Введение
Название нескольких гоночных автомобилей, которые выиграли World Solar Challenge Nuna - это название серии экипажных гоночных автомобилей на солнечной энергии, которые выиграли World Solar Challenge в Австралии семь раз: в 2001, 2003, 2005, 2007, 2013, 2015 и 2017 годах. Эти машины построены студентами, которые являются частью "Brunel Solar Team" (ранее Nuon Solar Team и Vattenfall Solar Team) в Технологическом университете Делфта в Нидерландах, спонсируемой Brunel (ранее N. V. Nuon Energy).
Nuna is the name of a series of crewed solar powered race cars that have won the World Solar Challenge in Australia seven times: in 2001, 2003, 2005, 2007, 2013, 2015 and 2017. The vehicles are built by students who are part of the "Brunel Solar Team" (formerly Nuon Solar Team and Vattenfall Solar Team) at the Delft University of Technology in the Netherlands, sponsored by Brunel (formerly N. V. Nuon Energy).
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 приводит к эффективности более 26%. Этот тип солнечных элементов является одним из лучших, доступных в настоящее время. Помимо эффективности, также важен размер, поэтому вся верхняя поверхность Nuna 3 покрыта ими, за исключением кабины пилота. Эффективность оптимальна, когда солнечные лучи попадают на клетки перпендикулярно. Если нет, то выходной уменьшается примерно на косинус угла с перпендикулярной. Солнечный элемент дает определенное количество тока для определенного количества солнечного света. Напряжение зависит от нагрузки (точнее, от сопротивления нагрузки). Мощность - это произведение напряжения и тока, и поэтому 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 несколько иное значение, чем у солнечных элементов. Поэтому необходимо преобразование напряжения. Специальный тип преобразователя постоянного тока используется для обеспечения того, чтобы сопротивление нагрузки, представленное солнечным батареям, было таким, чтобы солнечные батареи давали максимальную мощность, так же как и в верхней части зеленой линии на графике. Это называется отслеживателем максимальной мощности (MPPT). Здесь также цель состоит в том, чтобы добиться максимальной эффективности (>97%).
Аэродинамическая конструкция
Аэродинамическое сопротивление является важной частью общего сопротивления. Важными являются фронтальная площадь поверхности и коэффициент сопротивления. Форма должна быть спроектирована таким образом, чтобы сохранить ламинарный поток, поскольку турбулентность вызывает увеличение сопротивления поверхности. Идеальная форма достигается на различных этапах: Испытание масштабной модели в аэродинамической трубе. Например, жидкие краски могут быть применены, чтобы увидеть поток воздуха по поверхности. Фотография была сделана во время одного из этих испытаний в лаборатории низкой скорости ТУ Делфта. Проведя испытания полномасштабной машины в аэродинамической трубе. Для этого используется крупный низкоскоростной объект DNW (LLF) в Marknesse. По данным метеорологии в районе, где состоится соревнование, можно сделать вывод, что, вероятно, будет сильный боковой ветер. Колеса Nuna 3 сконструированы таким образом, чтобы боковой ветер имел двигательный эффект.
Through computer simulations of the design. Through testing of a scale model in a wind tunnel. For example, liquid paints can be applied to see the flow of air over the surface. The photo shown was taken during one of those tests in the Low Speed Laboratory of the TU Delft. Through testing of the full scale car in a wind tunnel. For this, the DNW Large Low Speed Facility (LLF) in Marknesse is used. From meteorological data at the area where the contest is to take place, it can be concluded that there will likely be a strong side wind. The wheel caps of the Nuna 3 are designed such that a sidewind will have a propulsory effect.
Двигатель
Двигатель полностью встроен в заднее колесо, чтобы свести к минимуму потери при механической передаче от двигателя к колесу (например, в обычном автомобиле в коробке передач и кардане). Двигатель является улучшенной версией оригинального 1993 года "Двигатель духа Биля III" инженерной школы Биля, Швейцария (ныне: Berner Fachhochschule Technik und Informatik). Улучшения обусловлены полностью переработанной цифровой силовой электроникой и управлением, реализованной в 1999 году. Они позволили получить на 50% больше мощности (более 2400 Вт) и на 45% больше крутящего момента по сравнению с Spirit of Biel II 1993 года. Эффективность всей системы привода (включая потери силовой электроники) также улучшена и теперь превышает 98%. Но как показывает график, это зависит от скорости и увеличивается с скоростью. Первоначально проект был разработан для достижения максимальной производительности при нормальной крейсерской скорости солнечного автомобиля около 100 км/ч.
Гонка
Чтобы выиграть гонку, требуется не только хорошая машина, но и умный способ вождения, в соответствии с особенностями трассы. Поэтому мы и проводили исследования за два месяца до гонки. Различия в высоте нанесены на карту и связаны с данными GPS. Из этого можно определить оптимальную скорость во время гонки. Несмотря на все испытания и другие приготовления, остается один неопределенный фактор - погода. Любые облака сильно влияют на количество солнечного света, которое может быть захвачено. Поэтому любые изменения погоды на трассе должны постоянно отслеживаться. Все эти данные анализируются компьютерной моделью, которая постоянно вычисляет идеальную скорость для этого момента. Это оборудование встроено в (бензиновые) пилотные автомобили. Посредством телеметрии они постоянно получают данные о состоянии батарей и количестве захваченного солнечного света.
Команда
Каждая версия Nuna была построена командой студентов Технологического университета Делфта. В команде от десяти до двадцати членов. Они взяли год отпуска от учебы, чтобы спроектировать и построить новую версию солнечного гонщика с нуля. В 2001 году Nuna 1 был построен командой Альфа Центавра. Им помогал бывший астронавт Вуббо Оккелс. С 2002 года по 2019 год команда называлась Nuon Solar Team. С 2022 года команда называется Brunel Solar Team.
Нуна 1 (2001)
Первая команда Нуна (команда Альфа Центавра) была спонсирована Нуоном. Команда состояла в основном из студентов Технологического университета Делфта, которые руководили бывшим астронавтом Вуббо Оккельсом. Голландская команда впервые приняла участие в гонке, и они выиграли гонку длиной 3021 км за 32 часа и 39 минут, побив старый рекорд команды Honda 1996 года (33 часа и 32 минуты). Средняя скорость составляла 91,8 километра в час.
Нуна 2 (2003)
Nuna 2 выиграла гонку за 31,05 часов со средней скоростью 97,02 км/ч на трассе в 3021 км, побив рекорд трассы предыдущего Nuna 1 команды.
Нуна 3 (2005)
Nuna 3 была одной из фаворитов на выпуске 2005 года World Solar Challenge с скоростью догонного теста 130 км/ч. В итоге 3021 километр между Дарвином и Аделаидой был преодолен за рекордные 29 часов и 11 минут, в среднем около 103 км/ч. Это по-прежнему рекордный показатель в рамках Всемирного соревнования по солнечной энергии.
Нуна 4 (2007)
Основными изменениями Nuna 4 по сравнению с предшественником Nuna 3 являются рулевой колёс вместо рычагов, вертикальное сиденье вместо водителя, лежащего вниз, и меньшая солнечная панель площадью 6 м2 по сравнению с предыдущей 9 м2. Эти изменения были вызваны изменениями в правилах, вызванными предполагаемыми проблемами безопасности и попытками сделать автомобиль более похожим на настоящий автомобиль, а также сокращением ограничения скорости на австралийских дорогах. Nuna 4 выиграла в 2007 году.
Нуна 5 (2009)
Основными изменениями Nuna 5 по сравнению с предшественником Nuna 4 был уменьшенный вес батареи, который изменился с 30 кг в 2007 году до 25 кг. Другие изменения требовали, чтобы машины не могли гоняться на ранее использованных гладких шинах, а вместо этого требовали профилированных (протекционированных или канавчатых) шин. Кроме того, водитель должен был сидеть более прямо, при этом угол сидения должен был составлять не более 27 градусов. Он занял второе место.
Нуна 6 (2011)
Основными изменениями Nuna 6 по сравнению с предшественником Nuna 5 являются замена солнечных элементов на монокристаллические кремниевые элементы и масса батареи, как в соответствии с новыми правилами. Масса автомобиля и аэродинамическое сопротивление также были уменьшены.
Nuna 7 (2013)
Основное изменение Nuna 7 от его предшественников заключается в том, что у него четыре колеса вместо трех, как того требуют новые правила Всемирного солнечного соревнования. Автомобиль также асимметричен, так как кабина водителя находится с правой стороны. Вес батарей и транспортных средств едва изменился по сравнению с предшественником, Nuna 6. Nuna 7 выиграла Bridgestone World Solar Challenge 2013 года.
Nuna 8 (2015)
В классе "задач" команда из Технологического университета Делфта сохранила титул с Nuna 8 и средней скоростью 91,75 км/ч (57,01 миль/ч), чуть опередив своих голландских коллег, Университет Твенте, который возглавлял большую часть гонки, но финишировал всего на 8 минут позади них на втором месте. Модифицированная версия автомобиля Nuna 8S выиграла в 2016 году Sasol Solar Challenge в Южной Африке.
Nuna 9 (2017)
В классе "задач" команда из Делфта снова сохранила свой титул с Nuna 9 и средней скоростью 81,2 км/ч (50,5 миль/ч), чуть опередив команду солнечных автомобилей Мичиганского университета. Модифицированная версия автомобиля Nuna 9S выиграла в 2018 году Sasol Solar Challenge в Южной Африке.
Nuna X (2019)
Nuna X (10) заняла первое место в последний день гонки со средней скоростью 85,22 км/ч (52,95 миль/ч), но их гонка внезапно закончилась из-за пожара в машине. Машина сгорела в течение нескольких минут, что помешало команде завоевать 8-й титул чемпиона мира. Это был первый раз с тех пор, как команда начала участвовать в World Solar Challenge, когда они не смогли занять место на подиуме. Модифицированная версия автомобиля Nuna Phoenix установила мировой рекорд по количеству километров, проделанных только на солнечной энергии: 924 км после того, как их гонка была отменена из-за COVID-19.
Nuna 11 (2021)
Nuna 11 столкнулась с аналогичными проблемами, как Nuna Phoenix. В начале периода проектирования казалось, что в 2021 году состоится версия Всемирного солнечного соревнования. Но за пару месяцев до мероприятия его отменили из-за COVID-19. В результате команда создала Марокканский сольный конкурс, где они заняли третье место. Модифицированная версия автомобиля Nuna 11s выиграла Sasol Solar Challenge 2022 в Южной Африке.