное солнечным элементам, было таким, чтобы солнечные элементы выдавали максимальную мощность, также наверху зеленой линии на графике. Это называется отслеживателем точки максимальной мощности (MPPT). Здесь также цель состоит в том, чтобы это преобразование достигло максимальной эффективности (>97%).

Аэродинамический дизайн

Нижняя часть модели Nuna 3 в аэродинамической трубе

Аэродинамическое сопротивление является важной частью общего сопротивления. Важны лобовая поверхность и линия обтекания. Любое отклонение от идеальной линии обтекания вызовет турбулентность , которая стоит энергии. Идеальная линия обтекания достигается на разных этапах:

  1. С помощью компьютерного моделирования конструкции
  2. Путем тестирования масштабной модели в аэродинамической трубе . Например, жидкие краски можно наносить, чтобы увидеть поток воздуха по поверхности. Фотография сделана во время одного из таких испытаний в Лаборатории низких скоростей Делфтского технического университета.
  3. Путем тестирования полномасштабного автомобиля в аэродинамической трубе. Для этого будет использована немецко-голландская аэродинамическая труба в Эммелорде .

Из метеорологических данных из района проведения соревнований можно сделать вывод, что, скорее всего, будет сильный боковой ветер. Колпаки колес Nuna 3 спроектированы таким образом, что боковой ветер будет иметь пропульсивный эффект.

Мотор

Эффективность двигателя Биля
Эффективность двигателя Биля

Электродвигатель полностью заключен в заднее колесо, чтобы минимизировать потери при механической передаче от двигателя к колесу (например, в коробке передач и кардане обычного автомобиля). Двигатель является улучшенной версией оригинального двигателя 1993 года Spirit of Biel III Инженерной школы г. Биль , Швейцария (сейчас: Berner Fachhochschule Technik und Informatik). Улучшения обусловлены полностью переработанной цифровой силовой электроникой и управлением, реализованными в 1999 году. Они позволили увеличить мощность на 50% (более 2400 Вт) и крутящий момент на 45% по сравнению с Spirit of Biel II 1993 года. Эффективность всей системы привода (включая потери силовой электроники) также улучшена и теперь составляет более 98%. Но, как показывает график, это несколько зависит от скорости и увеличивается со скоростью. Первоначально конструкция была разработана для достижения максимальной производительности при нормальной крейсерской скорости солнечного автомобиля около 100 км/ч.

Тест-драйв

Во время одного из тест-драйвов в Нидерландах Nuna 3 развила скорость 130 км/ч. В первый день гонки автомобиль развил максимальную скорость 140 км/ч. Для сравнения, Sunraycer ( первый победитель гонки Solar Challenge) развил максимальную скорость 109 км/ч в 1987 году.

Важные противники

Победитель North American Solar Challenge из Мичиганского университета (США) считался одним из самых важных соперников. Другими важными участниками были MIT (также США) и японская команда Ashiya University . В 2005 году также были два других европейских участника, голландская Raedthuys Solar Team из Университета Твенте и бельгийская Umicore Solar Team из Лёвена .

Монитор гонки 2005 года

  • 5 августа 2005 года: команда прибывает в Аделаиду .
  • 2 сентября 2005 г.: выдано разрешение на движение по дороге.
  • 16 сентября 2005 г.: Во время тест-драйва Nuna 3 застряла на неровностях рядом с дорогой. Причиной оказалась неисправная подвеска колеса. Повреждения были ограничены и отремонтированы через несколько дней.
  • 22 сентября 2005 г.: организация одобрила Nuna 3.
  • 24 сентября 2005 г.: Nuna 3 претендует на 8-ю стартовую позицию, что лучше стартовых позиций, полученных предыдущими двумя моделями.
  • 25 сентября 2005 г.: Nuna 3 преодолела 827 км, удерживая первое место и опережая идущую следом команду Мичигана примерно на полчаса.
  • 26 сентября 2005 г.: На второй день Nuna 3 преодолела 835 км со средней скоростью 105 км/ч, что является новым однодневным рекордом World Solar Challenge. Теперь команда Мичигана отстает на 132 км.
  • 27 сентября 2005 г.: Nuna 3 преодолела 858 км, побив вчерашний рекорд. Они увеличили свое преимущество до двух часов. Осталось 500 км.
  • 28 сентября 2005 г.: Nuna 3 прибывает в Аделаиду ​​в качестве первого автомобиля, таким образом, одержав хет-трик . Общая средняя скорость 103 км/ч на дистанции 3010 км означает улучшение на 6 км/ч рекорда 2003 года.

Такая средняя скорость, которая может привести к максимальной скорости в 140 км/ч на спуске, что значительно превышает ограничения скорости на австралийских шоссе, привела к изменению правил для будущих гонок.

Ссылки

  1. ^ Gaddy, EM (1996). "Стоимость многопереходных, арсенид-галлиевых и кремниевых солнечных элементов на космических аппаратах". Протокол конференции Двадцать пятой конференции специалистов IEEE по фотоэлектрическим элементам - 1996. стр.  293–296 . doi :10.1109/PVSC.1996.564003. ISBN 0-7803-3166-4. S2CID  121566331.
  2. ^ Spectrolab – Часто задаваемые вопросы Архивировано 18.03.2009 на Wayback Machine
  • www.nuonsolarteam.com
  • [1]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nuna_3&oldid=1123292214"