Despertaferro, el primer vehicle solar català

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Pรกgina 3

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 4

Edició: juny del 2005 © 2005, Col·legi Oficial d’Enginyers Industrials de Catalunya Col·legi Oficial d’Enginyers Industrials de Catalunya Via Laietana, 39 08003 Barcelona Tel.: 93 319 23 00 Fax: 93 319 06 81 A/e: eic@eic.es http://www.eic.es Coordinació: Ricard Bosch i Tous Autors: David Pifarré i Martínez Joan Orús i Valls Arnau Planas Eduard Ferrero i Aragonés Francesc Puig i Mas Lluís Raurich i Molinas Moisès Morató i Güell Oriol Calaf i Centellas Sergi Fonseca i Casañas Disseny i maquetació: Santi Satústegui Revisió lingüística: Mercè Molins La reproducció total o parcial d’aquesta obra per qualsevol procediment, comprenent-hi la reprografia i el tractament informàtic, com també la distribució d’exemplars mitjançant lloguer i préstec, resten rigorosament prohibides sense l’autorització escrita de l’editor i estaran sotmeses a les sancions establertes per la llei.

Impressió: Artyplan

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Pรกgina 5

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Pรกgina 1

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 6

Índex

1 Introducció ................................. pàg. 8 2 Una aventura amb la tecnologia ............ pàg. 10 3 La cursa sunrace 2000 .......................pàg. 12 4 Experiències del vehicle solar català ..... pàg. 16 4.1 fabricació amb ajuda de les empreses ......................... pàg. 16 4.2 proves realitzades .......................................................... pàg. 17 4.3 actes i esdeveniments .................................................... pàg. 18 4.4 cinc anys més tard .......................................................... pàg. 20 5 Passat, present i futur del vehicle solar ... pàg. 22 5.1 història i evolució .......................................................... pàg. 22 5.2 limitacions actuals ......................................................... pàg. 25 5.3 aplicabilitat .................................................................... pàg. 26 5.4 el futur del vehicle solar .................................................. pàg. 29 6 La tecnologia dels vehicles solars ........ pàg. 30 6.1 objectius del disseny ...................................................... pàg. 33 6.2 característiques dels vehicles solars ............................. pàg. 36 6.3 el funcionament elèctric del despertaferro .................... pàg. 37 6.4 instrumentació i telemetria ............................................. pàg. 60 6.5 la mecànica d’un vehicle solar ........................................ pàg. 64 6.6 carrosseria i bastidor ..................................................... pàg. 70 7 Agraïments ................................. pàg. 76 8 Bibliografia ............................... pàg. 78 9 Vehícles solars participants a curses ..... pag. 84 10 Els protagonistes .......................... pàg. 92 6

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Pรกgina 7

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 8

1. Introducció

Pole position!! Així podem resumir l’esperit amb què aquest projecte va néixer. Un esperit de superació i d’inquietud que en aquests temps encara es manté viu en el cor dels enginyers. Un esperit d’innovació que ens empeny a estudiar i comprendre allò que no sabem, però també un esperit competitiu que ens porta a donar-ho tot per tal d’aconseguir allò que ens proposem.

Va ser el 1998 quan aquest esperit va portar a un grup d’estudiants d’enginyeria a acceptar el repte de la seva vida: crear de zero el primer cotxe solar de l’Estat espanyol i fer-lo córrer a Austràlia contra els millors cotxes i les millors tecnologies en la cursa Sunrace 2000.

Aquest repte es va materialitzar en forma de Projecte Final de Carrera (PFC). Un PFC que pretenia potenciar la utilització d’energies renovables, el desenvolupament sostenible de les activitats de l’ésser humà i investigar dins del camp de l’energia elèctrica aplicada als mitjans de transport. Però també va ser una cursa personal, una lluita contra la inexperiència, la falta de recursos, el temps i contra un mateix.

El Despertaferro és molt més que un cotxe solar. És el resultat d’una visió, és un repte que va més enllà de la presentació d’un PFC, és una criatura viva que conté els sentiments i les emocions de les persones que el van fabricar, l’orgull dels professors que hi van participar, i també la confiança de les empreses i les institucions sense les quals aquest projecte no hauria nascut. És fruit de l’esforç dels companys i la important col·laboració entre la universitat i l’entorn empresarial, clau en la realització d’aquest projecte, amb l’aportació dels fons, els materials i l’experiència necessàries.

8

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 9

I és ara quan l’escalfament global és un fet, les reserves de petroli disminueixen i els recursos naturals s’esgoten quan s’ha de recollir el testimoni d’aquest projecte i s’ha d’impulsar una nova generació d’alumnes que continuïn amb el repte del Despertaferro amb ajuda de les empreses i la universitat.

Però potser aquesta vegada no és necessari anar-se’n fins a Austràlia.

A casa nostra podria néixer una nova cursa internacional... i potser serà ben aviat!!

Ricard Bosch Tous Dr. Enginyer Industrial

9

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 10

2. Una aventura amb la tecnologia

La lectura d’aquest llibre pretén que el lector entri dins el món dels vehicles solars. La història dels vehicles solars és recent, però ha sofert una gran evolució en els seus darrers anys. Sorgint d’Austràlia ha vist com als anys 90 grans companyies i universitats de tot el món s’endinsaven en la recerca d’aquest nou mitjà de transport com a possible alternativa als problemes mediambientals dels mitjans de transport actuals.

Aquest llibre dóna una idea real sobre el present i el futur d’aquests vehicles, així com de les curses i competicions que hi ha al món, i de l’estat de la tècnica sobre la construcció dels vehicles solars.

Narrarem l’experiència del Despertaferro, de les seves primeres proves, de la cursa Sunrace 2000, celebrada el febrer de 2000 a Austràlia, i de les seves posteriors exhibicions en terres catalanes.

Explicarem com ha estat realitzada la construcció del vehicle solar Despertaferro, el primer vehicle solar català i espanyol, en cada un dels camps de la tecnologia on cal rendibilitzar el vehicle. Parlarem de la descripció general del vehicle perquè el lector pugui fer-se una idea física del que són els vehicles solars. També comentarem com és la conducció del vehicle; el sistema de captació, magatzem i aprofitament d’energia solar; la mecànica; el bastidor i la aerodinàmica. En cada un d’aquests camps

El Despertaferro durant la cursa SUNRACE 2000 per terres australianes, en carretera oberta.

10

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 11

donarem una visió sobre el Despertaferro i sobre la tecnologia d’altres vehicles existents en el món.

L’objectiu d’aquest llibre és el d’apropar el lector al món de la tècnica dels vehicles solars a través dels ulls i l’experiència realitzada per un grup d’estudiants d’enginyeria que en el seu Projecte Final de Carrera van dur a terme el Despertaferro.

11

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 12

3. La cursa Sunrace 2000

La Sunrace és una cursa de vehicles solars que se celebra anualment a Austràlia. El recorregut de l’edició del febrer del 2000, any en el qual va participar el Despertaferro, va ser de 1.790 km entre Sidney i Melbourne. La cursa es divideix en set etapes i el vehicle vencedor és el que esmerça el menor temps en completar-les.

Preparatius de la carrera Participar en una cursa que se celebra a 22.000 km de casa i amb les necessitats específiques tant especials de les carreres de cotxes solars, implicava una logística i uns preparatius de l’Equip Mediterrani que només es podien preparar “in situ”. Per això l’Equip es va traslladar a Austràlia dies abans de l’inici de la carrera. Durant els dies previs a la cursa va ser vital la col·laboració de la University of Technology Sydney (UTS).

"Recepció de la caixa amb el vehicle.

◗Proves classificatòries.

Per transportar el nostre vehicle vam haver de desmuntar-lo en dues peces perquè els sis metres de longitud no caben en els contenidors normalitzats de transport. El patrocinador va fer possible que el Despertaferro viatgés cap a Austràlia amb avió, la qual cosa ens va permetre guanyar un últim mes de proves i ajustos molt productiu.

El dia 3 de febrer del 2000 tots els membres de l’Equip Mediterrani ens trobàvem ja a Sidney, en un magatzem

12

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 13

davant d’un enorme contenidor de fusta de 6 x 2 x 1 m. A dins, la nostra criatura, el Despertaferro, molt més que un vehicle solar: una aposta, una il·lusió, el fruit de tantes hores de treball, gestions i presentacions.

En aquells dies previs calia solucionar els tràmits d’aconseguir els vehicles de suport, un remolc per al vehicle solar, una emissora de ràdio per a comunicar-se entre els vehicles del comboi, contactar amb l’organització de la cursa per enllestir els temes pendents, realitzar l’assegurança per al vehicle solar, organitzar tots els recanvis i eines per a una ràpida intervenció en cursa i un llarg etcètera.

Amb el temps just per a fer una prova en moviment en un aparcament cedit per la universitat, l’Equip va arribar a la vigília de la cursa amb el vehicle a punt. Només un contratemps d’última hora va afectar la nostra activitat durant els dies de la cursa. L’ordinador portàtil que havia de rebre via ràdio les dades del Despertaferro es va espatllar sense temps material per a ser substituït.

Proves classificatòries La prova de velocitat punta servia per a definir l’ordre de sortida de la primera etapa. Entre tots els vehicles, el més veloç va ser el Despertaferro. Un èxit que de per si ja justifica el fet d’haver anat fins a Austràlia.

Com a anècdota, explicarem que tan forta va ser l’embranzida del vehicle que en els pocs metres hàbils per realitzar la frenada i a causa de la intensitat de la mateixa, el pneumàtic posterior va rebentar.

Aconseguir la pole position no va ser l’única raó que va fer que el vehicle solar català fos el centre d’atenció. Les diferències entre el nostre vehicle i la resta eren evidents a simple vista: l’aerodinàmica, la forma d’accés al lloc de conducció, l’ergonomia del conductor, l’alçada del vehicle...

"Sortida de la Sunrace 2000 a Sidney en la 1a posició. ❖El Despetaferro per les carreteres australianes. ◗Circulació en trànsit obert.

13

1a Etapa: Sidney–Canberra Va ser especialment emocionant sortir els primers, per davant de l’Opera House de Sidney. Però, per l’emoció del moment o pel

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 14

desconeixement de la ciutat, el Despertaferro es va perdre pels carrers de la ciutat quan vam malinterpretar el vehicle de l’organització. El més sorprenent va ser que la resta de participants van confiar cegament en el nostre recorregut i ens van seguir en la nostra equivocació.

El mal temps també va ser el protagonista, que va provocar que el Despertaferro no pogués acabar l'etapa. Només tres vehicles van aconseguir passar per la línia d’arribada.

◗Danys en la comporta del conductor. ◗◗Canvi de conductor durant el trajecte.

2a Etapa: Canberra–Wagga Wagga En la 2a etapa el Despertaferro va patir seriosos problemes elèctrics derivats de la pluja del dia anterior, que van obligar l’Equip a abandonar i passar la nit solucionant els problemes per poder continuar en carrera. El cas és que la pluja havia mullat la superfície de cèl·lules i feien un mal contacte elèctric.

3a Etapa: Wagga Wagga-Hay El Despertaferro va circular durant 275 km a una velocitat mitjana superior als 70 km/h, i va completar sense problemes la nostra primera fase de la cursa. Completar-la va ser una injecció de moral molt important per als components de l’Equip, que vèiem recompensa a l’esforç fet durant tot el projecte i molt especialment a la feina que s’havia realitzat la nit anterior.

4a Etapa: Hay-Mildura En la 4a etapa van sorgir alguns problemes en la comporta del conductor, la qual es va obrir amb violència coincidint amb el creuament amb un camió que circulava en sentit contrari. Els danys resultants d’aquest accident van ser molts i importants. Va semblar que era la fi de la participació a la Sunrace, però al final i després de passar la nit canviant les cèl·lules afectades, el Despertaferro va tornar a estar a punt per continuar el seu periple cap a Melbourne.

5a Etapa: Mildura-Swanhill Etapa totalment plana amb rectes infinites enmig d’un paisatge àrid i quasi desèrtic. El Despertaferro va creuar la línia d’arribada després de 250 km i després d’haver solucionat els problemes amb la carrosseria del dia anterior.

"El Despetaferro al circuit de F1 d'Albert Park.

14

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 15

La curiositat del jornada van ser els petits tornados, coneguts a Austràlia com a Willy Willies, que en diverses ocasions van passar fregant el nostre vehicle.

6a Etapa: Swanhill-Bendigo Molts equips participants van tenir problemes. Per sort, el Despertaferro va creuar la línia d’arribada després de 250 km amb les bateries quasi exhaustes.

En totes les etapes, cada hora s’havia de canviar de pilot, el qual entrava al vehicle amb una ampolla de dos litres d’aigua. A més, el pilot havia de pesar uns 80 kg. Si pesava menys es posaven sacs de sorra per a fer de llast.

7a Etapa: Bendigo-Melbourne Aquesta etapa finalitzava donant tres voltes al circuit de F1 d’Albert Park al bell mig de Melbourne. El Despertaferro va aconseguir els 95 km/h de velocitat màxima en trànsit obert.

La victòria de la cursa va ser per al Sunshark, de la Universitat de Queensland, el qual va invertir el menor temps en recórrer els 1.790 km que separen Sidney de Melbourne a una mitjana de 84,7 km/h.

Lliurament de premis Finalment el Despertaferro es va classificar com a sisè dels vuit cotxes solars que van participar a la Sunrace 2000. A l’entrega de premis, que es va celebrar a un cèntric hotel de Melbourne, vam tenir l’agradable sorpresa de rebre el premi a l’Equip més coratjós en reconeixement del mèrit de superar tots els entrebancs que va patir durant la carrera.

15

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 16

4. Experiències del vehicle solar català

4.1 fabricació amb ajuda de les empreses Aquest projecte es va dur a terme en bona part gràcies a la col·laboració entre universitat i empresa; una col·laboració que no es basava únicament en donacions o subvencions econòmiques, tot i que aquestes són imprescindibles, sinó que es basava en què les empreses ajudessin en qualsevol dels àmbits que constituïen el projecte. Aquesta ajuda es va materialitzar en donacions de material, assessorament en el muntatge, cessió d’instal·lacions, assessorament tècnic especialitzat i importants aportacions econòmiques.

Aquesta metodologia permet que qualsevol empresa pugui participar en el projecte, sigui amb aportacions econòmiques, amb idees, o amb el que cada empresa pugui aportar, de manera que es permet l’entrada de tot tipus d’empreses o microempreses dins del projecte, afavorint d’aquesta manera el flux d’informació i experiència entre les diferents empreses i els alumnes i futurs enginyers.

Aquest tipus de relació entre l’empresa i la universitat pot ajudar a establir uns forts lligams entre l’equip del PFC i les diferents empreses col·laboradores, lligams que posteriorment es poden transformar en ofertes de treball i en futurs projectes.

I és ara, després d’aquesta experiència que demostra l’efectivitat d’aquest flux de capital econòmic i humà, quan s’ha de fer una aposta per aquest tipus de relacions, en què les empreses guanyen en capital humà qualificat i en publicitat, la universitat guanya prestigi per mitjà del PFC, i els alumnes guanyen la possibilitat de dur a terme aquelles idees que altrament no s’aprofitarien o mai podrien demostrar.

16

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 17

A més, aquest projecte no s’hauria pogut realitzar sense l’ajuda de les empreses, les quals van apostar per un petit grup d’estudiants amb moltes ganes i pocs recursos; per això, i en nom de l’Equip Mediterrani, gràcies a totes les empreses participants (annex 1).

Incidències en la transmissió durant les primeres proves realitzades.

4.2 proves realitzades De les proves realitzades al llarg del projecte es poden diferenciar clarament dues etapes: una primera etapa corresponent a les proves que es van realitzar a l’Escola d'Enginyeria Industrial de Barcelona i una altra de posterior que correspon a les proves que es van realitzar en el circuit de proves d'Idiada.

4.2.1 a l’escola Proves del motor elèctric Tan aviat com l’Equip va disposar del motor elèctric que s’utilitzaria per al vehicle es van començar a fer proves de funcionament, règims i rendiments amb el motor elèctric al laboratori de màquines elèctriques, Departament d'Enginyeria Elèctrica de l’Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB).

Proves aerodinàmiques Un cop totalment definida l’aerodinàmica del vehicle solar l’Equip Mediterrani va realitzar unes maquetes a escala 1:10 per tal de realitzar proves en el túnel de vent del Departament de Mecànica de Fluids de la Facultat d’Enginyeria Superior Industrial de Barcelona.

4.2.2 A Idiada La possibilitat de fer proves al circuit d’Idiada, a Tarragona, i disposar de les seves instal·lacions va ser per a l’equip un punt clau per a la posta a punt del vehicle.

En les primeres proves que s’hi van realitzar es va comprovar el correcte funcionament general del vehicle excepte en alguns components com ara: el regulador del motor elèctric; la suspensió posterior, que era una mica tova; la transmissió, que tendia a fer sortir la cadena en els moments de fortes arrancades o fortes desacceleracions; el potenciòmetre, que enviava la consigna de velocitat al regulador del motor que es trencava amb molta facilitat.

17

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 18

Després de les primeres proves es van realitzar els ajustos necessaris per tal de solucionar els problemes detectats de la manera següent: aconseguir un regulador del motor més potent, endurir l’amortidor posterior, incorporar un tensor per a la cadena i realitzar un potenciòmetre més robust.

Un cop realitzades les modificacions necessàries es van tornar a realitzar proves a Idiada per tal de confirmar el correcte funcionament de tots els components i per realitzar un rodatge tant del vehicle com dels conductors. Aquest rodatge va consistir a fer el major nombre de quilòmetres i a fer proves de frenada, estabilitat, fiabilitat, comportament de tots els components, rendiments i resposta tant del motor com de les cèl·lules i de les bateries.

4.2.3 Al Centre Cim El Centre Cim (ICT) va colaborar en la mecanització (rapid prototyping) del model aerodinàmic a escala per realitzar l’assaig dins el túnel de vent del laboratori de mecànica de fluids i determinar els coeficients aerodinàmics.

4.3 actes i esdeveniments 4.3.1 museu de la ciència El dia 20 de desembre del 1999 el Despertaferro es va presentar públicament al Museu de la Ciència de la Fundació la Caixa a Barcelona, actual CosmoCaixa.

El Despetaferro al Museu de la Ciència de Barcelona.

4.3.2 presentació prèvia al viatge a austràlia A finals del mes de gener del 2000 l'Equip Mediterrani va realitzar a la Universitat d’Enginyeria Industrial Superior de Barcelona un acte de comiat abans de marxar cap a Austràlia. En aquest acte es va realitzar una conferència organitzada per l'Institut d'Estudis Catalans i també es va presentar de forma oficial el patrocinador principal: LeasePlan.

El Despetaferro i l’Equip Mediterrani a l'ETSEIB.

4.3.3 cap a austràlia Tot l'Equip va marxar cap a Austràlia amb la fita de participar en la cursa. Cursa en què el Despertaferro va aconseguir la pole position gràcies a la gran

El Despetaferro i l'Equip Mediterrani a SIdney.

18

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 19

acceleració del motor, la sisena posició en la classificació final i el mèrit d'acabar la cursa i d'aconseguir el premi a l’Equip més coratjós.

4.4.4 Premi eduardo barreiros 2000 El 17 de maig del 2000 l'Equip Mediterrani va rebre el 1r Premi a la Investigació en el camp de l'Automoció de la Fundació Eduardo Barreiros, atorgat al seu projecte Despertaferro en el Museu Eduardo Barreiros a Madrid.

El vehicle solar a Diagonal de Barcelona.

Jornada de la Ciutat sense Cotxes al passeig de Gràcia de Barcelona.

4.3.5 Travessia girona-tarragona El dia 23 de juliol del 2000 el Despertaferro va realitzar una travessia d'exhibició entre Girona i Tarragona.

Va passar per Granollers i Barcelona.

4.3.6 Jornada sense cotxes Entre els dies 13 i 24 de setembre el Despertaferro va estar exposat en la Mostra sobre Mobilitat Sostenible, a la plaça Universitat de Barcelona, organitzada per la Diputació de Barcelona.

El 22 de setembre l'Equip Mediterrani va participar amb el seu vehicle solar Depertaferro en les activitats que es van organitzar al passeig de Gràcia de Barcelona amb motiu de la celebració del Dia de la Ciutat sense Cotxes.

4.3.7 Premis fundació Hispano-Suiza El Despertaferro va ser guardonat amb el premi de la fundació Hispano-Suiza a la innovació i el medi ambient.

19

4.3.8 Altres esdeveniments A més de tots els esdeveniments que hem vist cal destacar que l'Equip Mediterrani, amb el Despertaferro, ha estat també present en: • Fira de l'Automòbil de Madrid (IFEMA) a l’estand de la revista Flotas que edita l’empresa LeasePlan, patrocinadora del vehicle.

• Fira d'Artés (abril 2004) en la qual l'Equip Mediterrani va realitzar una conferència sobre el projecte del vehicle solar. Va rebre un trofeu al mèrit i a la innovació.

• Fira Expomòbil de Barcelona (del 19 al 27 de maig del 2001) a l’estand de la Sociedad de Técnicos de Automoción (STA), on també l'Equip Mediterrani hi va realitzar una conferència.

En l’actualitat es pot gaudir del Despertaferro en l’exposició permanent al Museu de la Ciència i la Tècnica de Terrassa, on el vehicle espera l’arribada d’un nou repte, d’una nova cursa...

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 20

4.4 cinc anys més tard Després de cinc anys i de la gratificant experiència que va suposar aquest projecte, estem en disposició de continuar amb la tasca emprenedora que va començar l’any 1998 amb el Despertaferro, però aquest cop ho podem fer des de la experiència viscuda.

Gràcies a la cursa australiana es varen poder conèixer en profunditat les limitacions que patia aquest primer prototip. Un exemple seria el perfil aerodinàmic en forma gota d’aigua, escollit per ser el més adient per complir el requisit d’alçada mínima d’un metre. A causa de la inexperiència en aquest tipus de cursa, el perfil aerodinàmic del Despertaferro no es corresponia amb l’emprat per la resta de participants ja que utilitzava un perfil pla; però aconseguia complir el requisit d’alçada mínima gràcies a elements externs com aletes de tauró col·locades sobre la comporta del conductor, la qual cosa proporcionava 20 cm extres d’alçada sense penalitzar l’aerodinàmica.

També hi havia una gran diferència amb la resta de participants respecte al motor emprat, ja que els cotxes guanyadors portaven motors especials acoblats dintre de la mateixa llanta, de manera que disminuïen les pèrdues mecàniques en la transmissió del moviment i baixaven el centre de gravetat. Aquest tipus de motors són altament eficients en pla perquè aconsegueixen velocitats punta molt elevades, però acceleracions molt baixes des de parada.

Això no es pot considerar una errada de disseny, ja que aquest tipus de motors són molt cars, i no són adients per a una geografia com la nostra, ben diferent de l’australiana on destaquen les grans planícies en contraposició al perfil escarpat de la geografia europea.

De fet, el Despertaferro va sorprendre tots els adversaris aconseguint la pole position el primer dia de competició amb la prova d’acceleració.

Ara, cinc anys més tard, es poden afrontar nous reptes, com per exemple una carrera transpirenaica, on les fortes pendents afavoreixen el disseny i motor actual del Despertaferro. Són necessàries, però, noves aportacions tecnològiques i noves solucions tècniques per a superar pendents del 14% i més. Proves en les que actualment els cotxes solars no estan preparats de manera continuada per la manca de parell dels motors acoblats a roda.

Cinc anys més tard la il·lusió es manté viva i el Despertaferro pot despertar i competir de nou, però aquest cop en una cursa transpirenaica amb nous reptes, nous traçats i nous equips que només esperen un senyal per començar a treballar... I qui sap, potser no estem tan lluny de veure rodar de nou pels nostres carrers i les nostres carreteres el perfil de la gota d’aigua...

20

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Pรกgina 21

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 22

5. Passat, present i futur del vehicle solar

5.1 Història i evolució 5.1.1 Els orígens de l’automoció solar El 7 de gener de 1983, l’aventurer australià Hans Tholstrup va arribar a l’Opera House de Sidney conduint un tipus de vehicle totalment inèdit fins aquell moment. Es tractava d’un vehicle impulsat únicament per l’energia que rebia del sol. Vint dies abans, ell i l’enginyer i company d’aventura Larry Perkins havien sortit de Perth, a la costa oest d’Austràlia. En la seva èpica travessa van recórrer 3.500 km a una velocitat mitjana de 23 km/h, i van fer realitat per primera vegada el concepte de vehicle solar.

El Quiet Achiever (així el van batejar) era un vehicle pesat i poc aerodinàmic, que necessitava una gran superfície fotovoltaica i tenia unes prestacions molt limitades. Malgrat que en aquell moment va ser considerat una mera curiositat, el cert és que avui aquest enginy és considerat com un dels precursors de l’automoció solar, un camp en constant evolució.

5.1.2 Evolució dels vehicles solars. Les curses Quatre anys més tard, el mateix Tholstrup donava la sortida de la primera edició de la World Solar Challenge. La cursa sortia de Darwin i finalitzava a Adelaide, després de travessar de nord a sud el continent.

Vint-i-tres vehicles vinguts de set països diferents van participar en aquesta primera edició, que va resultar ser tot un èxit. El vencedor, el prototip Sunraycer de la General Motors, va recórrer els 3.010 km que separen Darwin d’Adelaide en tan sols cinc dies, realitzant una mitjana de 67 km/h i recorrent uns 600 km diaris. L’era dels vehicles solars tot just havia començat, i una nova competició havia nascut en el món del motor, competició que el mateix creador va batejar com a Brain sport.

22

despertaferro.qxd

El Quiet Achiever (Austràlia, 1983) de Hans Tholstrup i Larry Perkins és considerat un dels precursors.

El Sunraycer, de la General Motors, vencedor de la primera World Solar Challenge (1987).

Honda Dream 2, vencedor de la 4a World Solar Challenge (1996).

El Desert Rose, rècord de velocitat amb 107,78 km/h en la cursa Sunrace (2000).

L’Aurora 101, amb la carrosseria superior desmuntada, carregant bateries al sol de manera més eficient. .

17/5/2005

17:15

Página 23

El 1990 es va disputar la segona edició de la World Solar Challenge (WSC). Aleshores ja era reconeguda com la més prestigiosa cursa de vehicles solars del món. Trenta-sis vehicles hi van participar. El vencedor va ser l’Spirit of Biel, prototipus creat a l’Escola d’Enginyeria de Biel (Suïssa). Els vehicles solars havien sofert ja una gran evolució d’ençà dels primers prototipus, essent cada vegada més eficients i més ràpids.

Tres anys més tard, el 1993, la tercera edició de la WSC va fer un salt qualitatiu molt important. Els avenços aconseguits en el disseny dels vehicles van fer possible allò que només uns pocs anys abans es creia impossible: creuar el continent a una velocitat mitjana de 85 km/h i recórrer 803 km en una sola jornada. El responsable d’aquesta fita va ser el vehicle Dream d’Honda, vehicle en el qual la marca japonesa va invertir molts mesos d’investigació, així com una gran quantitat de recursos econòmics i tècnics, fet que dóna una idea de la importància que algunes prestigioses marques del món de l’automoció donen a aquest nou concepte de vehicle.

L’any 1996 Honda va revalidar el títol aconseguit en l’anterior edició en invertir només quatre dies en creuar el continent. La velocitat mitjana aconseguida va ser de 90 km/h. És clar que l’avenç assolit en aquesta tecnologia ha estat

23

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 24

extraordinari en els darrers anys i és evident que curses com la World Solar Challenge hi han jugat un paper determinant. Tanmateix, la WSC no ha estat l’únic esdeveniment d’aquest tipus de vehicles. L’any 1997 naixia també a Austràlia la Sunrace, com a cursa de caràcter anual, amb un recorregut de 1.790 km entre Sidney i Melbourne. Aquesta nova cursa sorgia de la voluntat no només de seguir promocionant la tecnologia associada als vehicles alternatius, sinó també de fer de nexe d’unió entre els vehicles elèctrics supereficients (la base dels vehicles solars) i l’aplicació pràctica d’aquesta tecnologia. Amb aquesta motivació, la Sunrace acull no només vehicles solars sinó també vehicles elèctrics en una categoria diferent.

En l’edició de la Sunrace disputada el febrer del 2000 i en la qual va participar el Despertaferro es va assolir un nou rècord de velocitat sobre un recorregut de 100 km plans, fixat en 107,78 km/h.

A més de les competicions australianes, altres curses han estat creades arreu del món amb més o menys repercussió internacional. Un exemple són la Sunrayce americana, la World Solar Car Rallye d’Akita (Japó), o la Tour de Sol, primera cursa de vehicles solars disputada al món el 1985 a Suïssa, i que amb el temps ha esdevingut més una cursa per a vehicles elèctrics. Totes elles han tingut en comú estimular la investigació i el desenvolupament tecnològic en el camp del vehicle alternatiu per sobre de l’aspecte purament competitiu. L’autèntica cursa comença, doncs, quan s’accepta el repte de dissenyar un vehicle capaç de captar la màxima energia del sol i fer-ne un ús al més eficient possible.

Actualment, es pot dir que un vehicle solar amb una superfície fotovoltaica d’uns 8 m2 és capaç de recórrer 6 km amb la mateixa energia que una torradora consumeix en fer una torrada de pa (216 kJ - 60 Wh), o bé que és possible creuar Austràlia a una velocitat mitjana propera als 90 km/h usant menys potència que la necessària per a fer funcionar un assecador del cabell (1.800 W). Aquestes característiques són, de ben segur, les que més fàcilment defineixen l’Aurora 101, vencedor de la WSC l’any1999.

24

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 25

5.2 limitacions actuals El vehicle solar s’alimenta d’una font d’energia neta, gratuïta i inesgotable com és l’energia solar. A més, no emet cap tipus d’emissió contaminant de resultes del seu funcionament. Si aquest nou concepte de vehicle fos explotable, de ben segur

Vistes (en format digital) del Despertaferro, de dimensions 6x2x1 m.

25

estaríem davant de la solució als problemes de contaminació ambiental i d’abastiment energètic derivats del sistema de transport actual, basat en l’explotació de combustibles fòssils, una font d’energia finita i de nefastes conseqüències per al medi ambient.

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Existeixen però, encara avui en dia, una sèrie de factors que fan inviable la idea de vehicle solar com una alternativa factible al vehicle convencional: • És necessària una gran superfície fotovoltaica per tal de captar l’energia perquè funcioni. Amb el rendiment actual de les millors cèl·lules

Página 26

fa falta uns 8 m2 per a moure un prototipus elèctric d’alta eficiència.

• Cal fer un ús molt eficient de l’energia captada. Això deriva en vehicles on l’aerodinàmica és fonamental (molt plans) i el pes és molt baix.

Aquests vehicles són monoplaça o biplaça, i estan construïts per materials resistents i molt lleugers.

• Òbviament, en aquests vehicles l’autonomia depèn de les condicions de la radiació. A més, s’ha de reduir al màxim el pes en bateries.

• El seu cost de fabricació, si acceptem que es pugui fabricar en sèrie, seria actualment molt elevat.

5.3 Aplicabilitat La primera qüestió que hom es planteja quan descobreix les prestacions dels actuals vehicles solars és: Quan podrem conduir aquests vehicles?

El cert és que probablement aquest vehicles no representen fidelment el que serà el transport del futur, però malgrat tot, la seva evolució segur que serà una eina molt valuosa per al desenvolupament de les energies renovables i de les alternatives al vehicle actual. Així doncs, el benefici dels resultats obtinguts no cal buscar-lo tant en la comercialització directa del concepte de vehicle solar, sinó en la possible aplicació que tenen cadascuna de les tecnologies aplicades en diferents camps, com puguin ser el mateix transport o bé en la promoció de l’energia solar com a font d’energia viable.

26

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 27

5.3.1 Els vehicles elèctrics Segurament l’aplicació més clara i directa dels resultats obtinguts en la investigació sobre els vehicles solars cal buscar-la en els vehicles elèctrics. De fet, es podria dir que les curses de vehicles solars són com una mena de Fórmula 1 per als vehicles de tracció elèctrica en general, atès que són un magnífic camp de proves per a assajar noves tecnologies.

Un exemple d’aquest fet es pot trobar en el model de vehicle elèctric desenvolupat per la GM arran dels resultats obtinguts en el seu prototipus Sunraycer. Amb aquest prototipus es va demostrar que les prestacions poden ser acceptables malgrat que la potència emprada sigui poca, sempre que es minimitzi al màxim les pèrdues. El resultat ha estat l’EV1, un vehicle elèctric amb un coeficient aerodinàmic de 0,19 (l’habitual es pot situar entre 0,3 i 0,4) i una resistència al rodament molt reduïda.

Altres marques com Honda, Nissan i Toyota també han tret profit de les seves participacions en la WSC i l’han aplicat en els seus respectius models de vehicles elèctrics.

Vehicle elèctric, de General Motors, l’EV1.% Vehicle elèctric experimental amb sostre i frontal fotovoltaic.◗

27

5.3.2 Vehicles elèctrics amb aportació solar L’ús de les cèl·lules solars com a aportació suplementària d’energia en vehicles elèctrics no ha tingut fins al moment un resultat comercial. Però cal tenir en compte aquesta opció com una possible aplicació futura, si s’aconsegueix una millora en el rendiment de conversió d’energia de les cèl·lules i també una major eficiència i reducció dels consums dels vehicles.

5.3.3 Les cèl·lules solars Les cèl·lules solars utilitzades per la majoria d’equips en la WSC han estat entre les més eficients que mai s’han fabricat. El vehicle solar necessita captar la màxima energia possible amb el mínim espai possible; és a dir, necessita unes cèl·lules d’un elevat rendiment de conversió d’energia. El rendiment d’una cèl·lula indica quin tant per cent de l’energia solar incident que absorbeix és capaç de transformar en energia elèctrica útil. Aquest fet ha estat sens dubte un extraordinari estímul per a la investigació fotovoltaica del qual se n’ha tret un gran benefici. No en va, el rendiment de les cèl·lules ha anat en augment d’una edició a una altra, essent actualment d’un 24%. En aquest cas, per a una intensitat de radiació mitjana del sol d’1 kW per m2 obtindríem 240 W elèctrics.

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 28

Malgrat aquestes cèl·lules d’alt rendiment, tenen encara avui un elevadíssim cost les investigacions realitzades en aquest camp.

Al marge de servir per a ampliar coneixements relacionats amb la conversió fotovoltaica, tindran una gran repercussió en futures aplicacions comercials per a electrificació rural i urbana, amb el conseqüent abaratiment de costos.

Algunes de les patents ja han estat comprades per grans fabricants fotovoltaics que avui ja estan comercialitzant amb tecnologia nascuda gràcies a les primeres competicions de vehicles solars.

Instal·lació fotovoltaica a l’Ajuntament de Barcelona.

5.3.4 Els pneumàtics Les pèrdues per rodament amb l’asfalt són, juntament amb les pèrdues per fricció amb l’aire, les que fan perdre més energia. Actualment, almenys quatre grans fabricants de pneumàtics tenen un programa d’investigació centrat al voltant de la WSC i de la problemàtica associada als vehicles solars. A partir d’aquestes investigacions sobre nous dissenys i materials s’ha arribat a fabricar pneumàtics amb un coeficient de rodament de només 0,007. Recordem que els pneumàtics d’un cotxe habitual solen estar entre 0,01 i 0,03.

5.3.5 El motor sense transmissió El concepte de motor acoblat directament a la roda va aparèixer el 1993, i l’any 1996 dotze vehicles ja funcionaven amb aquest sistema.

En aquest tipus de motor el rotor és solidari a l’eix de la roda, sense ser necessària cap corretja ni cadena per a la transmissió del moviment, fet que produeix un major rendiment de la tracció elèctrica.

La marca japonesa Honda, aprofitant els resultats obtinguts del seu prototipus Dream, ja té disponible una gamma de motors de petita potència per tal de muntar-los en la roda de petits vehicles elèctrics.

Motor elèctric acoblat a la roda.

28

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 29

5.4 El futur del vehicle solar Quan el gener del 1983 Hans Tholstrup va finalitzar la primera travessa del continent australià a bord d’un vehicle solar poc s’esperava que durant els anys que havien de venir aquest camp sofrís una evolució tan espectacular. Els vehicles solars estan en constant evolució i han assolit un nivell de prestacions tan alt que deixen oberta qualsevol especulació sobre les seves possibilitats futures.

El NED 26, vehicle biplaça (Sunrace 2000).

29

Les curses, veritables impulsores de la tecnologia solar, han anat adaptant-se a aquestes prestacions i guiant el futur desenvolupament mitjançant les regulacions i recorreguts. Actualment existeix la tendència de canalitzar les futures millores en aquest camp cap a l’assoliment del vehicle elèctric de dues places i quatre rodes com a concepte de vehicle més proper al convencional. El repte se centra a fer vehicles solars que tinguin cada cop més similituds amb el vehicle convencional, sense renunciar, però, a les brillants prestacions aconseguides pels vehicles monoplaça.

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 30

6. la tecnologia dels vehicles solars

Els vehicles electrosolars es troben encara en una fase de desenvolupament molt inicial i, tot i que fa més de vint anys des del primer prototip, encara són molt lluny d’assolir tot el seu potencial. Això es deu al fet que ha estat necessari replantejar alguns conceptes tècnics que des de fa anys es consideraven definitius i invariables per als vehicles convencionals.

Els reptes tecnològics que ha plantejat el disseny d’aquests vehicles solars han obert nous camps d’investigació en l’àmbit de l’automoció que van molt més enllà de la tecnologia que s’aplica a les cèl·lules solars.

Els fruits dels desenvolupaments i les experiències que estan tenint lloc en el disseny dels cotxes solars tindran ben aviat aplicació en els vehicles convencionals amb motor de combustió, i sobretot en aquells que utilitzin noves formes de propulsió, com són els vehicles amb cèl·lula de combustible, els vehicles híbrids (aquells que incorporen un motor elèctric i un motor tèrmic), l’aprofitament de volants d’inèrcia i els vehicles d’aire comprimit.

La tecnologia de les cèl·lules de combustible es basa en fer reaccionar l’hidrogen emmagatzemat en un dipòsit amb l’oxigen de l’aire. Així s’obté energia elèctrica i, en la majoria de casos, aigua com a únic producte residual de la reacció.

Els motors híbrids, a més, es basen en la combinació d’un motor tèrmic, habitualment de cilindrada menor a l’habitual, i un motor elèctric. De vehicles híbrids se’n distingeixen bàsicament de dos tipus: els híbrids sèrie i els híbrids paral·lel. En els primers es té la clàssica configuració de vehicle elèctric pur en el qual s’hi ha afegit un petit 30

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 31

motor tèrmic que, funcionant a règim, s’utilitza bàsicament per a generar energia elèctrica i carregar les bateries. En els vehicles híbrids paral·lel ambdós motors poden impulsar el vehicle alternativament, essent generalment usada la tracció elèctrica en conducció urbana i la tracció convencional en recorreguts interurbans. En aquest cas el motor tèrmic té també la capacitat de generar electricitat per a carregar les bateries.

Els reptes que sorgeixen de l’estudi dels vehicles solars, si bé tenen el seu nucli principal en les formes d’obtenció i molt especialment en les noves formes de gestió de l’energia, inclouen també nous con-

Les diferents disciplines del Despertaferro.

Aerodinàmica

31

ceptes d’aerodinàmica, de construcció lleugera i de reducció de les pèrdues energètiques en els elements mecànics (es pot plantejar fins i tot la substitució d’algun d’ells com la transmissió).

Per tal de poder fer viables els cotxes solars, cal buscar noves solucions tècniques que redueixin el consum, però que conservin i millorin el nivell de seguretat i de confort.

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 32

Cèl·lules solars

Motor elèctric

Gestió energia

Construcció lleugera

32

Pneumàtics

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 33

6.1 Objectius del disseny El disseny de qualsevol vehicle s’inicia amb una etapa de concepte en què, a partir de la definició de les característiques d’ús i de la finalitat que es volen que tingui el vehicle, es defineixen quines són les especificacions tècniques que haurà de solucionar el projecte.

El Despertaferro circulant per Barcelona.

Analitzant un per un els objectius tècnics que es volen assolir (habitabilitat, rigidesa de carrosseria, recorregut i duresa de la suspensió, rendiment, pesos, costos...) es poden conèixer les diferents tecnologies i recursos que seran necessaris i estudiar les possibles incompatibilitats entre objectius. Aquesta és l’etapa que es coneix com la viabilitat tècnica del projecte.

Aquesta etapa del disseny tenia una importància especial en la concepció del Despertaferro, ja que hi havia la falta de referents i la singularitat tant del tipus de vehicle com de les tecnologies que es volien emprar.

Actualment els cotxes solars no es construeixen amb un objectiu comercial sinó amb un objectiu d’investigació que recau en el desenvolupament de la pròpia tecnologia. Aquest objectiu es materialitza en forma de prototip i es posa a prova en una de les competicions que se celebren anualment, com la Sunrace 2000. Les curses busquen que els cotxes participants tinguin emissió zero, és a dir, que no siguin contaminants.

Encara que en un principi van començar com a carreres de cotxes solars, més endavant es van obrir noves modalitats, on la filosofia de fons residia en fomentar la investigació de les noves tecnologies. Noves categories com cotxes solars veterans, cotxes solars que funcionen amb cèl·lules comercials, vehicles elèctrics ultra-lite, vehicles que funcionen amb hidrogen (amb producció autònoma) i fins i tot vehicles híbrids.

Aquestes competicions acostumen a tenir forma de ral.li, d’entre 2.000 i 3.000 quilòmetres, i transcorren per carreteres obertes al trànsit. Les etapes d’aquestes proves tenen al voltant de 300 quilòmetres de distància i van alternant diferents tipus de condicions de conducció.

33

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 34

Tant s’ha de circular per una ciutat (on els cotxes solars tampoc s’escapen dels embussos), com per una autopista o una carretera comarcal en males condicions, revolts tancats i grans pendents de fins a un 7%.

Així s’aconsegueix que els vehicles solars no perdin de vista els aspectes de seguretat, manejabilitat i fiabilitat dels vehicles convencionals i que les seves prestacions es puguin comparar amb els vehicles amb motor de combustió en igualtat de condicions.

Evidentment però, ha estat necessari penalitzar alguns dels objectius, especialment els de la reducció de pesos que es plantegen per a aconseguir la màxima eficiència.

En el cas del Despertaferro els aspectes que primer es van considerar per a començar a dissenyar el vehicle i per a determinar-ne la viabilitat van ser els següents: Compliment de la normativa Òbviament, calia complir les especificacions de la normativa de la Sunrace 2000. Algunes de les limitacions van ser: - Cèl·lules solars: superfície màxima de 8 m2 i potència màxima de 1.200 W. - Bateries: pes mínim de 64 Kg i capacitat màxima de 2.500 VAh. - Dimensions màximes: 6 m x 2 m.

- Altura mínima: 1 m.

El requisit de l’alçària mínima no té cap base científica, ja que només limita el rendiment aerodinàmic del cotxe. L’organització la va introduir per potenciar l’ergonomia. Així mateix calia complir altres indicacions sobre seguretat en cas d’accident: senyalització, visibilitat i estabilitat.

Integració de les cèl·lules solars Calia que la geometria del vehicle permetés col·locar les cèl·lules sobre una superfície ben plana i sense ombres. Per millorar el rendiment, les zones en què se separen les cèl·lules haurien de ser homogènies, és a dir, amb condicions semblants de radiació solar.

34

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 35

Rendiment aerodinàmic Es volia aconseguir un coeficient Cx inferior a 0,2 i amb una àrea frontal inferior a 1,5 m2.

Rendiment mecànic (frecs) En el disseny de cada component calia buscar la màxima eficiència i aquells sistemes més senzills de suspensió i direcció: - Reducció de frecs entre peces.

- Transmissió eficient.

- Mínim frec dels pneumàtics.

Màxima eficiència dels components Així mateix la distribució dels diferents components del vehicle tenia efectes sobre el seu rendiment: - Refrigeració de l’electrònica.

- Reducció de cablejats.

- Proximitat motor-roda.

Condicionants de seguretat La seguretat s’havia de considerar en la prevenció dels accidents: - Visibilitat del conductor.

- Sistema de direcció i frenada fiables.

- Aïllament de bateries i del cablejat.

- Sistemes de comunicació.

I en els aspectes relacionats amb els possibles incidents: - Estructura rígida i absorbent d’energia.

- Accés i evacuació ràpida del pilot.

- Sistemes de desconnexió elèctrica d’emergència des de l’interior i l’exterior.

Reducció de pes Minimitzar el pes del cotxe representa disminuir la necessitat d’energia i augmentar-ne la maniobrabilitat. Aquest és un aspecte realment decisiu que s’ha de tenir sempre present.

Reducció de costos Aquest últim objectiu és, en la majoria de casos, contradictori amb els anteriors objectius pel que fa a disseny, però no és l’única incompatibilitat que hi ha. Per una banda, els sistemes de seguretat afegeixen pes i compliquen els cablejats elèctrics. Per l’altra, si parlem de l’aerodinàmica, el fet que les cèl·lules puguin estar sobre una superfície plana fa més difícil que el pilot tingui una bona visibilitat.

35

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 36

En aquests casos es van haver d’acceptar certs peatges sobre el rendiment d’alguna part del vehicle per millorar el rendiment d’altres components i poder complir amb les necessitats de seguretat del cotxe.

6.2 Característiques dels vehicles solars Una vegada s’han determinat els objectius, és l’hora de definir el vehicle.

Tot i que els vehicles solars són molt diferents entre ells, hi ha una sèrie de característiques que són comunes en la majoria de dissenys i que representen les tendències que porten a la màxima eficiència.

Obtenir el perfil més aerodinàmic i estable suposa aprofitar al màxim la superfície de què es disposa. Així la majoria de cotxes tenen l’amplada de 2 m i la longitud total de 6 m com el Despertaferro.

Normalment, el morro té la forma més aerodinàmica i permet una millor penetració a altes velocitats; i la zona posterior és plana i permet l’exposició de les cèl·lules.

Com podem veure per la cúpula, el pilot se situava en una posició central avançada que entrava lleugerament a la zona coberta per les cèl·lules solars.

Una altra característica derivada de la millora del coeficient aerodinàmic és la poca alçada dels vehicles, que no acostumen a superar el metre.

Per tal de minimitzar els fregaments amb el terra, molts vehicles han optat per una configuració de tres rodes. El Despertaferro en té dues al davant, que són les rodes directrius, i una al darrera que té la funció motriu. Per a augmentar l’estabilitat s’aprofita tot l’ample del vehicle, i les rodes se situen gairebé als costats, maximitzant l’ample de les vies.

Layout elèctric del Despertaferro.

36

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 37

6.3 El funcionament elèctric del despertaferro Per a poder entendre el funcionament elèctric del vehicle electrosolar es descriuen els elements elèctrics fonamentals de què es constitueix i quin és el seu paper dins del sistema elèctric.

Les cèl·lules solars, que les podem trobar en la carcassa superior del vehicle, són les encarregades de transformar l’energia provinent del sol en energia elèctrica. Per tant, podem dir que les cèl·lules solars funcionen com a generadors d’energia. El total de cèl·lules solars s’ha distribuït en quatre camps que funcionen de manera independent per tal d’augmentar-ne el rendiment.

Aquesta energia, que com veurem més tard s’utilitzarà per a moure el vehicle, s’ha d’emmagatzemar per poder consumir-la quan sigui necessària. Per tant, és l’hora de parlar de les bateries, que assumeixen el paper de dipòsit d’energia. Estan situades als dos costats del compartiment del conductor. En aquest moment ja tenim una energia solar que s’ha transformat en energia elèctrica mitjançant les cèl·lules solars, i que l’hem emmagatzemat dins de les bateries.

El motor elèctric serà l’encarregat de transformar l’energia elèctrica en moviment; és a dir, serà el consumidor de l’energia que teníem dins de les bateries, per tant, de l’energia solar.

Aquest és fonamentalment el principi de funcionament del vehicle solar. Anem a veure una mica amb més profunditat algunes de les seves peculiaritats: Tal com s’ha dit, el motor convertirà l’energia elèctrica en moviment de gir d’un eix mecànic, que serà l’encarregat de moure la roda del darrera, mitjançant un sistema de transmissió per cadena, similar al d’una motocicleta. Però el motor, no només pot actuar com a consumidor d’energia quan està estirant el vehicle, sinó que també es pot fer funcionar com a generador. Això significa que, si s’inverteix el sentit del gir del motor, aquest frenarà de manera suau el vehicle, però amb l’avantatge que ho farà transformant l’energia cinètica de la velocitat en energia elèctrica. Si aquesta energia és emmagatzemada per les bateries, el Despertaferro està carregant les bateries amb l’energia que s’hauria perdut als discs de frens si haguéssim utilitzat el fre estàndard del vehicle. Aquest tipus de fre, que aprofita la velocitat per generar electricitat, s’anomena fre regeneratiu.

37

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 38

Per tant, és molt important poder emmagatzemar l’energia, ja que ni l’energia generada per les cèl·lules solars ni l’energia consumida pel motor és constant en el temps. L’energia generada per les cèl·lules serà variable perquè la intensitat de radiació solar incident també serà variable al llarg del recorregut. El consum del motor també canviarà segons el pendent, la velocitat, el vent i la temperatura. Així doncs, les bateries ens asseguren un mínim d’energia disponible per als casos on les cèl·lules solars generen insuficient energia per a moure el Despertaferro, i alhora ens permeten utilitzar el fre regeneratiu.

6.3.1 Balanç energètic Quan es parla de balanç energètic en un vehicle hom es refereix al percentatge d’energia continguda en un combustible que es transforma en moviment o en energia útil. En el cas dels vehicles solars, si el seu únic combustible és la radiació solar incident, es poden definir els següents balanços: 6.3.1.1 Balanç energètic del Despertaferro Per a conèixer el balanç energètic ens caldrà saber els rendiments de tots els elements intermedis entre la captació de l’energia i el moviment del cotxe. Una vegada coneguts, podem representar el balanç energètic del Despertaferro de la forma que es mostra en el gràfic.

Com podem observar, la principal pèrdua d’energia dels cotxes solars és la que es produeix en la captació de l’energia. En el cas del Despertaferro, estem parlant d’unes pèrdues superiors al 80% de l’energia emesa pel Sol. 6.3.1.2 Balanç energètic dels vehicles solars més eficients El balanç energètic d’un dels vehicles solars més eficients no és pas gaire diferent al del Despertaferro. La principal pèrdua d’energia en tots els casos es produeix en l’energia que les cèl·lules solars no són capaces de transformar, en un factor d’importància superior al 75 % per la majoria de cotxes solars actuals.

Balanç energètic del Despertaferro.

Balanç energètic d’Honda Dream.

Cal dir també que, del 20% d’energia transformada en moviment 38

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 39

útil a la roda, i considerant que el vehicle avança a velocitat constant d’uns 75 km/h per un terreny pla, aproximadament un 35% s’inverteix a vèncer el fregament de les rodes amb el terra i el 65% restant s’inverteix a superar el frec aerodinàmic.

Això provoca que les diferències que poden fer que un equip guanyi una cursa es troben en les millores aconseguides mitjançant moltes hores d’investigació i desorbitades xifres de diners, que fan augmentar el rendiment de les cèl·lules, que un cotxe es mogui amb un motor de rendiment un 1% millor que l’altre, o que les pèrdues produïdes per fregament en el moviment del cotxe siguin un 5% inferiors a les de l’altre equip.

La conclusió és que fins al moment el principal inconvenient per a la construcció dels cotxes solars és la gran superfície de cèl·lules solars que es necessiten per a captar l’energia suficient per a circular.

Actualment només és possible transformar en energia útil una proporció que és de l’ordre del 20% de l’energia total rebuda del sol. Això fa que siguin necessaris uns 8 m2 per a fer funcionar un vehicle lleuger i supereficient. I que sigui impensable encara alimentar amb energia solar el model del vehicle convencional com avui el coneixem.

Cèl·lula convencional de silici monocristal·lí.

39

6.3.2 Les cèl·lules solars La conversió fotovoltaica es basa en l’efecte fotoelèctric; és a dir, en la transformació directa de l’energia provinent del sol en energia elèctrica. Per a realitzar aquesta conversió són necessaris uns dispositius anomenats cèl·lules solars, els quals estan basats en les propietats dels materials semiconductors. Els semiconductors són materials que poden ser dopats o contaminats amb impureses per tal de variar les seves propietats elèctriques, amb la qual cosa s’obté una capa negativa o de “tipus n” (amb excés de càrrega negativa), i una capa positiva o de “tipus p” (amb excés de càrrega positiva).

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 40

La unió d’aquestes dues capes (unió p-n), proveïda dels contactes elèctrics adequats i que fa possible l’aparició de corrent elèctric quan hi ha una que és il·luminada (la capa “tipus n”), forma una cèl·lula solar. Efectivament, quan la cèl·lula és exposada a la radiació solar, formada per fotons, alguns d’aquests fotons, els que tenen l’energia suficient, són absorbits pel material semiconductor i alliberen electrons dels àtoms que formen el cristall. Cada electró alliberat deixa darrere seu un forat o buit, també entès com una càrrega positiva. En la cèl·lula solar, la unió p-n indueix un camp elèctric permanent que atrau els electrons cap al costat n, i els buits cap al costat p. Aquesta separació de càrregues indueix alhora un voltatge entre els dos extrems de la cèl·lula, de manera que quan les dues cares de la cèl·lula s’uneixen per un circuit conductor exterior es permet la circulació de corrent i es genera energia elèctrica.

Una cèl·lula solar (o conjunt de cèl·lules solars connectades en sèrie) pot ser operada en qualsevol punt de la seva corba característica V-I, la qual depèn bàsicament de dos paràmetres: la intensitat de radiació incident (W/m2) i la temperatura de la cèl·lula. De tots els punts de la corba, però, n’hi ha un que té una potència màxima (producte V x I). Aquest és el punt de màxima potència i queda definit per les coordenades Imp (intensitat de màxima potència) i Vmp (tensió de màxima potència), com s’indica en la gràfica.

Punt de màxima potència.

Les cèl·lules emprades en el Despertaferro són cèl·lules de silici monocristal·lí convencional, que tenen el rendiment més elevat disponible en el mercat. Les característiques que tenen són les següents:

Cèlul·les Isofotón Si monocristal·lí Dimensions: 95 x 31 mm

I curt-circuit: 980 mA

V circuit obert: 600 mV

I mp: 900 mA

V mp: 503 mV

Eficiència: 15 %

40

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 41

La mida d’aquestes cèl·lules és d’aproximadament una tercera part de la mida de la cèl·lula original. El fet de reduir-ne les dimensions respon al fet d’adaptar-les a la curvatura de la carrosseria. S’ha comprovat que una cèl·lula sencera no era capaç de salvar la màxima curvatura existent en el sentit transversal, concretament en la zona dels laterals de la cabina del conductor. Per aquest motiu s’ha optat per treballar amb fraccions de cèl·lula, per reduir-ne un dels costats de la cèl·lula originalment pseudoquadrada a una tercera part. Les característiques elèctriques per a la nova cèl·lula es troben en el manteniment dels valors de tensió i en la divisió dels valors d’intensitat per tres, atès que la tensió entre els extrems de la cèl·lula no depèn de la superfície, i en canvi el corrent fotogenerat n’és directament proporcional.

Cal destacar que la cèl·lula emprada és totalment rectangular, amb les cantonades en angle recte, fet que permet tenir una millor compacitat de mòdul i minimitzar la superfície morta o inútil.

Tenint en compte que l’eficiència de la cèl·lula és del 15%, s’ha vist la necessitat de recórrer al màxim de superfície permesa per la cursa, fixat en 8 m2. Això és així perquè si disposem d’una superfície fotovoltaica de 8 m2 amb un rendiment del 15%, la potència que n’obtenim sota condicions estàndards de radiació (1.000 W/m2) i temperatura (25ºC) és precisament el límit permès per l’organització, 1.200 Wp.

Muntatge de les cèl·lules. S’observa la diferent curvatura de la carcassa superior on van muntades.

Si s’instal·len cèl·lules de major rendiment, assolint la mateixa potència permesa de 1.200 W, es pot reduir la superfície total de les cèl·lules, de manera que tenim un cotxe de dimensions i pes més reduïts. En aquest sentit, val a dir que el límit de potència de 1.200 Wp introduït en la Sunrace es fa per limitar d’alguna manera la velocitat dels vehicles participants, atès que la majoria de vehicles circulen gran part del temps a velocitats pròximes a la màxima permesa en les carreteres australianes (110 km/h) i en trànsit obert. Altres curses com la WSC en limiten només la superfície de cèl·lules i no la seva potència.

Zona amb molta curvatura, camps 3 i 2 Zona amb poca curvatura, camps 4 i 1

41

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 42

6.3.2.1 Camps fotovoltaics El següent pas ha estat la distribució de les cèl·lules sobre la superfície habilitada a aquest efecte, i la divisió del conjunt en camps o conjunts de cèl·lules més semblants, que treballaran de manera independent.

Aquesta divisió en camps fotovoltaics és necessària perquè la geometria de la carcassa superior fa que una cèl·lula pugui rebre en un moment determinat una irradiació molt diferent en funció de la seva localització. Com que és molt difícil l’optimització del conjunt global, se separa en grups més homogenis i s’optimitza per separat. La definició dels camps ve determinada pel fet d’intentar agrupar cèl·lules que tenen una orientació comuna o bé que en cada moment treballaran totes sota les mateixes condicions d’irradiació.

Amb aquest criteri s’ha dividit la superfície total fotovoltaica en quatre camps. Els camps 2 i 3 són els que tenen més inclinació, cada un amb un sentit, i l’1 i el 4 són més plans i, en principi, amb unes condicions de treball més semblants. Cada un d’ells està format per 616 cèl·lules connectades en sèrie. Tots quatre estan en configuració paral·lela respecte del motor i les bateries, i cadascun d’ells està regit per un regulador, el qual n’optimitza la seva producció en funció de la intensitat de radiació incident, de manera independent a les condicions que s’estiguin donant en els altres tres camps.

Configuració dels camps fotovoltaics: - Número de cèl·lules per camp: 616 - Camps 1 i 4 formats per 22 ristres de 28 cèl·lules - Camps 2 i 3 formats per 10 ristres de 28 cèl·lules i 16 ristres de 21 cèl·lules S’anomena ristra a una cadena de cèl·lules connectades en sèrie. La connexió es realitza mitjançant dues cintes de coure platejat que posen en contacte la superfície frontal d’una cèl·lula (pol negatiu) amb la superfície posterior (pol positiu) de l’adjacent. Aquest contacte mitjançant dues cintes és redundant, si bé és d’utilitat ja que assegura la conducció elèctrica fins i tot en el cas que una cèl·lula es trenqui i quedi partida en dues meitats.

Exemple de ristra de cèl·lules solars en sèrie.

42

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Página 43

Aquest tipus de connexió requereix d’una separació entre cèl·lules adjacents d’uns dos mm, l’espai per a passar-hi les connexions i permetre alhora una certa expansió tèrmica.

En tota la superfície hi ha dos tipus de ristres, les de 21 cèl·lules i les de 28. Les de 21 cèl·lules es reparteixen entre els camps 2 i 3, i corresponen a les superfícies laterals més estretes situades a banda i banda de la cabina del conductor. Un camp està format per la connexió en sèrie de totes les ristres que el formen, per tant, un camp és un conjunt de cèl·lules connectades totes elles en sèrie.

La definició dels camps s’ha realitzat seguint també criteris elèctrics.

Atès que la configuració escollida per als reguladors és d’step-down, cal que cada camp entregui la potència generada a una tensió superior a la tensió de càrrega de les bateries (230 V), més un marge d’uns 10 V per permetre la petita caiguda de tensió en el regulador. D’aquesta manera, s’ha trobat que en condicions estàndards d’irradiació (1.000 W/m2) i temperatura (25ºC), la tensió quan el camp treballa en el seu punt de màxima potència és de 310 V, i que en les condicions de treball més desfavorables previstes, i estimades en una temperatura de cèl·lula de 60ºC, la tensió del camp que treballa en el nou punt de màxima potència és de 258,5 V. Queda doncs garantit, inclòs en el cas previst més desfavorable, la condició fixada per al mínim de tensió exigible.

6.3.2.2 Díodes de protecció Per una banda, el fet de disposar d’un nombre elevat de cèl·lules connectades en sèrie permet treballar a una tensió elevada i reduir-ne la intensitat. D’aquesta manera es minimitzen les pèrdues per efecte Joule. Per altra banda, això requereix que totes les cèl·lules de la cadena siguin el màxim d’iguals possible, ja que en estar totes connectades en sèrie el rendiment de tot el conjunt queda condicionat pel rendiment de la més desfavorable.

En aquesta situació, la cèl·lula defectuosa pot arribar a polaritzar-se inversament i aleshores es veu obligada a dissipar la potència generada per les altres cèl·lules de la sèrie. És a dir, la defectuosa es comporta com una càrrega per a les altres. Si aquesta situació s’allarga en el temps, la cèl·lula pot arribar a escalfar-se per sobre la seva temperatura límit (85ºC), fet que pot arribar a malmetre definitivament la cèl·lula i a obrir la sèrie. Per a impedir-ho, s’acostuma a situar en antiparal·lel amb cada ristra un díode, de tal manera que quan aquestes es 43

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 44

Exemple de ristra de cèl·lules solars en sèrie.

polaritzen inversament el díode ho fa positivament. Això proporciona un camí fàcil de pas per al corrent degut a les altres cèl·lules del generador, i limita la màxima potència a dissipar per una cèl·lula a la generada únicament per les que composen el seu grup.

Habitualment, en un mòdul convencional de 36 cèl·lules se situa un díode de pas per cada 18 cèl·lules, però atès que en el nostre cas es disposa de ristres de 21 i de 28 cèl·lules, s’ha col·locat un díode de pas per cada ristra. D’aquesta manera s’evita la possibilitat que el rendiment del camp caigui notablement a causa una cèl·lula defectuosa.

Els díodes de pas emprats en cada una de les 96 ristres del vehicle són Schottky de 3 A i 40 V de tensió de ruptura, valors suficients ja que el corrent màxim circulant per un camp és d’1 A i la tensió d’una ristra de 28 en curtcircuit no serà en cap cas superior als 17 V. Aquests díodes tenen una caiguda de tensió en conducció molt baixa que en minimitza les pèrdues en cas de conducció.

6.3.2.3 Encapsulat de les cèl·lules L’encapsulat o recobriment escollit per a protegir les cèl·lules ha estat lleuger i força simple en la seva realització. Després d’estudiar i valorar les dificultats de l’opció d’un encapsulat més rígid a base de dues capes de recobriment de polivinil (Tedlar), opaca la de darrera i transparent la de davant, es va optar per realitzar un encapsulat consistent en una simple capa de vernís de poliuretà transparent, aplicat directament sobre la superfície de les cèl·lules amb un gruix d’unes desenes de micres.

Per una banda, aquesta capa ha de protegir les cèl·lules contra els efectes externs com l’aigua, però el seu poc gruix les deixa força desprotegides contra possibles impactes fortuïts que podrien arribar a trencar-ne alguna. Per altra banda, el seu gran avantatge radica en el

Incorporació d’una petita capa de vernís de poliuretà transparent per protegir les cèl·lules.

44

despertaferro.qxd

Resultat final obtingut en el Despertaferro.

17/5/2005

17:16

Página 45

fet que el seu poc gruix permet una molt bona refrigeració de la cèl·lula, cosa que millora el seu rendiment. És conegut l’efecte negatiu sobre el rendiment de la cèl·lula, que sofreix l’augment de temperatura.

Concretament s’estima que per cada 10ºC d’augment de la temperatura de la cèl·lula, el seu rendiment disminueix en un 0,6%. Un altre avantatge de l’opció de recobriment de capa fina és que en cas de trencament d’alguna cèl·lula, la capa prima de vernís ens permet la substitució només de la cèl·lula malmesa. Abans d’aplicar-se el vernís, cada una de les cèl·lules ha estat enganxada i fixada directament a la superfície del vehicle.

Aquest vernís de poliuretà és el mateix que es fa servir en el món de l’automoció per a recobrir la pintura del xassís dels vehicles, que dóna a la superfície una certa brillantor i també una protecció contra rallades de la pintura.

6.3.2.3 Reguladors MPPT Els reguladors amb funció de cercador del punt de màxima potència converteixen la tensió de treball del camp fotovoltaic a la tensió de càrrega de les bateries, i a més busca en cada moment quina és la tensió de treball del camp en la qual s’aprofita la màxima potència del sol (funció també anomenada Maximum Power Point Tracker). Aquesta conversió de tensió és descendent, és a dir, la tensió de càrrega de les bateries sempre és inferior a la tensió de treball del camp. Aquesta configuració es va triar perquè en cas d’avaria del regulador sempre hi ha l’alternativa de connectar directament el camp a les bateries, de manera que malgrat que aquest no treballi en condicions òptimes de funcionament, pot anar carregant en certa mesura. Aquesta alternativa no sempre és possible en el cas de convertidors elevadors de tensió, ja que sempre que la tensió de càrrega de la bateria és superior a la tensió de circuit obert del camp no es pot establir cap flux de les cèl·lules cap a les bateries.

45

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 46

Hi ha un regulador per cada un dels quatre camps, i tots quatre són iguals ja que també ho són els camps. La tensió d’entrada del regulador pot variar dins el rang comprés entre 230 i 370, si bé el rang dins del qual s’estableix el seguiment del punt de màxima potència és el comprès entre 230 i 315 V. Aquest rang té en compte tots els valors de funcionament del camp per a totes les condicions d’intensitat de radiació previstes. La tensió de sortida pot variar en el rang de valors compresos entre 220 V (tensió de flotació de les bateries) i 230 V (tensió de càrrega).

Aquest regulador no incorpora la funció de desconnexió per sobrecàrrega de bateries, ni en fa el seguiment de càrrega. Això és així perquè aquesta funció pot arribar a complicar en gran part el disseny del regulador, essent a més poc necessària ja que una sobrecàrrega de bateries és altament improbable quan es tracta d’alimentar un vehicle solar durant una cursa. Sí incorpora, però, una funció que detecta quan el vehicle s’ha aturat sota el sol (per augment de tensió de bateries), essent programable un temps a partir del qual la tensió de bateries baixa en esglaó de 230 a 220 (tensió de flotació) per evitar-ne la sobrecàrrega.

Igualment un polsador permet avançar la càrrega a fons de les bateries encara que el vehicle estigui aturat, passant la tensió de bateries de 220 a 230 V. Una sortida per LED en cada regulador permeten visualitzar el funcionament de cada camp des de la posició del conductor.

El vehicle electrosolar Spirit of Canberra.

6.3.2.4 Cèl·lules dels altres vehicles Les diferències que podem trobar entre el Despertaferro i els altres vehicles electrosolars existents, pel que fa a cèl·lules solars i reguladors, són principalment de qualitat, i per tant d’eficiència. Això significa que pràcticament tots els vehicles utilitzen avui cèl·lules de silici monocristal·lí, però amb uns rendiments que van fins al 24%. El cost d’un generador fotovoltaic de 8 m2 de cèl·lules d’alt rendiment es pot suposar igual al cost total de fabricació del Despertaferro.

46

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 47

El tipus de cèl·lules solars fotovoltaiques més extensament usade són, sens dubte, les de silici (Si). Només un altre tipus de cèl·lules, les de gal·li - arsènic (GaAs) va ser emprat en passades edicions de les curses solars (WSC de 1987 i 1990). Les cèl·lules de GaAs, aleshores, gaudien d’una eficiència una mica superior a les de Si, i a més presentaven l’avantatge d’un menor efecte de la temperatura sobre el rendiment de la cèl·lula. Des de 1987, però, la tecnologia del Si ha avançat molt i avui es pot dir que les cèl·lules de Si són les que tenen un major rendiment, havent-se reduït també els efectes negatius de la temperatura sobre el seu rendiment.

Les cèl·lules de Si existeixen en tres variants constructives: les monocristal·lines, les pol·licristalines i les de Si amorf. Actualment, les cèl·lules de Si monocristal·lí són les més usades ja que de les tres variants són les que tenen un major rendiment. De fet, l’avenç produït en els darrers anys en matèria de cèl·lules monocristal·lines està molt relacionat amb l’aparició de les competicions de vehicles solars, essent aquestes un magnífic camp de proves per a les noves cèl·lules.

Així, els millors vehicles solars del moment usen l’última generació de cèl·lules monocristal·lines d’alt rendiment com són les anomenades PERL (Passivated Emitter and Rear Locally-diffused, rendiment de fins a 24,5%) o les BCSC (Buried Contact Solar Cell, rendiment de fins a 20%), creades especialment per la WSC en la UNSW (University New South Walles, Sydney).

6.3.2.5 Cèl·lules monocristal·lines La cèl·lula BCSC (Buried Contact Solar Cell o cèl·lula solar de contactes enterrats), com alternativa a la cèl·lula convencional, té una estructura que permet assolir rendiments superiors al 20%. Aquest avantatge sobre la cèl·lula monocristal·lina convencional es pot explicar a través dels punts següents: • Els contactes metàl·lics de la part superior poden arribar a ser fins a deu vegades més prims que el gruix d’un cabell humà, amb gran part del contacte enterrat sota la superfície lliure de la cèl·lula. Això redueix les pèrdues per ombres provocades pels contactes sobre la superfície útil de la cèl·lula.

• Atès que els contactes metàl·lics, la funció dels quals és la de recol·lectar els electrons alliberats per l’efecte fotoelèctric, són molt més prims, poden estar molt més junts, fet que redueix la resistència interna de la cèl·lula i en millora el rendiment.

• Per a permetre un bon contacte entre el silici i el metall, en la cèl·lula convencional és necessari dopar fortament la superfície superior de la 47

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 48

cèl·lula amb impureses (assenyalades amb n++ en la figura 2.3.6.1 (a)). En una cèl·lula normal això produeix una capa morta al llarg de tota la superfície que absorbeix la llum blava i en redueix la seva eficiència. En la BCSC aquest problema es minimitza perquè només les incisions estan fortament dopades, essent la resta de la superfície lliure d’impureses.

• Els contactes en la BCSC estan realitzats amb coure en lloc de plata, fet que redueix els costos en material. ❙!Cèl·lula monocristal·lina BCSC. ❙❙!Cèl·lula monocistal·lina convencional.

La nova generació de cèl·lules, les PERL, va ser el primer dispositiu fotovoltaic de silici en demostrar eficiències de més del 23% (any 1990). Des d’aleshores, les millores introduïdes en el procés de fabricació ha permès arribar a l’actual rendiment del 24,4%.

La cèl·lula PERL incorpora millores de disseny que totes elles sumades expliquen aquest avantatge sobre les altres: • La cèl·lula està feta amb un cristall de silici molt pur, ja que els defectes o impureses poden afectar el seu rendiment.

• La superfície superior té una textura en forma de piràmides invertides, fet que redueix la reflexió de la radiació incident. A més, una doble capa de recobriment antireflectant s’aplica sobre la superfície frontal per tal de millorar-ne l’efecte. Per minimitzar l’ombra en la superfície superior, els contactes són més prims que un cabell humà. Això permet tenir els contactes més junts i reduir la resistència interna de la cèl·lula.

Secció esquemàtica de la cèl·lula monocristal·lina PERL.

48

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 49

• Sobra les superfícies superior i inferior de la capa de silici s’hi aplica una capa molt prima d’òxid de silici. Les superfícies es comporten com defectes en els cristalls i poden reduir-ne el rendiment. La inclusió d’aquesta capa d’òxid redueix aquest efecte negatiu i, per tant, en millora el rendiment. Aquesta tècnica es coneix amb el nom de passivation (d’aquí el nom de passivated emitter).

• Per millorar el contacte elèctric entre el silici i el metall i minimitzar la resistència sèrie de la cèl·lula, unes petites àrees properes a cada un dels forats estan fortament dopades (d’aquí el nom de locally diffused).

6.3.2.6 Cèl·lules policristal·lines i de silici amorf Ambdós tipus de cèl·lules han estat molt menys emprades en vehicles solars que les monocristal·lines, i es pot dir que actualment han estat quasi totalment apartades per aquestes últimes. Les cèl·lules policristal·lines tenen un rendiment de com a màxim el 12 o 13%, i fa uns quants anys no era estrany trobar vehicles amb aquestes cèl·lules que, per altra banda, són força més econòmiques que les monocristal·lines.

Només un participant en els cinc anys d’història de la WSC ha estat capaç d’acabar la cursa usant cèl·lules de Si amorf. Aquest tipus de cèl·lules té rendiments inferiors al 12%, amb l’agreujant que aquest rendiment disminueix amb el temps a causa de la degradació progressiva de la cèl·lula d’estructura amorfa. Aquest últim tipus de cèl·lules, si bé són força més econòmiques que les monocristal·lines, no són una bona opció per a un vehicle solar.

6.3.3 Les bateries Malgrat que les bateries no són estrictament necessàries per al funcionament del vehicle solar, la possibilitat d’emmagatzemar energia en condicions favorables per a la seva posterior utilització en condicions no tan favorables fa que les prestacions del vehicle millorin notablement.

Conjunt de bateries d’un vehicle solar.

49

Les bateries permeten una aportació addicional d’energia en situacions en què aquesta es fa necessària, com per exemple a l’hora de superar un pendent, de fer un avançament o bé quan momentàniament el sol deixa de lluir sobre el vehicle. Tanmateix, cal diferenciar aquesta acumulació d’energia respecte de la que té un vehicle purament elèctric. En un vehi-

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 50

cle solar, la major part de l’energia prové directament de les cèl·lules, per la qual cosa les bateries esdevenen elements que permeten una certa flexibilitat en el seu funcionament. En un vehicle elèctric, les bateries són l’única font d’energia i, per tant, la capacitat d’acumulació ha de ser molt superior.

Amb les bateries s’introdueix també el concepte de tàctica durant una cursa; amb això volem dir la correcta gestió de l’energia per tal d’efectuar el recorregut de cada etapa amb el menor temps possible i amb una despesa energètica assequible per al vehicle. Cal decidir, doncs, en cada situació quina ha de ser la velocitat del vehicle -el consum- en funció de l’energia generada per les cèl·lules i de l’energia disponible a les bateries. Sense bateries, l’única tàctica possible és circular en cada moment, i com a màxim, a la velocitat que permeti la radiació solar incident.

L’elecció de les bateries del Despertaferro estava supeditada, en primer lloc, a les regulacions de la Sunrace 2000. Segons aquesta normativa, les bateries han de ser estanques, recarregables i en conjunt no superar els 2.500 VAh (producte de la tensió total en V per la capacitat total en Ah a les 20 h). Si bé és possible triar entre qualsevol tecnologia, es defineix un pes total per al conjunt del sistema d’acumulació que en tots els casos és de 62,5 kg i de 64 kg en el cas de les bateries de Pb/àcid. Aquest pes total s’assoleix mitjançant un llast (pes afegit) en el cas que sigui necessari. D’aquesta manera, les possibilitats es resumeixen a la taula següent: TIPUS

Densitat (Wh/kg)

Pes màx. Bats. (kg)

Llast (kg)

Pb/àcid

40

64

0

Ag/Zn

125

20

42.5

Li/Ió

125

20

42.5

Ni/Zn

66.7

37.5

25

Ni/MH

70

35.5

27

Ni/Cd

50

50

12.5

Taula de les diferents alternatives per a les bateries segons la normativa de la cursa Sunrace 2000.

La normativa referent a les bateries ha anat evolucionant a mesura que les edicions de les diferents curses es succeïen. En els inicis no existia limitació d’energia ni de pes, i les capacitats dels sistemes d’acumulació dels vehicles anaven de 2 a 11 kWh. En la WSC del 1990 s’introduí el límit de 5 kWh, i en l’edició de 1996 aquest límit es traduí a un límit de pes, atès que és més fàcil determinar el pes d’un conjunt de bateries que la seva capacitat. Així, per cada tecnologia d’acumuladors existia un pes 50

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 51

màxim permès, tenint avantatge aquells vehicles que usaven bateries de més densitat d’energia (més Wh per cada kg d’acumulador), com per exemple aquells que empraven bateries de Ag/Zn. En la Sunrace, la normativa sobre bateries difereix de la de la WSC en què el límit màxim d’energia permesa és de 2.500 Wh i també en què s’elimina l’avantatge de disposar de bateries amb major densitat d’energia perquè, sigui quina sigui la tecnologia d’acumuladors emprada, existeix un únic pes límit al qual s’hi arribarà, si cal, tot afegint un llast al vehicle. El motiu de la primera limitació, a l’igual que en el límit establert sobre la potència màxima de cèl·lules, és el de reduir o mantenir la velocitat dels vehicles participants dins els límits permesos, mentre que el motiu per a la segona norma rau en el fet de voler equiparar les prestacions de tots els vehicles amb independència del pressupost disponible per a adquirir les bateries, tot fomentant la diferenciació entre els vehicles en les millores introduïdes en altres camps com ara l’aerodinàmica, el rendiment elèctric, etc.

Només es permet la càrrega de les bateries mitjançant les cèl·lules del vehicle, i aquesta es pot fer des del matí fins al capvespre. És motiu de desqualificació la recàrrega mitjançant altres fonts, i el seu reemplaçament durant la cursa, en cas de ser necessari, és durament penalitzat.

Un altre condicionant fou la tensió d’alimentació del regulador del motor, la qual no pot ser mai inferior a 150 Vcc. Per sota d’aquest valor, el correcte funcionament del motor no queda garantit. Altres aspectes considerats són la vida útil de les bateries, la seva ubicació per a una correcta ventilació i també el seu cost.

Amb totes aquestes consideracions, el sistema finalment emprat va ser el següent: Bateries de Pb/àcid, que estan disponibles en moltes capacitats.

51

• 16 bateries YUASA NP12/12 de Pb/àcid estanques, sense manteniment de 12 V i 12 Ah (capacitat a les 20 h).

• Layout: 16 bateries connectades en sèrie.

• Tensió nominal conjunt: 192 V. • Energia total: 2304 Wh (192 V x 12 Ah).

• Pes total: 64 kg.

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 52

Les bateries de plom/àcid, malgrat ser les que tenen una pitjor densitat energètica, tenen un comportament prou robust pel que fa a nombre de cicles de càrrega/descàrrega, així com d’eventuals sobrecàrregues o descàrregues excessives. El seu estat de càrrega és fàcilment estimable mitjançant una simple mesura de tensió entre terminals, i per a aplicacions de tracció són les més esteses encara que el seu rendiment és més baix que el d’altres tipus. Les bateries de plom/àcid són econòmicament les més assequibles.

Les bateries estan repartides i situades a banda i banda del conductor, en uns calaixos especialment dissenyats per allotjar-les. La seva refrigeració queda assegurada pel corrent d’aire que, en avançar el vehicle, entra pels faldons de les rodes davanteres.

Any 1987

1990

1993

1996

1999

Núm. cotxes Pb/àcid

Ag/Zn

Ni/Cd

Ni/Zn

Li/Ió

NiMH

1

-

-

-

22

11

10

Top 6

1

5

36

18

14

-

4

-

-

Top 6

1

5

-

-

-

-

52

23

17

-

12

-

-

Top 6

1

4

-

1

-

-

46

25

13

2

5

1

-

Top 6

1

5

-

-

-

-

40

20

5

-

2

9

4

Top 6

-

2

-

-

3

1

Taula resum dels diferents tipus de bateries emprades en els vehicles solars de passades edicions de la World Solar Challenge.

En la taula anterior apareixen les diferents bateries dels vehicles participants en passades edicions de la World Solar Challenge. En aquesta cursa no existeix un pes fixat per al conjunt de bateries (no s’utilitza el sistema del llast), i només es limita la capacitat a 5.000 VAh. Per a cada edició es desglossa el nombre total de participants així com els sis primers classificats.

De l’estudi d’aquesta taula es pot veure que durant aquests anys, les bateries de Ag/Zn han tingut una important presència entre els vehicles que han ocupat les primeres posicions, situació de la que sembla estan essent desplaçades per la nova tecnologia de les bateries de Ió52

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 53

Liti. Aquestes últimes estan experimentant una gran evolució en els darrers anys, i actualment es pot dir que tenen una densitat energètica lleugerament millor que les de Ag/Zn, tenen un cost que és aproximadament una tercera part del cost de les Ag/Zn i a més tenen una vida útil més llarga. Cal destacar també la presència de les bateries de Pb/àcid que, malgrat tenir una eficiència inferior a les altres, han permès a alguns vehicles ser realment competitius. Aquest tipus de bateries segueixen essent, encara avui en dia, de les més utilitzades.

Altres tecnologies emprades per aquests vehicles són les de Ni/MH (níquel-hidrurs metàl·lics), les de Ni/Zn, i en menor mesura, les de Ni/Cd. Aquestes últimes, malgrat són l’alternativa alcalina tradicional a les de plom-àcid no han tingut gaire èxit entre els vehicles solars. En el seu lloc s’han emprat les de Ni/Zn, d’una major densitat energètica, encara que aquestes també han anat perdent força. Amb una densitat encara major trobem les de Ni/MH, sorgides en els darrers anys com a alternativa a les de Ag/Zn, encara que amb menor densitat i major cost que les de Ió-Liti. En la darrera edició de la WSC, el Radiance (vehicle canadenc) va acabar en segona posició utilitzant bateries de Ni/MH. Evolució de l’ús de les diferents tecnologies de bateries en la WSC (1987 i 1999).

53

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 54

6.3.4 Motor elèctric Quan parlem de motor elèctric, ens referim a l’element que és capaç de transformar l’energia elèctrica que rep en el moviment circular del seu eix, i mitjançant una sèrie d’elements intermedis acaba transformant-se en el moviment de la roda i, per tant, del cotxe.

6.3.4.1 - Motor elèctric del Despertaferro El Despertaferro va ser dissenyat per participar en un cursa i, en aquest cas, no existia cap normativa que afectés el motor, així que aquest va ser triat mitjançant una sèrie d’exigències que va fixar l’Equip Mediterrani: 1. Eficiència del motor molt elevada per tal de perdre la menor part d’energia.

2. Pes del motor baix per a disminuir el pes global del vehicle.

3. Parell motor suficient per a moure el Despertaferro a una velocitat elevada.

4. Motor de fàcil comandament per tal de facilitar la tasca de conducció.

5. Possibilitat de fer treballar el motor com a generador en el moment de la frenada per tal de recuperar l’energia que habitualment es desaprofita en forma de calor als frens.

6. Manteniment del motor mínim.

7. Volum petit.

8. Cost baix.

Imatge de la família de motors Brushless AC de la casa Mavilor.

54

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 55

D’aquesta manera, mitjançant aquests paràmetres, es van anar eliminant possibilitats de motors, bé per pèrdues massa elevades, per pesos excessius o per altres raons com poden ser les econòmiques; i es va decidir col·laborar amb un fabricant de motors català que ens cedia el motor i controlador que més ens interessés de la seva gamma de productes. Finalment l’Equip Mediterrani es va decidir per un motor Brushless AC, funcionament del qual parlarem més endavant.

El motor que incorpora el Despertaferro és el model MA-55 del fabricant Mavilor, i les seves característiques tècniques són: Característiques Velocitat màxima Parell a rotor bloquejat Corrent a rotor bloquejat

Fotografia dels reguladors electrònics Infranor que controlen els motors Mavilor.

55

Símbol

Unitats

MA-55

N

Rpm

6.000

Ms

Nm

31,8

Is

A

32,7

Parell màxim

Mj

Nm

190,8

Relació parell pes

Tw

Nm/Kg

1,9

Constant FEM

Ke

Vs/rad

0,6

Constant de parell

Kt

Nm/A

1,0

Parell de reluctància

Tr

Nm

<0,6

Resistència de bobina

R

Ω

0,2

Inductància de bobin

L

MH

1,9

Inèrcia

J

Kgm2103

3,60

Constant de temps mecànica

tM

ms

1,6

Constant de temps elèctrica

tE

ms

7,6

Constant de temps tèrmica

tTH

s

1.500

Resistència tèrmica

Rth

ºC/W

0,2

Pes

M

Kg

16,8

Càrrega eix radial

Fr

N

830

Càrrega eix axial

Fa

N

410

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 56

Situació del motor dins del bastidor del Despertaferro.

motor elèctric

Imatge del muntatge del motor.

En les imatges següents s’il·lustra la integració del motor dins el vehicle. Com es pot observar es va incorporar una reducció en la transmissió que permet més suavitat en el consum i més facilitat a l’hora de superar pendents elevats.

56

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 57

6.3.4.2 Motors elèctrics dels cotxes solars De motors elèctrics se’n poden trobar de molts tipus diferents, cadascun amb una sèrie de característiques que el fan més o menys adient per a determinades aplicacions.

Esquema d’un motor elèctric de corrent continu ❖

Esquema del motor de corrent continu amb escombretes ❖❖

En el cas que ens ocupa, el primordial és trobar un motor que malgasti la menor quantitat d’energia possible, ja que el que interessa és treure el màxim profit de l’energia que ens proporcionen les cèl·lules solars. D’aquesta manera, ens referirem a un motor amb un rendiment elevat quan la diferència entre l’energia que li proporcionem i l’energia que aquest transforma en moviment és petita. L’equació que calcula el rendiment del motor és la següent:

Centrant-nos doncs en aquells motors que podem trobar normalment al mercat, i que poden ser idonis per a un cotxe solar, en caldria destacar tres models: • Motors sense escombretes o motors brushless La principal característica dels motors brushless és la que precisament el seu nom indica: sense escombretes, ja que eliminen gairebé tots els problemes dels motors d’escombretes (de corrent continu). Aquests problemes tot sovint se centren en el manteniment de les escombretes, que no són més que un element que contínuament es manté en fregament entre la part mòbil i la part fixa del motor.

A més, cal destacar que l’eliminació de les escombretes implica eliminar un fregament mecànic i, per tant, contribuir a una millora del rendiment del motor. Un avantatge més d’aquest tipus de motors és que, 57

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 58

avui en dia, són molt utilitzats en el món de les màquines-eina i l’automatització, on una de les premisses imprescindibles és la robustesa dels seus elements.

Tot seguit podem veure unes imatges que ens deixaran clar de quina manera estan fets els dos tipus de motors brushless que existeixen, i explicarem per sobre el seu funcionament.

Els motors brushless es poden dividir en dos grans grups, els coneguts com AC brushless i els coneguts com DC brushless. Com el seu nom indica, els primers tenen un funcionament que recorda els motors de corrent altern, ja que els debanats o conductors de l’estator es troben distribuïts uniformement al llarg d’aquest.

Pel que fa als DC brushless, els debanats de l’estator es troben en uns punts determinats, en lloc d’estar distribuïts. Veiem-ho:

❙ Motor DC brushless.

❙❙!

Motor AC Brushless.

Com podem veure, el seu funcionament és bastant simple, ja que en el moment en què són alimentats els debanats de l’estator, aquests creen un camp magnètic que atrau els imants del rotor i fa que aquest giri.

En el cas de motor AC brushless, el que podem veure és que el camp magnètic és creat no per un sòl debanat, sinó per una zona de l’estator pel fet que, com hem dit, els seus debanats es troben distribuïts.

Cal dir que ambdós models acostumen a fer-se servir en el món de la indústria i per aquest motiu, tot i treballar internament amb corrent continu, es troben preparats per a ser alimentats amb corrent altern.

D’aquesta manera, com que el corrent generat per les cèl·lules solars és continu, en cas d’utilitzar un motor d’aquest tipus, caldrà eliminar el conversor altern/continu (pont rectificador de díodes) que es troba a l’entrada del circuit elèctric.

58

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 59

• Motor d’inducció El motor d’inducció, tot i tenir unes característiques de treball prou bones per a utilitzar en els cotxes solars, presenta de bon principi l’inconvenient de ser un motor de corrent altern. En aquest cas parlem d’inconvenient per la necessitat de convertir el corrent continu que generen les cèl·lules solars i que s’emmagatzema a les bateries, en corrent altern abans d’entrar al motor. Un conversor de corrent continu a corrent altern sempre genera unes pèrdues que impliquen una pèrdua de rendiment del conjunt elèctric del vehicle.

El motor d’inducció té un funcionament molt similar a l’AC brushless, ja que el camp elèctric es genera mitjançant els debanats de l’estator que hi ha distribuïts, tot i que el seu rotor no es troba format per imants, sinó que conté els seus propis debanats que creen un altre camp magnètic atret pel primer.

Veiem un petit esquema del motor d’inducció per a fer-nos una mica més a la idea de com funciona: Motor d’inducció.

59

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 60

6.4 Instrumentació i telemetria Un cop descrits els elements elèctrics que fan possible la utilització de l’energia solar per a moure el vehicle, és moment de veure com es controla el Despertaferro; és a dir, de quins instruments disposa el pilot per a conduir amb unes condicions mínimes de seguretat i confort.

Pel fet que es tracta d’un vehicle en què la base del seu funcionament és la gestió de l’energia, veurem també quins elements ens facilita la informació de consums i com es pot regular l’energia disponible.

6.4.1 Instrumentació Tots els vehicles que podem trobar circulant per les carreteres disposen d’una sèrie d’aparells, en alguns dels casos obligatoris, que serveixen perquè el conductor tingui informació de velocitat i consums, i també elements indicadors com per exemple els intermitents. El Despertaferro, com a vehicle homologat per a la conducció en carretera, disposa dels aparells habituals en la resta de vehicles del parc mòbil estatal.

Tots aquests dispositius funcionen amb alimentació de 12 V, provinents d’una bateria auxiliar que és independent de l’energia de cèl·lules solars i del banc de bateries de potència del Despertaferro.

Aquests dispositius els podem diferenciar segons si són obligatoris per complir les regulacions de la cursa o simplement són necessaris per a la conducció: Elements obligatoris • Intermitents • Intermitents d’emergència • Clàxon • Llum de fre • Interruptors de seguretat, per a tallar el subministrament elèctric • Cinturó de seguretat

Manillar del Despertaferro, amb el clàxon (blau), intermitents (vermell).

Com a peculiaritats podem dir que la llum de fre no només s’activa quan pitgem el fre manual, sinó que també s’encén quan s’està frenant amb el fre regeneratiu de motor. Pel que fa als interruptors de seguretat, s’ha utilitzat material elèctric convencional com són els interruptors magnetotèrmics. Aquests elements ens protegeixen de sobrecorrents i alhora serveixen per activar-desactivar la línia elèctrica de potència, funcionant com a interruptors generals. En podem trobar dos que estan a l’abast del pilot, i uns altres dos que estan a l’abast de l’equip 60

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 61

tècnic del vehicle, per si el pilot no és capaç de desactivar-los, per exemple en cas d’accident o avaria.

Com es pot veure a la fotografia, el Despertaferro es comanda amb un manillar molt semblant al d’una motocicleta.

Altres elements • Maneta de gas • Canvi de sentit de gir (marxa enrere-fre motor o regeneratiu) • Velocímetre • Sensors de temperatura • Amperímetre de cèl·lules solars • Amperímetre de motor • Mesurador d’estat de càrrega de bateries • Caixa d’interruptors de control i LED de funcionament de cèl·lules solars Tots aquests elements han d’estar a l’abast del conductor, perquè cal disminuir al màxim que el pilot desviï la vista de la carretera i, per tant, pugui patir algun accident.

Vista general de la posició de conducció del pilot.

61

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 62

La maneta del gas té el funcionament igual que el d’una moto, però amb la peculiaritat que no estira d’un cable, sinó que porta un potenciòmetre lineal acoblat, i en girar-lo variem la resistència d’aquest. En variar la tensió de consigna de velocitat, el motor intenta adaptar-se a la nova velocitat demanada i actua accelerant.

A la caixa d’interruptors hi podem trobar els controls més importants, per exemple, podem decidir si la maneta de gas farà de consigna de parell o de velocitat. Normalment, però, el cotxe es farà funcionar amb consigna de parell, ja que s’ha demostrat que el consum és més controlable, i això és molt important. També hi ha l’interruptor que engega el motor i el driver d’aquest.

El velocímetre que s’ha utilitzat és un aparell típic de bicicleta de muntanya, muntat a la roda del darrere.

S’ha incorporat també quatre LED, un per a cada camp de cèl·lules solars. Mitjançant aquests LED es pot saber si les cèl·lules estan funcionant correctament; és a dir, si estan generant energia.

Els amperímetres serveixen al pilot per a saber quanta energia s’està rebent de cèl·lules solars o quanta s’està consumint per part del motor; estan situats als peus del conductor. I el mesurador de bateries està situat a sobre de la caixa d’interruptors, molt a l’abast del conductor.

Per acabar, també hi ha l’interruptor que serveix per donar tensió a tots els instruments que s’alimenten de la bateria auxiliar.

62

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 63

6.4.2 El mesurador de bateries El mesurador de bateries capta la tensió del banc de bateries i la intensitat que hi circula; per tant és un element importantíssim ja que sabrem si, malgrat que les cèl·lules subministrin energia al motor, en fa falta més (que la subministra la bateria) o, per contra, ens en sobra i s’estan carregant les bateries.

Mesurador de bateries, radiomòdems i ordinador portàtil.

Una altra dada molt important que ens dóna el mesurador de bateries és el consum mitjà que s’està obtenint de bateries, en forma d’ampers per hora (Ah). Com que la capacitat en Ah és una dada coneguda, es pot fer una aproximació de l’energia que resta disponible dins les bateries segons el règim de funcionament actual. Però el més important del mesurador de bateries és que té una sortida RS-232, que s’ha connectat a un ràdio-mòdem que porta incorporat el Despertaferro. Les dades que va generant el mesurador de bateries es van enviant a un ordinador portàtil que es troba situat al cotxe de suport del davant. Per tant, des del cotxe de suport es van rebent i visualitzant les mateixes dades que el conductor té en pantalla en el mesurador de bateries. Això facilita molt la gestió de l’energia disponible. Durant la cursa es disposava dels pendents de la carretera i es podien realitzar càlculs per saber amb certa fiabilitat com s’havien d’afrontar els quilòmetres següents.

També cal destacar que el pilot està en tot moment en contacte amb el cotxe de suport gràcies a uns aparells de radioafeccionat, mitjançant el qual pot rebre instruccions o comentar el funcionament del Despertaferro amb la resta de l’equip que es troba a l’altre cotxe.

La resta d’equips de cotxes solars, per norma general, utilitzen un aparell molt més complex, i per tant d’un preu molt més elevat, que s’anomena Datalogger. Aquest equip té vint canals de recepció de dades i permet rebre molta més informació del vehicle. Això possibilita poder saber i entendre molt millor el comportament del vehicle a temps real i, per tant, poder actuar per optimitzar l’energia disponible, sigui solar o emmagatzemada dins de les bateries.

Nota : Malauradament, durant el viatge es va malmetre l’ordinador portàtil i tot el sistema de telemetria es va substituir per la comunicació oral entre el pilot i la resta de l’equip.

63

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 64

6.5 La mecànica d’un vehicle solar 6.5.1 Les rodes Les rodes poden semblar a primer cop d'ull uns elements d’importància relativa en un vehicle solar. Res més lluny de la realitat, ja que les rodes són l'element de contacte del vehicle amb el ferm i, en conseqüència, de l’eficiència que tinguin les rodes per a avançar pel seu medi en dependrà en gran mesura la suavitat en què el vehicle solar es podrà desplaçar. Per tant, les rodes, formades per les llantes i els pneumàtics, són elements de vital importància a l'hora de desenvolupar un vehicle solar d'altes prestacions.

Els principals enemics de les rodes sobre el ferm són dos: la resistència al rodament i la divergència d’ambdues rodes directrius respecte al centre de gir.

• Resistència al rodament És un fenomen físic que existeix sempre, tant si el vehicle està aturat com si està en moviment. El fenomen físic és complex, ja que hi intervenen multitud de variables com poden ser la pressió dels pneumàtics, la càrrega que suporta, el radi de la roda, l’estat del ferm... Però a grans trets, la resistència al rodament és l'esforç que ha de vèncer una roda que no és perfectament rodona per avançar per un ferm que no és perfectament llis.

Aquest esforç es pot reduir augmentant el radi de les rodes, la pressió dels pneumàtics i, sobretot, disposant d'un pneumàtic dur d'alta recuperació elàstica. És per aquesta raó que la majoria de vehicles solars calcen uns pneumàtics d'altes prestacions, els quals tenen un coeficient de rodament molt inferior al dels vehicles convencionals.

A) Roda perfecte en ferm ideal.

B) Roda Real. Es necessita una força Fr per mantenir-la en moviment.

A l'hora de dissenyar el Despertaferro es va optar per pneumàtics d'alt rendiment. Això, però, va comportar un problema addicional prou important: l’elecció del tipus de llantes. La llanta és l'element que suporta el pneumàtic i, per tant, ha de ser compatible amb el pneumàtic que calçarà el cotxe.

El pneumàtic condiciona en gran mesura el tipus de llanta que portarà el vehicle. Existeixen en el mercat llantes de fibra de carboni per a pneumàtics d'alt rendiment, tot i que actualment el mercat és molt limitat i els 64

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 65

preus elevadíssims. Les llantes de fibra de carboni tenen el gran avantatge de ser molt lleugeres, fet que les fa ideals per a un vehicle on el pes és un factor clau.

Al Despertaferro, però, se li van construir llantes especials d'aliatge d'alumini, dissenyades i construïdes expressament per al primer vehicle solar del país.

Les llantes del Despertaferro van ser dissenyades i millorades mitjançant mètodes amb computador d’elements finits per assegurar la seva resistència.

• Divergència respecte al centre de gir de les rodes directrius El segon enemic per a qualsevol vehicle amb rodes per avançar amb suavitat pel ferm (sobretot per a un vehicle d'altes prestacions energètiques) és la divergència que pot existir entre les dues rodes directrius en el moment de girar.

" Llanta davantera del Despertaferro feta d’aleació d’alumini. ' Resultat de la simulació de desplaçaments.

65

Quan un vehicle gira, ho fa al voltant d'un punt teòric, anomenat centre de rotació. Aquest punt és geomètric i no pertany a cap punt físic real. Per a realitzar un gir sense incompatibilitats (de manera suau) les rodes directrius han de girar de manera que l'eix de les dues es tallin en el centre instantani de rotació (figura a). Això implica la necessitat física que les dues rodes girin angles diferents quan s'està realitzant un gir. Si aquest

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 66

fet no es complís es produirien lliscaments entre les rodes directrius i el terra. Això provoca frecs no desitjats, possibilitats d'iniciar derrapades i sobretot contínues pèrdues energètiques (figura b).

Figura a: el vehicle no llisca.

Figura b: el vehicle llisca.

6.5.2 La direcció Per a evitar que les rodes llisquin existeixen dues possibilitats: La primera és tenir una sola roda directriu central, amb la qual cosa s'elimina totalment el problema d'incompatibilitats en el gir; la segona opció és introduir un sistema de direcció amb mecanisme de bieletes que permeti assegurar la correspondència d'angles entre les rodes directrius per a un ampli rang de gir.

El sistema de direcció permet controlar l’orientació del vehicle.

Aquesta funció pot semblar en un principi bastant senzilla, però realment no ho és. La direcció d'un vehicle solar és un cas molt especial, i no es pot pensar en introduir un sistema de direcció importat, d'un vehicle convencional, ja que ni l'espai ni el pes ho permetria. Les solucions a aquesta realitat han estat diverses: incorporar una sola roda directriu, cables o corretges per aconseguir el moviment desitjat...

El sistema, però, que ha demostrat ser més efectiu, robust i fiable és el de transmissió directa del moviment del manillar fins a les rodes a través de bieletes. Aquesta última opció és la que va ser implementada en el Despertaferro, pel qual es va dissenyar un sistema de bieletes formades per tres barres, que s'adaptaven perfectament al reduït espai del vehicle.

La part d'actuació sobre la direcció pot ser un manillar o un volant, independentment de la solució adoptada quant al mecanisme de direcció. No obstant això, la majoria de vehicles compten amb petits 66

despertaferro.qxd

Sistema de direcció i suspensió davantera.

17/5/2005

17:16

Página 67

manillars en els quals s'hi incorporen i s'hi concentren altres funcions a part de la governabilitat del vehicle: frenada, control d’intermitents, connexió amb ràdio, senyal de potència al motor, etc., afavorint així una conducció més segura i sense distraccions.

6.5.3 La suspensió El sistema de suspensió és el conjunt d'elements que s'interposen entre el bastidor i les rodes per tal de realitzar les funcions següents: • Assegurar la comoditat del conductor.

• Aconseguir l'estabilitat del vehicle.

• Esmorteir les vibracions provocades per les irregularitats del terreny, amb l’objectiu de protegir els òrgans del vehicle i els seus passatgers.

Els elements de suspensió han de tenir la suficient capacitat de suportar el pes del vehicle i el dels seus passatgers i, a la vegada, han de ser suficientment elàstics per tal d'absorbir l'energia mecànica produïda per les irregularitats del terreny, amortint el moviment oscil·lant de la carrosseria i mantenint-la estable.

Per a un vehicle solar, a més a més, tenir una suspensió lleugera és, també, una característica especialment important.

67

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 68

A l’hora de parlar de la suspensió, podem distingir entre l’aplicada a les rodes davanteres i l’aplicada a les rodes posteriors.

Pel que fa al primer cas, hi ha diferents possibilitats: per trapezis superposats (és a dir, dos trapezis, que poden ser paral·lels o no entre ells, són els elements que uneixen la barra d’acoblament, que és l’element que suporta l’eix de la roda, amb el bastidor); una altra possibilitat és una suspensió tipus Mcpherson (que és com l’anterior, però el trapezi superior queda substituït per un conjunt molla-amortidor); o bé possibilitats més simples, com ballestes o forquilles de bicicletes.

L’opció triada pel Despertaferro va ser la de trapezis superposats, ja que ofereix una bona relació prestacions-pes i permet trobar punts de direcció compatibles (que permetin que el vehicle no llisqui, com ja s’ha comentat anteriorment).

Si parlem de la suspensió del tren posterior, les configuracions possibles són diferents, ja que, a diferència del tren anterior, aquí disposem d’una sola roda. Així doncs, encara que ens podem trobar amb altres tipus de configuracions, com poden ser sistemes similars a les forquilles de bicicletes o, si hi tenim dues rodes, suspensions similars al tren anterior, el més comú és la suspensió per mitjà d’un basculant tipus motocicleta. Aquesta va ser, doncs, l’opció escollida pel vehicle Despertaferro. A més a més, aquesta opció ens permet obtenir un disseny relativament fàcil de la transmissió (és a dir, de les parts encarregades de transmetre la potència del motor a les rodes).

Suspenció posterior del Despertaferro.

68

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 69

6.5.4 El sistema de frenada El sistema de frenada és tot aquell conjunt de peces que tenen com a funció principal aturar el vehicle, sense comprometre en cap moment la seva estabilitat i/o governabilitat. Per tal de dissenyar aquest sistema s’han de tenir en compte varis factors, com ara el pes del vehicle, la seva velocitat punta, la desacceleració que es vol arribar a aconseguir, la posició del centre de gravetat del vehicle, etc.

Els elements que constitueixen el sistema de frenada es poden dividir en dues parts interrelacionades: el fre pròpiament dit, és a dir, l’element fix que actua contra un element mòbil que, en la majoria dels casos, és solidari a la roda; i l’actuació, de la qual formen part tots aquells elements que ens permeten transmetre la força del conductor cap al fre.

Les opcions existents pel que fa al fre són una pinça de bicicleta, un tambor o bé un disc de fre. Si bé la pinça de bicicleta és l’opció més lleugera, també és la que té una potència de frenada més baixa; és a dir, implementant una pinça de bicicleta la distància de frenada que obtindríem seria massa gran per a poder circular amb total seguretat.

Pel que fa a l’opció disc o tambor, cal dir que les seves prestacions són similars. Tot i així, en el Despertaferro es va optar per tres frens de disc (un en cada roda) per la seva senzillesa d’implementació.

Detall del sistema de frenada del Despertaferro.

S’aprecia el disc de fre (peça blava transparent) i la pinça de fre (peça verda i blava)

69

Pel que fa a l’actuació, es pot pensar en un sistema de cablejat, o en un sistema d’amplificació mecànic. Però havent escollit frens de disc, que funcionen hidràulicament, l’opció més lògica és un sistema d’amplificació hidràulica. L’opció escollida pel Despertaferro va ser, doncs, unes manetes de fre.

Així doncs, el sistema de frenada resultant va ser molt semblant al d’una motocicleta: tres frens de disc i unes manetes de fre implementades en el manillar.

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 70

6.6 Carrosseria i bastidor 6.6.1 La carrosseria La carrosseria del Despertaferro ha estat dissenyada emprant les més modernes eines de dibuix i simulació CAD/CAE íntegrament en tres dimensions.

En efecte, la carrosseria és un punt a considerar amb deteniment ja que la seva forma i estructura influiran decisivament en dos paràmetres vitals per a aquests tipus de vehicles: • El coeficient aerodinàmic • El pes Així doncs, el procés de disseny ha comptat amb fases de dibuix, de simulació numèrica i d’assaigs en el túnel de vent, per tal d’optimitzar aquests paràmetres. Les modernes eines CAD/CAE han estat claus per a l’èxit en el disseny.

Per a la definició de la carrosseria s’han tingut en compte diversos condicionants de tipus tècnic, com aconseguir un pes mínim o una resistència elevada; i altres condicionants també necessaris per estar d’acord amb la reglamentació de la cursa Sunrace 2000.

El resultat ha estat una carrosseria de sis metres de llarg per dos d’ample amb forma de perfil d’ala d’avió, fabricada amb materials composites, on el coeficient aerodinàmic obtingut ha estat de 0,18. A la següent taula podem veure una comparació d’aquest coeficient amb els altres participants a la Sunrace 2000.

Nom

Característiques

Coeficient aerodinàmic

Aurora

0,12

Sunshark

0,14

Desert Rose

0,14

Spirit of Camberra

Sunswift II

0,1 0,13

70

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 71

La forma de la carrosseria és la que permet l’accés fàcil al pilot així com una posició de conducció confortable i amb bona visibilitat tant frontal com lateral. A més, també ha de ser suficientment plana com per a poder servir de suport per a les cèl·lules solars sense corbar-les excessivament.

Tot això comptant amb una forma aerodinàmica que ens minimitzi les pèrdues d’energia amb l’aire.

Naturalment també ha de ser lleugera i resistent. És per això que està fabricada amb estructura sandvitx de niu d’abella amb recobriment de fibra de carboni que correspon a una disposició àmpliament emprada en aplicacions aeronàutiques i competició automobilística. La fibra de carboni combinada amb la resina epoxi fa la funció d’element resistent mentre que el niu d’abella serveix d’element separador entre les capes de carboni per a incrementar més encara la resistència i rigidesa de la secció.

En la figura podem observar els elements constitutius del sandvitx: fibra de carboni, niu d’abella i resina epoxi.

L’ estructura de la carrosseria va ser la següent: • Carcassa superior Correspon a la peça de carboni que cobreix pràcticament la totalitat del vehicle i al damunt de la qual estan unides les cèl·lules solars.

Aquesta peça, malgrat ésser de carboni, porta un recobrimet de fibra de vidre per aïllar la superfície de contacte amb les cèl·lules ja que la fibra de carboni condueix l’electricitat.

• Carcassa inferior Peça de carboni unida al bastidor que fa la funció de carenar la part inferior del vehicle. Aquesta part conté les faldilles que fan de carenat de les rodes davanteres i la posterior. La seva forma corbada i el fet que estigui unida al bastidor acaba de donar la rigidesa necessària al vehicle.

• Morro Peça que dóna forma a la part davantera del vehicle. El seu disseny és essencial per garantir un bon coeficient de penetració aerodinàmica.

La possibilitat de retirar el morro del vehicle també afavoreix la transportabilitat del Despertaferro així com l’accés a la part frontal per a eventuals reparacions.

71

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 72

• Porta d’accés Correspon a la peça en forma de “T” que està unida amb una frontissa al bastidor i encaixa en la carcassa superior. Aquesta peça incorpora la carlinga (cúpula) de policarbonat. La funció d’aquest element mòbil no és només permetre el fàcil accés del pilot sinó també permetre el fàcil accés al tren anterior per a la seva verificació, posta a punt i reparació i l’accés al sistema elèctric de bateries i motor.

Quan la porta d’accés està oberta, el pilot pot entrar i sortir fàcilment del Despertaferro.

Un cop col·locat el pilot en el seient, connectats els connectors, cinturó de seguretat, ràdio funcionant, conjunts revisats i les últimes instruccions donades, es tanca la comporta i el Despertaferro queda llest per a córrer.

72

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 73

6.6.2 El bastidor El bastidor és l’element estructural bàsic del Despertaferro.

Aquest li confereix la resistència i rigidesa necessàries per a garantir la seguretat del pilot.

Aquest bastidor, com la resta del cotxe, ha estat construït amb estructura sandvitx de fibra de carboni però utilitzant un nucli de major espessor que per a la carrosseria.

L’estructura del bastidor consisteix en una caixa central de gran rigidesa en la qual van muntats tots els elements i dispositius electromecànics del Despertaferro. Alhora, aquesta caixa central també fa la funció d’habitacle per al pilot.

D’aquesta caixa central en surten unes nervadures, també de carboni, que van a buscar la carrosseria i el morro. Concretament, aquests nervis van units a la carcassa inferior mentre que la carcassa superior només s’hi recolza al damunt. La part frontal del bastidor està unida al morro mitjançant una sèrie de cargols que permeten que es pugui desmuntar per al transport.

73

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 74

Sobre la part frontal del bastidor hi ha allotjats els dispositius mecànics de direcció i els interruptors generals de potència. A més, també hi estan posicionats els aparells de mesura perquè el pilot els pugui consultar en tot moment.

Sobre els laterals de la caixa central s’hi troben els suports per a les bateries a banda i banda del pilot així com les fixacions dels trapezis de suspensió i bieletes de direcció.

A continuació, en la zona que resta darrera l’esquena del pilot hi trobem un espai que és ocupat pel motor, el regulador elèctric, el sistema de telemetria i la bateria auxiliar del circuit de control i senyalització del Despertaferro.

Finalment, a la part posterior de la caixa central hi va fixada la forquilla que fa de basculant per a la suspensió posterior, el suport superior del conjunt molla-amortidor i els elements propis de la transmissió com són la cadena i el seu tensor.

74

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Pรกgina 75

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 76

7. Agraïments

L’Equip Mediterrani agraeix sincerament la col·laboració de totes aquestes empreses que han participat i subvencionat el projecte: UPC - Universitat Politècnica de Catalunya ETSEIB - Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona EUSS - Escola Universitària Salesiana de Sarrià SEAT - Assessorament tècnic i subvenció econòmica EDAG - Assessorament tècnic, subvenció econòmica i cessió de les instal·lacions i recursos per al disseny i construcció del vehicle ICAEN - Institut Català d’Energia. Subvenció econòmica GENERALITAT DE CATALUNYA. DEPARTAMENT DE MEDI AMBIENT Subvenció econòmica LEASEPLAN - Subvenció econòmica ISOFOTON - Cessió de les cèl·lules solars INFRANOR/MAVILOR - Cessió del motor elèctric i el regulador elèctric CENTRE CIM (ICT) - Realització de dues maquetes a escala 1/10 del vehicle HEXCEL - Subvenció del material per a la fabricació del bastidor i carrosseria IDIADA - Cessió de les seves instal·lacions per a poder realitzar proves del vehicle FONTANALS - Ajuda econòmica en els materials del bastidor i la carrosseria SAMS-C3 -Subvenció parcial de la fabricació del bastidor i la carrosseria SHOWA - Cessió de les suspensions DERBI - Cessió de diversos components BRIMO - Realització de tractaments tèrmics, superficials i mecanitzats METALOGRAFICA - Realització de tractaments tèrmics, superficials i mecanitzats MIRA - Pintat i lacat del vehicle 76

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 77

RACC - Cessió dels seus serveis per al transport en grua del vehicle SKF - Cessió dels rodaments del vehicle EPIDOR - Cessió de components mecànics TFM - Realització dels reguladors per a les cèl·lules solars i bateries BOSCH - Cessió del sistema de frenada STANDOX - Lacat de les cèl·lules solars FESTO - Cessió de components mecànics INTA - Assessorament aerodinàmic MICHELIN - Cessió dels pneumàtics SOUTHCO - Cessió de material PANALPINA - Subvenció parcial del transport del vehicle cap a Austràlia

77

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 78

8. Bibliografia

G.R. Allen, J.W.V. Storey. The Australian geographic team marsupial solar-powered car. Sydney: Photovoltaics Special Research Centre University of New South Wales, 1988 (SAE Technical Paper Nº 880620, Society of Automotive Engineers).

D. Bastow. Car suspension and handling. London: Pentech Press, 1987.

Ricard Bosch. Manual de la técnica del automóvil. Barcelona: Editorial Reverté,1994.

J. Daniels. Handling and road holding. Motor Racing Publications, 1988.

J. Font i J.F. Dols. Sistemas de suspensión en vehículos automóviles.

València: Servicio Publicaciones Universidad Politécnica Valencia, 1993.

J. Font, J.F. Dols. Tratado sobre automóviles. València: Servicio Publicaciones Universidad Politécnica Valencia, 1997.

T.D. Gillespie. Fundamentals of vehicle dynamics. Warrandale, PA: Society of Automotive Engineers, 1992.

H. Heisler. Advanced vehicle technology. London: Edward Arnold, 1993.

L. Roger. Apunts d'automòbils. Barcelona: CPDA, Escola Tècnica Superior d’Enginyers Industrials de Barcelona – ETSEIB, 1993 a 1997.

V.A.W. Hillier. Fundamentals of motor Leckhampton: Stanley Thornes, 1993.

vehicle

technology.

78

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 79

Orlando S. Lobosco i José Luiz P.C. Dias. Selección y aplicación de motores eléctricos. Siemens & Marcombo, SA. W.F. Milliken i D.L. Milliken. Race car vehicle dynamics. Warrandale, PA: Society of Automotive Engineers, 1995.

Donald V. Richarson, Arthur J. Caisse. Máquinas eléctricas rotativas y transformadores. Mèxic: Prentice-Hall Hispanoamericana.

D.M. Roche, A.E.T. Schinckel, J. W.V. Storey, C.P. Humphris i M.R. Guelden. Speed of light. The 1996 World Solar Challenge. Sydney: Photovoltaics Special Research Centre University of New South Wales, 1997. Ángel Sanz González. Tecnología automoción. Barcelona: Editorial Edebé, 1981.

Adreces web: Aurora Solar Car www.aurorasolarcar.com Pàgina web del vehicle solar Aurora, inclou característiques tècniques, components de l’equip, patrocinadors, curses en què ha participat, fotografies.

Centre for Photovoltaic Engineering. University of New South Wales www.pv.unsw.edu.au Pàgina web del Centre for Photovoltaic Engineering, centre adscrit a la University of New South Wales d’Austràlia.

Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation. www.csiro.au Pàgina web de l’organització australiana Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, dedicada a la recerca. Entre d’altres linies inclou els vehicles solars.

79

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 80

Fuji Xerox Desert Rose www.cdu.edu.au/solarcar Pàgina web dedicada al vehicle solar Fuji Xerox Desert Rose: especificacions, història i fotografies.

MIT Solar Electric Vehicle Team http://web.mit.edu/solar-cars/www/ Pàgina web de l’equip participant a curses de vehicles solars Solar Electric Vehicle Team, del Massachusetts Institute of Technology.

New Generation Motors Corporation www.ngmcorp.com Pàgina web de l’empresa New Generation Motors, especialitzada en tecnologia per als vehicles elèctrics i híbrids.

North American Solar Challenge www.americansolarchallenge.org Pàgina web de la cursa nord-americana de vehicles solars North American Solar Challenge. Inclou informació de les diverses edicions de la cursa, patrocinadors i fotografies.

Ogata-Mura www.ogata.or.jp/english Pàgina web de la comunitat rural japonesa Ogata Mura, que entre d’altres informacions inclou dades relatives a la cursa World Solar-Car Rallye i al 13th International Electric Vehicle Symposium.

South Australian Solar Car Consortium www.unisa.edu.au/solarcar Pàgina web del Consorci australià creat per ajudar als estudiants que vulguin dissenyar i construir vehicles per participar a la cursa World Solar Challenge.

Sunrace www.sunrace.com.au Pàgina web de la cursa de vehicles solars Sunrace.

The University Of New South Wales Solar Racing Team www.sunswift.com Pàgina web desenvolupada per l’equip participant a curses solars de la University Of New South Wales. Inclou un apartat dedicat a la tec80

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 81

nologia de les cèl·lules solars, informació relativa a les curses en les quals han participat, i fotografies.

Tour de Sol. Northeast Sustainable Energy Association (NESEA) www.nesea.org/transportation/tour Pàgina web de l’associació nord-americana Nesea, dedicada a la promoció de les energies renovables. Inclou informació de la cursa de vehicles solars Tour de Sol. World Solar Challenge www.wsc.org.au Pàgina web de la cursa australiana de vehicles solars World Solar Challenge. Inclou informació de les diverses edicions de la cursa, patrocinadors i fotografies.

Tesis doctorals Aportaciones al estudio de las máquinas eléctricas de flujo axial mediante la aplicación del método de los elementos finitos / Eduard Frias Valero. Director Ricard Bosch Tous. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 12-11-2004.

Nuevas aportaciones al motor eléctrico de flujo axial con rotor conductor sin material ferromagnético / Josep López López. Director Ricard Bosch. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 22-12-2000.

Hacia el motor Superconductor: Estudio de las interacciones entre un rotor superconductor y un estator convencional, y de la viabilidad de producir par y levitación. Inclusión de discos superconductores en el rotor de una máquina eléctrica de flujo axial sin hierro e el rotor / Joan Pallarés Viña. Directores Ricard Bosch Tous, Xavier Granados Garcia.

Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Terrassa. 13-6-2002.

Projectes fi de carrera Adaptació d’un grup electrógen amb alternador d’inducció de 2 kW per a vehicle híbrid / Jorge Alfonso Lorenz. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 21-10-2003.

81

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 82

Análisi experimental de nous métodes de tracció de rotores conductors laminars sense ferro. Aplicació a tracció directe de vehícles elèctrics.

Comanda electrónica / David Bosch Barbosa y Sergio Jiménez Gonzalvez. Codirigida con los profesores Lupon, Bordonau. Disseny electromecànic. Codirigida con el profesor Vicens Porcar. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona ,20-10-2004.

Rodes automotrius per a vehicles elèctrics / Víctor Boyer Lozano i Marc Fernández Seco. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 21-9-1999 Diseño, construcción y ensayo de un modelo teledirigido de barco electrosolar / Joan Casas Ribas y David Rissech Roig. Facultad de Náutica de Barcelona, Universitat Politècnica de Catalunya, 26-12004.

Estudi de viabilitat tècnica i económica de l’aplicació de propulsors azimutals accionats elèctricamet en un buc metaner / Victor Fibla Coloma. Facultad de Nautica Barcelona, UPC, 12-9-2002 Desenvolupament experimental d'un alternador per alta frequència mitjançant variació de reluctància / Ivan Flotats Giralt. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 3-7-1995.

Vehicle elèctric hibrid. Assaig i optimització del conjunt muntat en un Seat 600 / Jesús Hernández Valverdú. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 13-6-2002.

Estudio de viabilidad para la impulsión de un barco con la energía de las olas / Xavier Jiménez Gispert. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 29-10-2002.

Acumulador Cinético de Energía Eléctrica / Dámaso López Soria.

Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 21-62002.

Acumulador cinético de energía eléctrica (ACE) en corriente alterna / Pere Ignasi Muñoz Hernández. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 3-7-1995.

82

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 83

Disseny, fabricació i construcció del vehicle solar Despertaferro / David Pifarré Martinez, Francesc Puig Mas, Arnau Planas Dalmases, Sergi Fontseca Casañas. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 8-6-2000.

Estudio de un vehículo eléctrico híbrido. Aplicación a un Seat 600 / Pedro José Talavera. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 13-6-2002.

Disseny i assaig d'un generador prototipus per el grup de càrrega de bateries d'un vehicle híbrid / Elisenda Vives Casals. Escola Tècnica Superior Enginyers Industrials de Barcelona, 13-6-1997. 2º premi projectes fi de carrera CAEIC.

83

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 84

9. Vehícles solars participants a curses

Vehicle guanyador de la cursa Sunrace 2000: sunshark

Altres Participants Equip: Associazione FUTURA País: Itàlia Nom del cotxe: Futura II Any de construcció: 1998-1999 Nombre de rodes: 3 Bateries: Plom Àcid, 100 kg, 240 V Motor: MGM Motori Elettrici Tipus: Asíncron d’alta eficiència amb controlador SIRCO Nominal: 1,5 KW Pic 3,5Kw Cèl·lules: Silici monocristal·lí, area efectiva 7,60 m2, 1192 Wp Pes: 270 kg Historia del vehicle: L’equip Futura va començar a competir l’any 1996 en la WSC, que no va acabar. El 1998 va començar la construcció d’un nou cotxe. El 1999, Futura va participar en la FIA Elektro Solar Dream Cup en el circuit japonès de Suzuka. Després d’alguns mesos de treball van a anar a Austràlia per córrer en la WSC de 1999, on van aconseguir resultats satisfactoris. Després de retocar el sistema electrònic del Futura II l’equip va prendre part a l’American Solar Challenge el 2001 que es disputa de Chicago fins a Los Àngeles. Tenint en compte que es tracta d’un petit equip privat amb només sis integrants que fan de dissenyadors, constructors, fabricants i patrocinadors, els resultats obtinguts han estat tot un èxit.

84

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 85

Equip: Sunlake - Toyobo País: Japó Nom del cotxe: Sunlake Any de construcció: 2003 Dimensions (longitud, amplada): 5,00 m, 1,80 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Ió-Liti, 18 kg, 112 V (Màx.)

Cèl·lules: Silici monocristal·lí 6,32 m2 1,08 kW Motor: DC Brushless Fabricant: New Generation Motors NGM-150 Potència: 6 kW Pes: 135 kg Història del vehicle: L’equip es va crear l’any 1993. Ha participat en la Suzuka Dream Cup anualment des de 1994. El 2001 va competir en WSCC de Malàisia.

Equip: Ashiya University Solar Car Team País: Japó Nom del cotxe: Ashiya Sky Ace Tiga Any de construcció: 2000 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,00 m, 1,80 m, 1,02 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Liti-Polimer Pes: 26 kg Voltatge: 180 V Cèl·lules: Silici monocristal·lí, 8.0 m2, 1120 Wp. Motor: Acoblat a la roda, Posició: roda posterior, Potència: 5 kWp Pes: 152 kg Història del vehicle: Aquest equip ha competit anualment en la Dream Cup Solar Race-Suzuka a on va obtenir la primera posició en la classificació general tres cops (2000, 2002 i 2003). També va participar en la WSC del 2001.

Equip: Osaka Sangyo University, OSU/SunPower/SekisuiJushi País: Japó Nom del cotxe: Mercury model S' Any de construcció: 2003 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,00 m, 1,80 m, 1,00 m Nombre de rodes: 4 Bateries: Ió-Liti 32kg 130 V Cèl·lules: Silici monocristal·lí 7,1 m2, 1300Wp Motor: Sistema Direct Drive/ Motor DC brushless / Mitsuba motor acoblat a la roda (Potència màxima: 5 kw) Pes: 150 kg Història del vehicle: L’equip d’ Osaka Sangyo University va formar part de la World Solar Car Rally en Akita 2003 on va obtenir la primera posició.

Posteriorment va participar en la FIA Solar Car Race de Suzuka on va aconseguir la segona posició.

85

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 86

Equip: Tamagawa University Solar Challenge Project (TSCP) País: Japó Nom del cotxe: White Dolphin Any de construcció: 2001 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,00 m, 1,80 m, 1,05 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Ió-Liti, 21 Kg, 114 volts Cèl·lules: Silici monocristal·lí, 7,14 m2 , 1.433 Wp Motor: DC brushless motor acoblat a la roda amb sistema Direct Drive motor 5 kW Pes: 300 kg Historia del vehicle: White Dolphin va obtenir el primer lloc en el World Solar-Car Rally de Japó i va ser sisè en la WSC el 2001. L’any següent va tornar a guanyar la carrera japonesa. El 2003 va ser quart en la Suzuka Dream Cup Solar Race, però va guanyar el Japan Intercollegiate Solarcar Championship.

Equip: Tokyo Salesian Polytechnic País: Japó Any de construcció: 2004 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,00 m, 1,80 m, 1,20 m Nombre de rodes: 4 Bateries: Ió-Liti, 32 kg, 117,8 V Cèl·lules: Silici monocristal·lí, 8 m2, 1,17kW Motor: Brushless acoblat a la roda amb sistema Direct Drive, 1.4 kW Pes: 150 kg Història del vehicle: L’equip ha participat en la WSC a Austràlia l’any 1999 i el 2001.

Equip: Team Tokai Falcon, Shoyo High School OB. País: Japó Nom del cotxe: Falcon Any de construcció: 1994 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,00 m, 1,80 m, 0,90 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Ió-Liti, 29 kg, 100 V Cèl·lules: Motor de flux axial DC brushless en la roda posterior, Potència Nominal: 3 kW Motor: Silici monocristal·lí 8 m2, 1.200 Wp Pes: 145 kg Història del vehicle: En 1996 va acabar en tretzena posició en la WSC i va obtenir el premi School Asia. El 1999 va tornar a acabar en tretzena posició en la WSC, però va guanyar en la classe d’escoles de secundària. Durant el 2003, el Falcon va obtenir la sisena posició en la Dream Cup Solar Race Suzuka.

86

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 87

Equip: University of Patras País: Grècia Nom del cotxe: Hermes Any de construcció: 2003-2004 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,00 m, 1,80 m, 1,00 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Liti-polimer, 27,2 kg, 96,2 V Cèl·lules: Combinació de cèl·lules de silici i de cèl·lules de Ga-As, 8 m2, 1.600 Wp Motor: DC brushless, tracció posterior, Potència nominal: 3.75 Kw, Potència màxima: 7.5 kW Pes: 210 kg Història del vehicle: Hermes es la primera temptativa de crear un cotxe solar competitiu per a la cursa Phaeton 2004.

Equip: Aristotle University of Thessaloniki, Team Helios 2004 País: Grècia Nom del cotxe: Helios 2004 Any de construcció: 2004 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 4,91 m, 1,80 m, 1,10 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Ió-Liti, 29,4 kg, 100,8 V Cèl·lules: Silici monocristal·lí, 6,9 m2, 1,34 kW Motor: A/C connectat a la roda posterior mitjançant una cadena Potència màxima: 6 kW Pes: 200 kg Historia del vehicle: L’Helios 2004 va guanyar el primer premi en la Greek Solar Car Design Competition.

Equip: Team Lux - Yale Solar Racing País: Estats Units Nom del cotxe: John Lee Any de construcció: 2003 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,00 m, 1,80 m, 1,00 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Ió-Liti, 30 kg, 96 V nominal Cèl·lules: 8 m_ de 23% d’eficiència de cèl·lules de Ga/As d’Spectrolab Motor: Acoblat a la roda de NGM Pes: 249 kg Història del vehicle: Va participar en la Phaeton 2004.

87

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 88

Equip: Aurora Vehicle Association País: Austràlia Nom del cotxe: Aurora 101 Any de construcció: 1996, modificat el 2001 i el 2003 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 4,68 m, 2,00 m, 1,00 m Nombre de rodes: 3, una davantera, dues posteriors Bateries: Liti-polimer, 30 kg, 164 V màx.

Cèl·lules: Les de junta simple són de Ga/As(60%), i les de triple junta de Ga/As (40%), Àrea de 7.85 m2. Cèl·lules: TECSTAR / EMCORE Panels: Gochermann Motor: Acoblat a la roda davantera desenvolupat per Aurora i Csiro a Austràlia. Potència màxima: 8 kW. Rendiment del 94% Pes: 190 kg Història del vehicle: L’Aurora va ser construït per competir en la WSC de 1996, any en què no va acabar la carrera. El 1999 va ser revisat i va guanyar la WSC de 1999. El 2001 va ser modificat de nou i va obtenir la segona plaça en la WSC. L’Aurora va aconseguir el rècord de distància corrent a Austràlia.

Finalment, després de la seva última modificació el 2003, va tornar a quedar segon en la WSC. Equip: University of Applied Sciences, FH-Bochum País: Alemanya Nom del cotxe: Hans Go Any de construcció: 2002- 2003 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,00 m x 1,80 m x 0,85 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Ió-Liti, 32 kg màx.

Cèl·lules: Gal·li i Arsènic, 8 m2, 1,85 kWp Motor: NGM SC - M150 - 08, acoblat a la roda posterior, 4.5 kW Pes: 252 kg Història del vehicle: El cotxe es va construir amb la cooperació de la South Bank University, de Londres. Va participar en la WSC del 2003 on va finalitzar cinquè i va ser atorgat amb el premi de la Innovació Tecnològica.

Equip: Southern Taiwan University of Technology País: Taiwan Nom del cotxe: Apollo-IV Any de construcció: 2003 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,00 m, 1,80 m, 1,20 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Ió-Liti (Fabricant: LG Chem. Model: ICR 18650/2200mAh), ~31 kg, and ~92.5 V Cèl·lules: GaAs/Ge, 7,7 m2, 1.500 Wp Motor: New General Motor/Tipus: DC brushless/ Tracció posterior Pes: 196 kg Història del vehicle: L’Apollo-IV va finalitzar setè en la WSC del 2003 d’Austràlia. L’any 2002, Apollo III va completar un viatge de quatre dies de 700 km entre Tainan fins a Taipei, a Taiwan.

88

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 89

Equip: Nuon Solar Team País: Holanda Nom del cotxe: Nuna II Any de construcció: 2003 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,00 m, 1,80 m, 0,80 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Ió-liti, 160 V, 32 kg, Cèl·lules: Gal·li i Arsènic, 8 m2, 2.100 Wp Motor: Brushless DC acoblat a la roda posterior.

Pes: 250 kg Història del vehicle: L’equip Nuon Solar Team va guanyar la World Solar Challenge d’Austràlia l’octubre del 2003. Aquest equip va obtenir el rècord de velocitat mitjana de 97,02 km/h en una distancia de 3.010 km.

Equip: Principia College Solar Car Team País: Estats Units Nom del cotxe: Ra V Any de construcció: 2003 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 5,0 m x 1,8 m x 1,0 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Liti-Polimer, 30 kg, 110 V Cèl·lules: Gal·li-Arsènic, 7,5 m2, 1.400W Motor New Generation, Tipus: Brushless DC, motor acoblat a la roda posterior. Potència:10 kW Pes: 280 kg Història del vehicle: Va acabar quart en l’American Solar Challenge 2003 i va ser sisé en la World Solar Challenge 2003. L’equip va participar amb cotxes més vells en l’American Solar Challenge 2001, en la Formula Sun Grand Prix 2002 i en la Formula Sun Grand Prix 2001, en les quals va obtenir el setè, quart i primer lloc respectivament.

89

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 90

Equip: Heliodet País: Alemanya Nom del cotxe: Heliodet - 6 Any de construcció: 1999 Dimensions (longitud, amplada, alçària): 6,00 m, 1,90 m, 1,01 m Nombre de rodes: 3 Bateries: NiCd 54 V - 30 Ah - 1,62 kWh - 27 kg Cèl·lules: Silici monocristal·lí, 8 m2, 1.200 Wp, 15,5 % d’eficiència Motor: 2 motors d’iman permanent acoblats a les rodes posteriors de potència 2 x 700.

Pes: 160 kg Història del vehicle: Heliodet es un equip privat que ha participat en les curses solars World Solar Challenge 1999, 2001, 2003; i al Tour de Ruhr 2000 i 2002 d’Alemanya.

Equip: University of Sao Paolo País: Brasil Nom del cotxe: Banana Any de construcció: 1992-1993 Dimensions (longitud, amplada, alçada): 6,00 m, 2,00 m Nombre de rodes: 3 Bateries: Plom-Àcid, 10 bateries en sèrie, 12 V - 17.2 Ah cadascuna.

Total: 120 V, 62,5 kg Cèl·lules: Silici monocristal·lí, importades d’Alemanya, 8 m2 àrea efectiva i 16% d’eficiència Motor Siemens model "Simodrive" DC, iman permanent, brushless.

Controlat per un USP basat en IGBTs que controla la roda posterior Potència nominal: 3 kW, Potència de pic: 10kW Pes: 262,5 kg Història del vehicle: El primer cotxe brasiler va competir en la WSC de 1993 que no va poder acabar. L’equip es va dividir en dos l’any 1996 i han assistit a nombrosos actes i exposicions. Durant l’any 2003 es va modificar per participar en la Phaeton 2004.

90

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Pรกgina 91

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 92

10. Els protagonistes

L’Equip Mediterrani es va crear a finals del 1998 amb l’objectiu de dissenyar el primer vehicle electrosolar català. L’origen de l’Equip Mediterrani el podem trobar a l’Escola Tècnica Superior d’Enginyers Industrials de Barcelona (ETSEIB), on un grup de sis estudiants va decidir emprendre com a Projecte Final de Carrera el disseny del cotxe solar Despertaferro. L’abast que ha pres el projecte en anar-se desenvolupant i el seu caràcter pluridisciplinar, han permès que l’equip creixés fins a estar format per vuit joves enginyers industrials de diferents especialitats i un enginyer tècnic en electrònica industrial de l’Escola Universitària Salesiana de Sarrià (EUSS).

L’intens treball que ha representat dissenyar i construir el Despertaferro en poc més de cinc mesos i l’emocionant participació a la carrera Sunrace 2000, on tots els membres de l’equip participaren com a pilots i mecànics, han consolidat l’equip com a grup humà capaç de treballar coordinadament i d’afrontar nous reptes en la competició de vehicles solars.

92

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 93

Joan Orús i Valls (1975) Enginyer industrial, especialitat Mecànica Tasca en l'Equip: Creador i coordinador del projecte, participació en el disseny de la carrosseria i el bastidor.

Arnau Planas (1975) Enginyer industrial, especialitat Mecànica Tasca en l'Equip: Disseny del sistema de frenada, elecció dels sistemes de rodament, participació en el disseny dels conjunts mecànics.

David Pifarré i Martínez (1975) Enginyer industrial, especialitat Tècniques Energètiques Tasca en l'Equip: Disseny del sistema de captació solar i del sistema d'acumulació.

Eduard Ferreró i Aragonés (1975) Enginyer industrial, especialitat Mecànica Tasca en l'Equip: Disseny de la carrosseria i el bastidor, participació en el disseny dels conjunts mecànics.

Francesc Puig i Mas (1975) Enginyer industrial, especialitat Elèctrica Tasca en l'Equip: Motor i regulador elèctric.

Lluís Raurich i Molinas (1975) Enginyer industrial, especialitat Mecànica Tasca en l'Equip: Disseny de la direcció i supervisió de la construcció dels conjunts mecànics.

93

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:16

Página 94

Moisès Morató i Güell (1972) Enginyer industrial, especialitat Mecànica Tasca en l'Equip: Construcció motlle, supervisió de la construcció de llantes i carlinga, i col·laboració en subprojectes mecànics.

Oriol Calaf i Centellas (1975) Enginyer tècnic industrial en Electrònica Tasca en l'Equip: Cablejat elèctric i telemetria.

Sergi Fontseca i Casañas (1975) Enginyer industrial, especialitat Mecànica Tasca en l'Equip: Sistema de suspensions i direcció, participació en el disseny dels conjunts mecànics.

Ricard Bosch Tous (1954) Doctor enginyer industrial, especialitat Electricitat Tasca en l’Equip: Director acadèmic del projecte en la part d’enginyeria elèctira i de conjunt. Suport logístic i de relació institucional Enric Trillas Gay (1955) Doctor enginyer industrial, especialitat Mecànica (estructures) Tasca en l’Equip: Director academic del projecte en la part d’aerodinàmica.

94

despertaferro.qxd

17/5/2005

17:15

Pรกgina 2