1

PRÒLEG Aquest treball pretén ser el recull d'una experiència viscuda per un equip d'enginyers en la construcció del primer vehicle solar estatal. Per tant, la majoria dels aspectes i impressions giren al voltant d'un fet concret, i no pot ser extrapolat de forma general a la resta de vehicles solars, que poden -i de ben segur han estat- construïts de maneres molt diverses. Aquest projecte és a la vegada, una síntesi dels estudis que l'equip ha elaborat al llarg d'aquests anys. El projecte Despertaferro va ser viscut per l'equip Mediterrani de manera intensa durant catorze mesos. Els treballs inicials amb CAD mostraven un artefacte curiós, que poc a poc prenia cos en un taller de Martorell. Poc més després d'un any, el projecte s'havia materialitzat. El nom del prototipus eludia, sens dubte, a l'esperit de l'equip que el va construir. La creació del Despertaferro va sorgir com a repte per a un equip d' enginyers per a competir en la edició 2000 de la cursa anual SUNRACE de vehicles solars a Austràlia. El prototipus es va finalitzat a finals de 1999. A tot l'equip agraeixo els llargs, intensos, a vegades cansats, però, sobretot, bons moments que vàrem passar junts en la construcció del nostre Despertaferro.

Moisès Morató Güell Castellví de la Marca, 23 de setembre del 2002

2

INDEX 1 Una mica d'història. .....................................................................................3 2 Qué és un vehicle solar? .............................................................................5

2.1 Característiques i fets diferencials........................................................6 2.2 Limitacions ......................................................................................... 11 2.3 Aplicacions i futur del vehicle solar..................................................... 12

3 Components del vehicle solar. Tecnologia. ............................................... 13 3.1 Quatre preguntes bàsiques. ............................................................... 13 3.2 Visió general.El layout. ....................................................................... 17 3.3 Subsistemes del vehicle. Una visió general. ...................................... 18 3.4 Bastidor .............................................................................................. 19

3.4.1 Disseny del bastidor. ................................................................... 19 3.4.2 Fabricació del bastidor ................................................................ 20

3.5 Carrosseria......................................................................................... 22 3.5.1 Disseny de la carrosseria. ........................................................... 22 3.5.2 Fabricació de la carrosseria ........................................................ 24

3.6 Captació i transformació..................................................................... 26 3.6.1 Cèl·lules fotovoltaiques ............................................................... 26 3.6.2 Bateries ....................................................................................... 32 3.6.3 Reguladors.................................................................................. 36 3.6.4 Motor ........................................................................................... 38 3.6.5 Introducció al funcionament elèctric del Despertaferro................ 43 3.6.6 Balanç energètic.......................................................................... 45

3.7 Suspensió........................................................................................... 46 3.8 Rodes ................................................................................................. 48 3.9 Direcció .............................................................................................. 50 3.10 Frens .................................................................................................. 52 3.11 Altres elements................................................................................... 53

3

1 Una mica d'història. El 7 de gener de 1983, l’aventurer australià Hans Tholstrup arribà davant de l’Òpera 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 partit de Perth, en la costa oest d’Austràlia. En la seva èpica travessa van recórrer 3.500 km a una mitjana de 23 km/h, i van fer realitat per primera vegada el concepte de vehicle solar

El Quiet Achiever(Austràlia, 1983) figura1-1

El Quiet Achiever –així el batejaren- era un vehicle pesat, poc aerodinàmic, amb necessitat d’una gran superfície fotovoltaica i amb 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. Quatre anys més tard, el 1987, el mateix Tholstrup donava la sortida de la primera edició de la World Solar Challenge. La cursa partia de Darwin i finalitzava a Adelaide, després de travessar de nord a sud el continent. Vint-i-tres vehicles vinguts de set països diferents prengueren part 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 tant 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 batejà com a “Brain sport”. El 1990 la World Solar Car disputà la seva segona edició. Aleshores ja era reconeguda com a la més prestigiosa cursa de vehicles solars del món. Trenta-sis vehicles hi participaren, essent el vencedor 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 veure un salt qualitatiu molt important. Els avenços aconseguits en diferents aspectes del disseny dels vehicles van fer possible allò que només uns pocs anys abans es

4

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.

Honda Dream 2, vencedor de la 4ª WSC /1996 imatge1-2

L’any 1996 la mateixa marca revalidà el títol aconseguit en l’anterior edició en invertir només quatre dies en creuar el continent. La mitjana aconseguida fou de 90 km/h.

El Desert Rose, rècord de velocitat en 100 km (Sunrace 2000) imatge1-3

5

2 Qué és un vehicle solar? Per definició, és aquell vehicle que aprofita l'energia solar per a autopropulsar-se. Dins d' aquesta definició i entren una àmplia varietat de vehicles, des de els vehicles que depenen única i exclusivament de l'energia solar, passant per vehicles amb sistemes de suport o control del flux energètic (bateries), fins a vehicles híbrids, que alternen entre diferents fonts d'energia, aixó si, almenys una d'elles ha de ser solar. El Despertaferro és un vehicle solar recolzat per bateries. Les bateries en aquest cas no estan pensades com a font d'energia, si no com a sistema d'emmagatzematge. Un vehicle solar desproveït d'un sistema d'emmagatzematge energètic depèn exclusivament de la radiació incident en aquell moment, i no disposa per tant, d'un marge de maniobra enfront dels canvis de radiació (ombres, períodes amb núvols ...), o dit en altres paraules, si no hi ha sol, no hi ha moviment. Altres vehicles, tenen només la captació solar com a sistema de suport energètic, és a dir que només una fracció de l'energia que utilitza el seu motor és exclusivament d'origen solar. Son els anomenats vehicles híbrids, i poden presentar variades combinacions (solar-elèctric) (solar-MCI-elèctric) (solar-MCI) etc. Els més populars actualment són els elèctric-MCI, peró aquests no tenen la seva font primària d'energia basada en energies renovables. La presència de vehicles híbrids que incorporen sistema de captació solar són escasos, encara que existeixen alguns models experimentals. La seva importància és cabdal, ja que, encara que són vehicles no autònoms sota el punt de vista energètic, suposen un excel·lent camp per a l'experimentació i una visió més pràctica del que podria arribar a ser un cotxe solar comercial. Aquest no estaria alimentat totalment per energia solar, però, reduiria considerablement el consum d'energies d'origen no renovables.

Il·lustració 2-1.Vehicle elèctric experimental amb sostre i frontal fotovoltaic.

Altres vehicles experimentals utilitzen bateries per a propulsar-se. Aquest és el cas dels vehicles elèctrics. La funció d'aquestes bateries és molt diferent a la dels vehicles solars, ja que la seva funció és la de font d'energia. Evidentment en aquest cas l'origen d'aquesta energia es molt probablement no renovable, i per tant, la seva importància ha de ser mesurada bàsicament sota el punt de vista de la investigació i no com a objectiu final a aconseguir.

6

Il·lustració 2-2.Vehicle elèctric GM EV1.

L'avanç en el disseny de vehicles exclusivament solars ha estat espectacular en l'últim decenni. 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, o bé que és possible creuar Austràlia a una mitjana propera als 90 km/h usant menys potència que la necessària per a fer funcionar un assecador del cabell. Aquestes característiques són, de ben segur, les que més fàcilment defineixen l’Aurora 101, l’últim vencedor de la WSC (1999).

Il·lustració 2-3.Perfil frontal Aurora 101.

2.1 Característiques i fets diferencials. El què fa diferent un vehicle solar de la resta de vehicles és, sens dubte, la elevada necessitat d'eficiència energètica que han de considerar tots els aspectes tècnics del vehicle, tant els lligats a la captació d'energia com al seu aprofitament. Aquesta necessitat d'alta eficiència, deriva finalment amb les espectaculars i estranyes formes d'aquest vehicles, que són en definitiva, els Fòrmula 1 de l'eficiència. Els dos factors decisius que definiran la capacitat màxima d'un vehicle solar són la capacitat de captació de radiació solar i l'estalvi energètic o minimització de pèrdues (aerodinàmiques, mecàniques ...).

7

Il·lustració 2-4. L'aurora. Un prodigi aerodinàmic.

El primer fet observable i diferencial dels vehicles solars és la incorporació de cèl·lules solars. El receptacle d'energia. Aquestes cèl·lules són el primer pas en el metabolisme que desenvolupa un vehicle solar. L'aspecte fosc i brillant dona als vehicles un aspecte elèctric i futurista. La potència màxima captada depèn de l'eficiència de les cèl·lules fotovoltaiques i de la superfície de captació. La captació d'energia solar. Cèl·lules i superfícies de captació. Les cèl·lules solars utilitzades en els actuals vehicles solars per la majoria d’equips en 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 d’unes cèl·lules d’un elevat rendiment de conversió d’energia. 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%.

Il·lustració 2-5. Cèl·lules fotovoltaiques del

Despertaferro

8

Malgrat aquestes cèl·lules d’alt rendiment tenen encara avui un elevadíssim cost, les investigacions realitzades en aquest camp, al marge de servir per ampliar coneixements relacionats amb la conversió fotovoltaica, tindran una gran repercussió en futures aplicacions comercials per a electrificació rural o urbana, amb el consegüent abaratiment de costos. No en va, 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. En quan a la captació d'energia solar, és imprescindible disposar la màxima superfície amb cèl·lules fotovoltaiques. S'han desenvolupat variades formes de plataformes per captar eficientment la radiació solar, des de les fixes integrades a la carrosseria del vehicle fins a sofisticades plataformes mòbils orientables.

Il·lustració 2-6. Vehicle solar amb plataforma

orientable

Les distribucions que han donat un resultat millor han estat les incorporades directament a la carrosseria, ja que, encara que es perd un moderat percentatge d'energia no captada (angle no òptim respecte incidència normal), el guany aerodinàmic compensa àmpliament la pèrdua de captació òptima, i més avui en dia, on les velocitats dels prototipus ja superen els 100 Km/h, i les plataformes orientables suposen un perill enfront l'estabilitat del vehicle.

Il·lustració 2-7 Vehicle electro-solar “Spirit of Canberra” amb cèl·lules integrades a la superfície.

9

Els enemics del vehicle solar. Els enemics naturals del vehicle solar són tres: -les pèrdues aerodinàmiques. -les pèrdues mecàniques. -el pes. Tots tres factors condicionen les prestacions finals de qualsevol vehicle. Aquest fet però, és de importància cabdal en un vehicle on l'input d'energia és de l'ordre de 100 vegades inferior al d'un vehicle convencional. El perfil aerodinàmic ens defineix com penetra el vehicle un medi fluid. L'objectiu principal d'un bon perfil aerodinàmic és que el sistema fluid -en el nostre cas l' aire- quedi el menys pertorbat possible després del pas d'un objecte a través d'ell. Existeixen objectius secundaris -no per aixó menys importants- en quan a l'aerodinàmica, com pot ser la sustentació o absorció del vehicle cap al terra, un terme que pren una gran rellevància en vehicles poc pesats. El primer objectiu però, és minimitzar les pèrdues per fricció amb el medi fluid, és a dir, "passar sense ser notat". El coeficient aerodinàmic d' un vehicle, depèn del disseny i està directament relacionat amb la força de resistència a l'avanç, la densitat de l'aire, la velocitat relativa a l'aire, y l'àrea frontal del vehicle.

KD = 2 FD / þ. c2.AD –KD: Coeficient aerodinàmic. –FD: Força, resistència a l'avanç. - ρ: Densitat de l'aire. –c: Velocitat relativa a l'aire. –AD: Àrea frontal

De la fórmula es dedueix clarament que si disminuïm l'àrea frontal, la força de resistència a l'avanç disminuirà sempre que es mantingui ( o es disminueixi) el coeficient aerodinàmic. En aquest punt s'ha d'arribar a una solució de compromís, ja que hem de comptar amb una àrea frontal però sense perjudicar el coeficient aerodinàmic.

10

Il·lustració 2-8 Maquetes en simetria per a simular el terra

El pes és un factor importantíssim a tenir en compte, ja que afecta negativament en dos aspectes en quan a eficiència energètica. Un d'ells és referent a l'energia destinada al guany d'energia potencial quan el vehicle està pujant un pendent. La potència necessària per pujar una pendent a velocitat constant és:

)(... αsinvgmPot = Equació 1

On m és la massa del vehicle, g la gravetat, v la velocitat i α l'angle del pendent. El pes del vehicle incideix negativament també en el denominat coeficient de rodadura, o la dificultat a l'avanç que té una roda per avançar, aquesta resistència a la rodadura, com veurem més endavant, depèn d'altres factors (diàmetre de la roda, material del pneumàtic, pressió, velocitat...) però el pes, podem avançar que afecta de manera proporcional a la magnitud de la resistència donada per aquest afecte. Així doncs, el pes ha de ser disminuït tant com sigui possible, ja que només aporta inconvenients en el rendiment energètic. Aquest fet és observable en tots els vehicles, en els quals s'han realitzat grans inversions per a disminuir el pes mitjançant materials d'última generació. Les pèrdues mecàniques són les que s'estableixen en la transmissió de potència i moviment entre els diferents elements interns del vehicle. A diferència de les pèrdues aerodinàmiques, on les pèrdues s' estableixen entre el binomi (sistema-entorn), les pèrdues mecàniques són generades de manera interna dins del mateix vehicle, aquestes, per tant poden ser reduïdes en gran mesura si s'estableix un disseny òptim i es minimitza el nombre d'elements mòbils. Les principals pèrdues mecàniques es produeixen als coixinets de les rodes, contactes de fricció (sistema roda-vehicle), i sobretot, a la transmissió. És en la transmissió on s'ha produït un avanç i un salt qualitatiu més important en els vehicles solars. En els vehicles convencionals, la transmissió de potència des de la sortida del cigüenyal fins a la mateixa roda passa per a una multitud d'elements mòbils, en els que existeix en cada contacte una pèrdua per fricció. A grans trets es pot afirmar que per a cada element mòbil es perd una eficiència mínima de 0,98

11

punts, és a dir, que per a una cadena de n elements es té una potència eficaç final de:

ninifinal PotPot 98,0.=

Equació 2

Aquest fet va ser decisiu per a que es desenvolupessin motors acoblats directament a la roda, on el rotor del motor elèctric esdevenia part de la mateixa llanta de la roda, eliminant així, de manera definitiva i elegant els elements de transmissió. Aquest és un dels fets més rellevants en quan a l'aportació tecnològica dels vehicles electrosolars.

Il·lustració 2-9. Motor acoblat directament a la roda

2.2 Limitacions El vehicle solar s’alimenta d’una font d’energia neta, gratuïta e inesgotable com és l’energia solar. A més, no emet cap tipus d’emissió contaminant de resultes del seu funcionament. Doncs si aquest nou concepte de vehicle fos explotable, de ben segur estaríem davant de la solució als problemes de contaminació ambiental i d’abastament 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. Existeixen però, encara avui en dia, una sèrie de factors que fan inviable la idea de vehicle solar com a una alternativa factible al vehicle convencional: • És necessària una gran superfície fotovoltaica per tal de captar la energia necessària. Amb el rendiment actual de les millors cèl·lules calen 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 esta composats per materials resistents i molt lleugers.

12

• Òbviament, en aquests vehicles l’autonomia depèn de les condicions de radiació. Cal reduir al màxim el pes en bateries. • El seu cost de fabricació, encara acceptant que es pugui fabricar en sèrie, seria actualment molt elevat.

2.3 Aplicacions i futur del vehicle solar. Quan el gener del 1983 Hans Tholstrup finalitzà 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 tant espectacular. Actualment, el temps establert en anar de Perth a Sydney s’ha fixat en 8 dies i mig (Aurora 101, 1994), molt per sota dels vint dies que s’invertí en aquella ocasió. El vehicle solar és un camp en constant evolució, i els vehicles solars actuals han assolit un nivell de prestacions tal que deixen oberta qualsevol especulació sobre les seves possibilitats futures. Les curses, veritables impulsores d’aquesta tecnologia, 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 es centra doncs en fer vehicles solars que tinguin cada cop més similituds amb el vehicle convencional, sense renunciar però a les brillants prestacions aconseguides pels vehicles monoplaça. 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 tipus de vehicles no representen fidelment el que serà el transport del futur, però malgrat tot, el seu desenvolupament de ben segur 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 del vehicle solar, com 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.

13

3 Components del vehicle solar. Tecnologia. Construir un vehicle solar com el Despertaferro, no tant sols va suposar un repte pel fet de ser un vehicle amb tecnologia especial, si no que a més, havia de ser un vehicle competitiu, i tenir unes prestacions mínimes que suposessin quelcom més que un vehicle amb cèl·lules fotovoltaiques connectades. Per tant, es va desenvolupar el vehicle sota la premissa de ser un projecte compacte, on totes les parts havien de respondre a un projecte únic i perfectament definit. En definitiva, un projecte professional per a competir en una cursa professional.

3.1 Quatre preguntes bàsiques. Les preguntes tècniques a plantejar-se abans de començar el projecte d'un vehicle electrosolar, i que finalment definiran el projecte són les següents:

•Com s'aguanta ? •Com interactua amb l'entorn ? •Com es propulsa ? •Com se'l domina?

Com s'aguanta ? És la pregunta que ha de ser resposta amb un sistema estructural capaç de suportar el pes del propi vehicle i les sol.licitacions que aquest hagi de patir. El sistema que suporta el vehicle pot ser bàsicament de dues modalitats: El sistema autoportant, és el sistema estructural que permet aguantar el vehicle mitjançant la mateixa carrosseria. És a dir, la part envolvent del vehicle té també, funcionalitat estructural. Aquest tipus d'estructura és la que utilitzen els vehicles convencionals, els quals estan desproveïts de xassís. El sistema amb bastidor, és el que incorpora un "esquelet estructural" que serà l'encarregat de suportar les principals sol.licitacions mecàniques. A aquest esquelet és el que s'uneixen la resta de components del vehicle. El Despertaferro es va realitzar amb aquest sistema.

Il·lustració 3-1. Bastidor del despertaferro.

14

Com interactua amb l'entorn ? El vehicle solar, vist com a sistema, està interactuant constantment amb el seu entorn : l'asfalt i l'aire. Aquests dos aspectes de l'entorn són els punts de màxim interès en que ens hem de centrar per aconseguir un vehicle realment competitiu. Quan menys es pertorbin el binomi sistema-entorn, més eficient serà el vehicle. Respecte el lligam vehicle-asfalt, el factor que determina la qualitat d'aquesta unió serà el conjunt (neumàtic-llanta-suspensió). La bona elecció d'aquests elements condiciona molts factors: pèrdues per fricció a l'avançament, adherència, comoditat, resposta a les irregularitats del terreny etc. ...

Il·lustració 3-2. grup llanta-suspensió del Despertaferro

Respecte el lligam vehicle-aire, la forma del vehicle determina les possibilitats extremes del mateix, essent l'aerodinàmica el factor clau d'un vehicle de competició, i més, a les velocitats que actualment s'assoleixen, superiors als 100 Km/h.

Il·lustració 3-3. Perfil aerodinàmic del despertaferro.

15

Com es propulsa ? Aquesta és la pregunta que té més components tecnológics com a resposta dins del projecte, ja que ha de respondre a la captació, transport, transformació i cessió final de l'energia, per tant, dins d'aquesta pregunta, hem de respondre a: 1.-Com disposarem els elements captadors d'energia (cèl·lules fotovoltaiques, camps diversos, orientació, superfície, etc ...) i quina tecnologia de cèl·lules podrem fer servir.

Il·lustració 3-4. Distribució de cel.lules dobre el despertaferro

2.-Com emmagatzemarem aquesta energia (tipologia de bateries)

Il·lustració 3-5. Pack de bateries.

3.-Com gestionarem l'energia (reguladors, estrategia, ...)

Ilustración 3-6. regulador Infranor.

16

4.-Quin és l'element propulsor; El motor elèctric és el cor del vehicle solar, és l'element que cedeix finalment l'energia en forma de treball a l'eix de les rodes, de la seva eficiència, pes i prestacions dependrà tenir un vehicle bo o excel·lent.

Il·lustració 3-7. Motor Mavilor

Com se'l domina? Aquesta pregunta ha de ser resposta amb el tipus de direccionament que s'incorporarà al vehicle. Existeixen moltes possibilitats, des de el típic volant, passant pel manillar, fins a sofisticats sistemes de politges amb cables, semblantment als que utilitza l'aeronàutica. El Despertaferro va ser proveït per un sistema tradicional de direcció amb multiplicador.

Il·lustració 3-8. Sistema de direcció incorporat al Despertaferro.

17

3.2 Visió general.El layout. El Despertaferro consta de les següents característiques: és un vehicle monoplaça de tres rodes, dos directrius en el tren davanter i una motriu en el posterior. Mesura sis metres de longitud per dos d'ample i un d'alt. Té un ample de via de 1,3 mi batalla de 2,5 metres. Totes aquestes mesures respecten l'estricte normativa de participació de la World Solar Challenge. El centre de gravetat del vehicle es troba sobre els 0,6 metres d'altura, el seu coeficient aerodinàmic és 0,16 y té una àrea frontal de 1,2 metros quadrats.

Il·lustració 3-9. Layout del Despertaferro.

Característiques:

Dimensions Pes (Kg) 252 Longitud (mm) 6000 Amplada(mm) 2000 Alçada(mm) 1050 Dist. entre eixos(mm) 2500 Dist. entre vies(mm) 1140 Dist. a terra (mm) 50 Nombre d’ocupants 1 Xassís/Bastidor Fibra de carboni

Aerodinàmica Àrea frontal (m2) 1,2 Coeficient aerodinàmic 0.16 Especificacions solars: Cèl·lules: 2464 Isofotón cèl·lules, monosilici, 95x31 mm2 àrea, 15 % eficiència Encapsulat: Recobriment amb barnís de poliuretà Especificacions de distribució: Àrea total (m2) 8 Voltatge (V) 230 Pes (Kg) 15 Potència total (W) 1100 MPPTs: 4 convertidors, 230W, 95%, TFM monofacturing

18

3.3 Subsistemes del vehicle. Una visió general. Els elements que van sorgir com a resposta a les quatre preguntes inicials del capítol 3.1, són la totalitat de components que conformen el vehicle solar. Tots ells han estat agrupats en els següents subgrups ,a fi i efecte de desenvolupar de manera integrada la totalitat del projecte. Els grups considerats són els següents: Cadascun d' aquests grups va ser desenvolupat per un subequip, el qual es feia responsable de la gestió de desenvolupament. Els grups havien d'estar en

Captació gestió de l'energia (part electrosolar)

Bastidor-carroceria (aerodinàmica- resistència de materials)

Elements mecànics(suspensió,direcció, frens ...)

19

constant contacte per avançar en el conjunt del projecte com si fos un de sol. Realment, era impossible avançar separadament, ja que cadascuna de les parts imposava criteris i restriccions sobre les demés. Cap dels subprojectes tenia doncs, sentit per si sol, només com a component d'un projecte més ampli. A continuació veurem en més detall com es van desenvolupar cadascun dels subprojectes.

3.4 Bastidor

3.4.1 Disseny del 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 sandwitch de fibra de carboni però utilitzant un nucli de major espessor que per a la carrosseria.

Il·lustració 3-10. Bastidor del Despertaferro.

L' estructura del bastidor consisteix en una caixa central de gran rigidesa en la que van muntats tots els elements i dispositius electro-mecànics 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 adhesivats 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.

20

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 per a que el pilot els pugui consultar en tot moment. Sobre els laterals de la caixa central s’hi disposen 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 per el 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.

3.4.2 Fabricació del bastidor Donada la gran envergadura i requeriments, el bastidor resulta un element que mereix una especial atenció per a estalviar pes al vehicle. En conseqüència, l' elecció de un material òptim y un bon disseny mecànic juguen un paper essencial per a obtenir un bastidor lleuger i rígid. Com s'ha comentat, el bastidor i la carrosseria estan formats per materials composites. Concretament s'ha treballat amb: • Fibra de Carboni preimpregnada amb resina epoxi (200g/m2). •Resina epoxi. •Nomex. És el nom comercial que es dona a una fibra formada per poliamida i kevlar que pren una forma alveolar de niu d'abella i que té un comportament excel·lent en quan a distribució de tensions sota càrregues de flexió. Aquest material s'utilitza àmpliament en la construcció d'aeronaus.

Il·lustració 3-11. Nòmex

21

•Plàstics termocomformables: PET, PC y Metacrilat. •Per a la construcció dels motlles també es van utilitzar altres materials com DM, aglomerat de fusta, llistons, espumes de PU, masilles, fibra de vidre i resina de polièster. Per a la carrosseria i bastidor s' han distingit els següents tipus de combinacions de materials en funció de les sol.licitacions: •Sandvitx de 8mm de NOMEX i fibra de carboni. Usat essencialment en les semi-carcasses inferior i superior així com en el morro. El sandvitx està format per un nucli de Nomex que fa d'element separador entre dos pells de fibra de carboni per augmentar la inèrcia de la secció se material. La mateixa curvatura de la carroceria contribueix a augmentar la rigidesa. •Sandvitx de 25mm de NOMEX i fibra de carboni. Aquesta estructura (de característiques anàlogues a l’anterior però de major rigidesa) s'ha aplicat en la construcció de l' habitacle i les costelles de suport. •Zones monolítiques de 4mm de fibra de carboni. La fibra de carboni sola en forma monolítica ofereix una extraordinària rigidesa i resistència que la fan òptima per a les zones de compromís fortament sol·licitades: anclatjes d'esmorteïdors, brides del motor, suport del basculant etc… La transició de l'estructura sandvitx a la monolítica es fa molt suaument, evitant discontinuïtats per a que no apareguin concentracions de tensions. PET, PC , Metacrilat. •S'ha disposat de materials termoconformables per a la fabricació de la carlinga. S' han assajat diversos materials termoconformats sobre un modelo de fibra de vidre y s'han fet carlingues de PET, PC i metacrilat.

22

3.5 Carrosseria.

3.5.1 Disseny de 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 es un punt a considerar amb deteniment ja que la seva forma i estructura influiran decisivament en dos paràmetres vitals per a aquests tipus de vehicle: • 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.

Il·lustració 3-12. Les modernes eines CAD/CAE han estat claus per al 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. La forma de la carrosseria es tal que permeti l’accés fàcil al pilot així com una posició de conducció confortable i amb bona visibilitat tant frontal com lateral.

Il·lustració 3-13. Accés a l’interior del Despertaferro.

23

A més, també ha de ser suficientment plana com per a poder servir de suport per a les plaques 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 sandwitch 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 incrementar més encara la resistència i rigidesa de la secció.

Il·lustració 3-14. En la figura podem observar els elements constitutius del

sandwitch: fibra de carboni, niu d’abella i resina epoxi.

L'estructura de la carrosseria era la següent: Carcassa superior Correspon a la peça de carboni que cobreix pràcticament la totalitat del vehicle i al damunt de la qual estan adhesivades les cèl·lules solars. Aquesta peça, malgrat ésser de carboni, porta un recobriment de fibra de vidre per aïllar la superfície de contacte amb les cèl·lules ja que la fibra de carboni condueix la electricitat. Carcassa inferior Peça de carboni adhesivada 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 posterior. La seva forma corbada i el fet de que estigui unida al bastidor acaba de donar la rigidesa necessària al vehicle. Morro Peça que dona 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. 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

24

anterior per a la seva verificació, posta a punt i reparació i l’accés al sistema elèctric de bateries i motor. Amb 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, radio funcionant, conjunts revisats, i les últimes instruccions donades, es tanca la comporta i el Despertaferro queda llest per a córrer.

Il·lustració 3-15. Evolució del tancament de la comporta d'accés al Despertaferro.

3.5.2 Fabricació de la carrosseria La fabricació s'ha dut a terme en els següents passos • Model a escala real del vehicle Es va construir un model a escala real del vehicle compost essencialment de fusta. El procediment comença amb la impressió de les seccions a escala real sobre tabliers de fusta i el seu posterior retall per a obtenir les diferents seccions de DM. Les seccions de DM se separen entre elles mitjançant unions de panells d'aglomerat diposats de forma transversal. Tot junt constitueix l'esquelet del model. A continuació es cobreix amb llistons tot l'esquelet i s'hi aplica espuma de poliuretà a les zones de més curvatura. Finalment s' enmassilla tot el model per donar-li continuïtat y suavitat a les formes.

Il·lustració 3-16. Creació del model amb làmines de fusta.

25

• Construcció de motlles. Sobre el model de fusta enmasillat, es laminen diverses capes de fibra de vidre que serviran de motlle per a aconseguir la peça final de carboni. Sobre les capes de fibra de vidre se adhesiven costelles d' espuma de PU que donaran resistència al motlle en el moment de desmotllar.

Il·lustració 3-17. Construcció de motlles

Una vegada obtinguts els motlles de fibra de vidre es procedeix a recubrir la seva part interior amb l'estructura de sandwich impregnada amb resina epoxi. Sobre el sandwich, es col·loca un paper de gelcoat que és un teixit absorvent que té la funció de retirar l'excés d'epoxi durant el curat. Finalment s'introdueix el model al forn durant 10 hores.

Il·lustració 3-18. impregnació i recobriment de l'epoxi

26

• Desmoldeig i adhesivat

Finalment, tant sols falta treure la bossa de buit i el teixit absorbent i obtenir les peces. Una vegada obtingudes les peces es procedeix a connectar-les amb epoxi.

Il·lustració 3-19. Conformació de les peces

3.6 Captació i transformació

3.6.1 Cèl·lules fotovoltaiques Les cèl·lules emprades en el Despertaferro són cèl·lules de silici monocristal·lí convencional, del rendiment més elevat disponible comercialment, les característiques de les quals són les següents: • Cèl·lules solars:

Tipus Isofotón Si monocristal-lí

Dimensions 95 x 31 mm

V circuit obert 600 mV

V mpp 503 mV

I curt-circuit 980 mA

I mpp 900 mA

Eficiència 15 % Característiques principals de les cèl·lules emprades

27

La mida d’aquestes cèl·lules és 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.

Il·lustració 3-20. Cèl·lula convencional de silici monocristal-lí

Per aquest motiu s’ha optat per treballar amb fraccions de cèl·lula, concretament s´ha optat per reduir-ne un dels costats de la cèl·lula originalment pseudo-quadrada a una tercera part. Les característiques elèctriques per a la nova cèl·lula es troben mantenint els valors de tensió i dividint els valors d’intensitat per tres, donat 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 minimitza la superfície morta o inútil. Tenint en compte que l’eficiència de la cèl·lula es del 15 %, s’ha vist la necessitat de recórrer al màxim de superfície permès 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 estandar de radiació (1.000 W/m2) i temperatura (25 ºC) és precisament de 1.200 Wp, el límit permès per l’organització.

28

Il·lustració 3-21. Diferent curvatura en la carcassa superior del Despertaferro

El següent pas ha estat la distribució de les cèl·lules sobre la superfície habilitada a tal efecte, i la divisió del conjunt en camps o conjunt més reduït de cèl·lules que treballaran de forma independent. Aquesta divisió en camps fotovoltaics és necessària degut a que, com ja s’ha comentat anteriorment, 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, essent molt difícil l’optimització del conjunt global. La definició dels camps ve doncs determinada pel fet d’intentar agrupar cèl·lules que tenen una orientació comú o bé que en cada moment treballaran totes sota les mateixes condicions d’irradiació.

Il·lustració 3-22. Dimensions dels 4 camps fotovoltaics (en mm)

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·lel respecte motor i bateries, i cadascun d’ells està

Molta curvatura

Poca curvatura

29

regit per un regulador, el qual n’optimitza la seva irradiació incidents , de forma independent a les condicions que s’estiguin donant en els altres tres camps.

• camps fotovoltaics:

- Nº 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.

Il·lustració 3-23. Exemple de ristra de cèl·lules solars en sèrie

Aquest tipus de connexió requereix d’una separació entre cèl·lules adjacents d’uns 2 mm, l’espai per 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. Donat que la configuració escollida per als reguladors és d’step-down, és a dir de conversió decreixent de voltatge de cèl·lules cap a bateries, cal que cada camp entregui la potència generada a un voltatge superior al voltatge 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 estàndard d’irradiació (1.000 W/m2) i temperatura (25 ºC), el voltatge quan el

30

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 60 ºC, la tensió del camp treballant 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. • Diodes de protecció: El fet de disposar d’un nombre elevat de cèl·lules connectades en sèrie permet treballar a un voltatge elevat i reduir-ne la intensitat, d’aquesta forma 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, degut a que al estar totes connectades en sèrie el rendiment de tot el conjunt queda condicionat pel rendiment de la més desfavorable.

Il·lustració 3-24. Diodes de protecció Schottky de 3 A i 40 V

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 demés. Si aquesta situació s’allarga en el temps la cèl·lula pot arribar a escalfar-se per sobre la seva temperatura límit (85 ºC) que arribar a malmetre definitivament la cèl·lula i a obrir la sèrie. Per impedir aquesta circumstància, és costum de situar en antiparal·lel amb un conjunt de cèl·lules associades en sèrie un diode, de tal manera que quan aquestes es polaritzen inversament el diode ho fa positivament. Això proporciona un camí fàcil de pas per a la corrent deguda 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 es situa un diode de pas per cada 18 cèl·lules, però donat que en el nostre cas es disposa de ristres de 21 i de 28 cèl·lules, s’ha col·locat un diode de pas per cada ristra. D’aquesta manera s’evita la possibilitat de que el rendiment del camp caigui notablement degut a una cèl·lula defectuosa. Els diodes de pas emprats en cada una de les 96 ristres del vehicle són diodes Schottky de 3 A i 40 V de tensió de ruptura, valors suficients donat que la corrent màxima 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 diodes tenen una caiguda de tensió en conducció molt baixa que en minimitza les pèrdues en cas de conducció.

31

• 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 Tedlar, opaca la de darrera i transparent la de davant, es va optar per realitzar un encapsulat consistent en una simple capa vernís de poliuretà transparent, aplicat directament sobre la superfície de les cèl·lules amb un gruix d’unes desenes de micres.

Il·lustració 3-25. Vernissat de poliuretà transparent aplicat a les plaques.

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, la seva gran avantatge radica en el fet que el seu poc gruix permet una mol bona refrigeració de la cèl·lula, el que millora el seu rendiment. També és cert que en cas de trencament d’alguna cèl·lula, la prima capa de vernís en permet la seva substitució (només de la cèl·lula malmesa). Abans d’aplicar-se el vernís, cada una de les cèl·lules ha estat adhesivada i fixada directament a la superfície del vehicle.

32

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

Il·lustració 3-26. Resultat final obtingut en el Despertaferro

3.6.2 Bateries Malgrat 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 tant favorables fa que les prestacions del vehicle millorin notablement. Les bateries permeten doncs un aportament addicional d’energia en situacions en que aquest es fa necessari, com per exemple alhora de superar una 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 la que té un vehicle purament elèctric. En un vehicle solar, la major part de l’energia prové directament de les cèl·lules, essent les bateries un element que permet 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 és molt superior. Amb les bateries s’introdueix també el concepte de tàctica durant una cursa, això és, 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 màxim, a la velocitat que permeti la radiació solar incident. Només es permet la càrrega de les bateries mitjançant les cèl·lules del vehicle, i aquesta es pot fer des de el matí fins al capvespre. És motiu de desqualificació la recarrega mitjançant altres fonts, i el seu reemplaçament durant la cursa, en cas de ser necessari, és durament penalitzat.

33

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 Wh (producte de la tensió total en V per la capacitat total en Ah a les 20h). 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 en la següent taula

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

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 ha estat el següent: • 16 bateries YUASA NP12/12 de Pb/àcid estanques, sense manteniment de 12 V i 12 Ah (Capacitat a les 20h). • Layout: 16 bateries connectades en sèrie. • Tensió nominal conjunt: 192 V • Energia total: 2.304 Wh (192 V x 12 Ah) . • Pes total: 64 kg.

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 per la corrent d’aire que, al avançar el vehicle, entra per els faldons de les rodes davanteres.

34

Les bateries de plom/àcid, malgrat són les que tenen una pitjor densitat energètica, tenen un comportament prou robust pel que fa a nombre de cicles de càrrega descàrrega, així com a eventuals sobrecàrregues o descàrregues excessives. El seu estat de càrrega és fàcilment estimable mitjançant una simple mesura de tensió entre terminals, i per aplicacions de tracció són les més esteses encara que el seu rendiment és més baix que el d’altres tipus. Les bateries de plom són econòmicament les més assequibles. En la següent taula es resumeixen els diferents tipus de bateries emprats fins al moment per tots els vehicles participants en les 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 Wh.

Any

Nº

cotx

es

Pb/à

cid

Ag/Z

n

Ni/C

d

Ni/Z

n

Li/Ió

NiM

H

22 11 10 1 - - -

1987

Top 6 1 5

36 18 14 - 4 - -

1990

Top 6 1 5 - - - -

52 23 17 - 12 - -

1993

Top 6 1 4 - 1 - -

46 25 13 2 5 1 -

1996

Top 6 1 5 - - - -

40 20 5 - 2 9 4

1999

Top 6 - 2 - - 3 1

Tabla 1. Taula-resum dels diferents tipus de bateries emprats en vehicles solars en passades edicions de la WSC

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 sembla estan essent desplaçades per la nova tecnologia de les bateries de Ió-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,

35

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, 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) acabà en segona posició utilitzant bateries de Ni/MH.

WSC 1987

Pb/àcid50%

Ag-Zn45%

Ni-Cd5%

Pb/àcid Ag-Zn Ni-Cd

WSC 1999

Pb/àcid49%Ag-Zn

13%

Ni-Zn5%

Li Ió23%

Ni-MH10%

Pb/àcid Ag-Zn Ni-Zn Li Ió Ni-MH

Il·lustració 3-27. Evolució de l’ús de les diferents tecnologies de bateries en la WSC. A dalt any 1987. A baix any 1999.

36

3.6.3 Reguladors • Reguladors MPPT: Els reguladors amb funció de buscador del punt de màxima potència converteixen el voltatge de treball del camp fotovoltaic al voltatge de càrrega de les bateries, i a més busca en cada moment quin és el voltatge en de treball del camp en el qual s’aprofita la màxima potència del sol (funció també anomenada Màximum Power Point Tracker). Aquesta conversió de voltatge 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 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 el voltatge 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.

Il·lustració 3-28. Regulador de la casa Infranor

Hi ha un regulador per cada un dels quatre camps, i tots quatre són iguals ja que també ho són els camps. El voltatge 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 comprés entre 230 i 315 V. Aquest rang contempla tots els valors de funcionament del camp per a totes les condicions d’irradiació 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 fa el seguiment de càrrega de les mateixes. Això és així perquè aquesta funció pot arribar a complicar en gran mesura el disseny del regulador, essent a més poc necessària, donat 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

37

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 a leds en cada regulador permeten visualitzar el funcionament de cada camp des de la posició del conductor.

38

3.6.4 Motor 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 que, mitjançant una sèrie d’elements intermitjos, acaba trasformant-se en el moviment de la roda i, per tant, del cotxe. Com sabem, el Despertaferro va ser dissenyat per a participar en un cursa i, en aquest cas, no existia cap normativa que afectés al motor, així que aquest va ser triat mitjançant una sèrie d’exigències que va fixar el Equip Mediterrani :

Il·lustració 3-29. Imatge de la família de motors “Brushless Ac” de la casa Mavilor.

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 que el conductor no hagi de fer més que

estar per la circulació.

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 llença en forma

de calor als frens.

6. Manteniment del motor mínim.

7. Volum petit.

8. Cost baix.

D’aquesta manera, mitjançant aquests paràmetres, es van anar eliminant possibilitats de motors, ja fos 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 del la seva gamma de productes.

39

Finalment l’Equip Mediterrani es va decidir per un motor “Brushless AC”, funcionament del que parlarem més endavant.

El motor que incorpora el Despertaferro és el model MA-55 del fabricant Mavilor, i les seves característiques tècniques són :

Característiques Símbols Unitats MA-55

Velocitat màxima N Rpm 6000 Parell a rotor

bloquejat Ms Nm 31,8

Corrent a rotor bloquejat

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

reductància Tr Nm <0,6

Resistència de bobinat

R Ω 0,2

Inductància de bobinat

L MH 1,9

Inèrcia J Kgm210-3 3,60 Constant de temps

mecànica τM ms 1,6

Constant de temps elèctrica

τE ms 7,6

Constant de temps tèrmica

τTH 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

A continuació podem observar un nou detall del muntatge del motor dins del Despertaferro. Podem observar que es va incorporar una transmissió mitjançant una cadena que permet més suavitat en el consum i més facilitat a l’hora de superar pendents elevades.

40

Il·lustració 3-30. Muntatge del motor.

Il·lustració 3-31. Imatge real del motor en el Despertaferro.

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 apropiat per a determinades aplicacions.

Il·lustració 3-32. Esquema d’un motor elèctric de corrent continu

41

Il·lustració 3-33. 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 de energia possible, ja que el que interessa és treure el màxim profit de l’energia que ens proporcionen les plaques solars. D’aquesta manera, ens referirem amb un motor amb un rendiment elevat a aquell motor en que la diferència entre energia que li proporcionem i l’energia que aquest transforma en moviment és petita. La equació que calcula el rendiment del motor és la següent :

100(%) ⋅=entrada

sortidamotor Energia

Energiaη

Equació 3. Rendiment

Centrant-nos doncs en aquells motors que podem trobar en normalment al mercat, 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, ja que eliminen gairebé tots els problemes dels motors de escombretes ( motors de corrent continu ). Aquests problemes tot sovint es entren en el manteniment de les escombretes, ja que aquestes no són més que un element del motor que contínuament es manté en fregament entre la part mòbil i la part fixa del motor. A més, cal destacar que la eliminació de les escombretes impliquen 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, avui en dia, són altament 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

42

els debanats o conductors del seu estàtor es troben distribuïts uniformement al llarg d’aquest. Pel que fa als “DC brushless”, els seus debanats de l’estàtor es troben en uns punts determinats d’aquest, enlloc d’estar distribuïts. Vegem-ho :

Debanats de l’estàtor

Imants permanents del rotor

Il·lustració 3-34. Motor “DC brushless”

Com podem veure, el seu funcionament és bastant simple, ja que en el moment en que són alimentats els debanats de l’estàtor, 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’estàtor, degut a que com hem dit, els seus debanats es troben distribuïts.

Debanats distribuïts al llarg de l’estàtor

Imants permanents del rotor

Il·lustració 3-35. Motor “AC brushless”

43

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 plaques solars és continu, en cas d’utilitzar un motor d’aquest tipus, caldrà eliminar el conversor continu/altern ( pont rectificador de diodes ) que es troba a la entrada del circuit elèctric. • Motor d’inducció : El motor d’inducció, tot i tenir unes característiques de treball prou bones per a ser fet servir en els cotxes solars, presenta de bon principi el inconvenient de ser un motor de corrent altern, En aquest cas parlem de inconvenient degut a la necessitat de convertir el corrent continu que generen les plaques solars i que s’emmagatzema a les bateries en corrent altern abans d’entrar al motor. Un conversor de corrent continua a corrent altern, encara que puguin ser petites, sempre genera unes pèrdues que implicarien una pèrdua de rendiment del conjunt elèctric del vehicle. El motor d’inducció te un funcionament molt similar al “AC brushless”, ja que el camp elèctric es genera mitjançant els debanats de l’estàtor que es troben distribuïts al llarg d’aquest, 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 que es veu atret pel primer. Veiem un petit esquema del motor d’inducció per a fer-nos una mica més a la idea de com funciona :

Debanats de l’estàtor

Debanats del rotor

Il·lustració 3-36. Motor d’inducció

3.6.5 Introducció al funcionament elèctric del Despertaferro En primer lloc, per a poder entendre el funcionament elèctric del vehicle electro-solar es descriuran els elements elèctrics fonamentals de que es composa i quin és el seu paper dins del sistema elèctric.

44

Les plaques 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 plaques solars funcionen com a generadors d’energia. El total del plaques solars s’ha distribuït en quatre camps que funcionen de manera independent. Aquesta energia que com veurem més tard, s’utilitzarà per a moure el vehicle, s’ha d’emmagatzemar per a poder consumir-la quan sigui necessari. Per tant, és l’hora de parlar de les bateries, que assumiran 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 plaques solars, i que l’hem emmagatzemat dins de les bateries.

Il·lustració 3-37. Layout elèctric del Despertaferro

El motor elèctric, serà l’encarregat de transformar l’energia elèctrica en moviment, és a dir, principalment 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 més profundament algunes de les seves peculiaritats. Com s’ha dit fa un moment, 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, és a dir, similar al d’una bicicleta. Però el motor, no només pot actuar com a consumidor d’energia quan està estirant al vehicle, sinó que també es pot fer funcionar com a generador. Això significa, que si s’inverteix el sentit de gir del motor, aquest, frenarà de manera suau al vehicle, però amb la avantatge de que ho farà transformant l’energia cinètica deguda a la velocitat en energia elèctrica. Si aquesta energia és emmagatzemada per les bateries, significarà que el Despertaferro, està carregant les bateries amb l’energia que s’hauria perdut als discs de frens si

45

haguéssim utilitzat el fre estandar del vehicle. Aquest tipus de fre, que aprofita la velocitat per generar electricitat, s’anomena fre regeneratiu. Per tant, és molt important poder emmagatzemar l’energia, ja que, no només ens podem trobar amb situacions com la descrita anteriorment, sinó que l’energia generada per les plaques solars, no és constant ni amb temps ni amb magnitud. Això es degut en molts dels casos, a les ombres que ens podem trobar dins del recorregut, que faran que disminueixi l’energia generada per les plaques, i també a què el sol variarà la seva radiació segons els núvols, l’hora del dia i de la meteorologia. Així doncs, les bateries ens asseguren un mínim d’energia disponible per als casos on les plaques solars generen insuficient energia per a moure el Despertaferro.

3.6.6 Balanç energètic Quan parlem de balanç energètic d’un vehicle, ens referim a què és el que se’n fa de tota l’energia que és proporcionada al vehicle. Així doncs, en el cas d’un cotxe solar, haurem d’esbrinar en què es converteix l’energia captada per les plaques solars. Per a conèixer el balanç energètic ens caldrà saber els rendiments de tots els elements de intermitjos entre la captació de l’energia i el moviment del cotxe. Una vegada coneguts, podem representar el balanç energètic del Despertaferro de la següent manera :

Pèrdues mecàniques

2%

Energia que es transforma en

moviment13%

Pèrdues elèctriques

2%

Pèrdues a la captació d'energia

83%

Il·lustració 3-38. Balanç energètic del Despertaferro

Com podem observar, la principal pèrdua d’energia dels cotxes solars és la que es produeix en la captació de l’energia, ja que, en el cas del Despertaferro, estem parlant d’unes pèrdues superiors al 80 % de l’energia emesa per el Sol. Balanç energètic dels cotxes solars: El balanç energètic de qualsevol dels cotxes solars construïts fins al moment no és pas gaire diferent al del Despertaferro, ja que com hem vist, com que la principal pèrdua d’energia en tots els casos es produeix en aquella energia que

46

les plaques solars no són capaç d’absorbir, en un factor d’importància superior al 75 % de l’energia per a qualsevol dels cotxes solars actuals. Això provoca que les diferències que poden fer que un equip guanyi una cursa es troben en millores aconseguides mitjançant moltes hores de investigació i desorbitades xifres de diners que fan 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, etc.

Energia que es transforma en

moviment20%

Pèrdues elèctriques

1%

Pèrdues mecàniques

1%

Pèrdues de captació de la

energia78%

Il·lustració 3-39. Balanç energètic del “ Honda Dream“

La conclusió d’aquest apartat és que fins al moment, el principal inconvenient per a la construcció dels cotxes solars és la gran superfície de plaques solars que es necessiten per a captar l’energia suficient per a poder circular, ja que com hem vist en els balanços energètics, aproximadament un percentatge del 80 % de l’energia no som capaços de recollir-la i conduir-la cap a les bateries.

3.7 Suspensió. El sistema de suspensió és el conjunt d'elements que s'interposen entre el bastidor i les rodes per tal de realitzar les següents funcions: - Assegurar la comoditat del conductor - Aconseguir l'estabilitat del vehicle Esmorteir les vibracions provocades per les irregularitats del terreny, amb el fi de protegir els òrgans del vehicle i els seus passatgers. Els elements de suspensió han de tenir la suficient capacitat per 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 oscil·lacions , i per amortir el moviment oscil·lant de la carrosseria, mantenint-la estable. Per un vehicle solar, a més a més, tenir una suspensió lleugera és, també, una característica especialment important. A l’hora de parlar de la suspensió, podem distingir entre l’aplicada a les rodes davanteres i l’aplicada a les rodes posteriors.

47

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 mangueta, 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 (com parlarem més endavant.

Il·lustració 3-40. Suspensió davantera del Despertaferro

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 ara forquilles de bicicletes o, si hi tenim dues rodes, suspensions similars al tren anterior), el més comú és posterior és la suspensió per mitja de 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

48

Il·lustració 3-41. Suspensió posterior del Despertaferro

3.8 Rodes les rodes poden semblar a primer cop d'ull uns elements de 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 per tant, de la eficiència que tinguin les rodes per avançar pel seu medi en dependrà en gran mesura la suavitat en que el vehicle solar es podrà desplaçar. Per tant, les rodes, composades 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 pel seu avanç en un ferm són dos : La resistència a la rodadura i la divergència d’ambdues rodes directrius respecte al centre de gir. La primera, la resistència a la rodadura és un fenomen físic que existeix sempre, tant si el vehicle està aturat com si aquest està en moviment. El fenomen físic és complexa, hi intervenen multitud de variables com poden ser la pressió dels pneumàtics, càrrega a suportar, radi de la roda, estat del ferm... però a grans trets, la resistència a la rodadura és l'esforç que a de vèncer una roda que no és perfectament rodona per avançar per un ferm que no és perfectament llis.

A B

Il·lustració 3-42. Tipologies de rodes.

A) Roda perfecte en ferm ideal.

B) Roda Real. Es necessita una força Fr

49

Aquest esforç es pot però reduir augmentant el radi de les rodes i la pressió dels pneumàtics, i sobretot, disposant d'un pneumàtic dur d'alta recuperació elàstica. Es per aquesta raó que la majoria de vehicles solars calcen uns pneumàtics d'altes prestacions, els quals tenen un coeficient de rodadura molt inferior als dels vehicles convencionals. A l'hora de dissenyar el Despertaferro es va optar per pneumàtics d'alt rendiment, això però, va comportar a 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.

Il·lustració 3-43. llanta de fibra de carboni

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

Pel Despertaferro però, se li van construir llantes especials d'aleació d'alumini, dissenyades i construïdes expressament pel primer vehicle solar del país.

Il·lustració 3-44. Llanta davantera del Despertaferro

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

50

Il·lustració 3-45. Simulació amb elements finits

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. Quan un vehicle gira, aquest 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 (fig. 4.4a). Això implica la necessitat física de que les dues rodes girin angles diferents quan s'està realitzant un gir. Si aquest fet no es complís es produirien lliscaments entre les rodes directrius i el terra, comportant a frecs no desitjats, possibilitats d'iniciar derrapades i sobretot continues pèrdues energètiques.

3.9 Direcció Per a solventar aquest fet existeixen dues possibilitats: La primera és tenir una sola roda directriu central, amb el que s'elimina totalment el problema d'incompatibilitats en el gir, i com a segona opció 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.

a b

51

Il·lustració 3-46. Sistema de direcció

El sistema de direcció permet controlar la 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 composades de 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 en quan al mecanisme de direcció. No obstant, la majoria de vehicles es proveeixen de petits manillars, en els quals s'hi incorporen i s'hi concentres altres funcions a part de la gobernavilitat del vehicle : frenada, intermitència, connexió amb radio, senyal de potència al motor ... afavorint així a una conducció més segura i sense distraccions.

Il·lustració 3-47. Primers esbossos del sistema de direcció

52

3.10 Frens El sistema de frenada és tot aquell conjunt de peces que tenen com a funció principal aturar el vehicle. 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, etc. Els elements que componen 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) 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 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. 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: 3 frens de disc i unes manetes de fre implementades en el manillar

Il·lustració 3-48. Detall del sistema de frenada

del Despertaferro. S’aprecia el disc de fre (peça blau transparent) i la pinça de fre (peça verda i

blava

53

3.11 Altres elements Tots els vehicles que podem trobar circulant per les carreteres, disposen d’una sèrie d’aparells, en alguns dels casos obligatoris, que serveixen per a que el conductor tingui informació de velocitat, consums... i també elements indicadors, com per exemple els intermitents; el Despertaferro doncs, com a vehicle homologat per a la conducció en carretera, disposa d’aparells habituals també 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 plaques solars i del banc de bateries de potència del Despertaferro.

Elements obligatoris: - Intermitents. - Intermitents d’emergència. - Clàxon - Llum de fre - Interruptors de seguretat, per tallar el subministrament elèctric. - Cinturó de seguretat. 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 el material elèctric que tots podem trobar a casa nostra, com són els magnetotèrmics i diferencials, doncs ens protegeixen de sobretensions i alhora serveixen per activar-desactivar la red elèctrica de potència, funcionant com a interruptors generals. En podem trobar dos que estan a l’abast del pilot, i altres dos que estan a l’abast de l’equip tècnic del vehicle, per si el pilot no és capaç de desactivar-los, per exemple en cas d’accident o avaria.

Il·lustració 3-49. Manillar del Despertaferro, amb el clàxon (blau), intermitents (vermell).

Com es pot veure en les fotografies, el Despertaferro es comanda amb un manillar molt semblant al d’una motocicleta. Altres elements: - Maneta de gas - Canvi de sentit de gir (marxa enrera-fre motor o regeneratiu) - Velocímetre

54

- Sensors de temperatura - Amperímetre de plaques solars - Amperímetre de motor - Mesurador de bateries - Caixa d’interruptors de control i led’s de funcionament de plaques solars Tots aquests elements han d’estar a l’abast del conductor, doncs s’ha de disminuir al màxim que el pilot desviï la vista de la carretera, i per tant pugui patir algun accident. La maneta del gas, té el funcionament igual al d’una moto, però amb la peculiaritat de que no estira d’un cable, sinó que porta un potenciòmetre lineal acoblat, i al girar-la variem la resistència d’aquest. Al variar la tensió de consigna de velocitat , el motor intenta adaptar-se a la nova velocitat demanada. El velocímetre que s’ha utilitzat és un aparell típic de mountain-bike, muntat en la roda del darrera. En 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. S’ha incorporat una renglera de led’s, concretament 4, un per a cada camp de plaques solars. Mitjançant aquests led’s es sap si les plaques estan funcionant correctament. Per últim, també hi ha l’interruptor que serveix per donar tensió a tots els instruments que s’alimenten de la bateria auxiliar . Els amperímetres serveixen al pilot per saber quanta energia s’està rebent de plaques 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. Telemetria – Mesurador de bateries Aquest aparell, capta la tensió del banc de bateries i la intensitat que hi circula, per tant és un element importantíssim, doncs sabrem si malgrat tenir les plaques subministrant energia al motor, en fa falta més (que la subministra la bateria) o per contra, ens en sobra i s’estan carregant les bateries. Una altra dada molt important que ens dona el mesurador de bateries és el consum mitjà

Despertaferro Cotxe suport

55

que s’està obtenint de bateries, en forma d’ampers per hora. Com que es sap de quants Ah són les bateries del Despertaferro, es pot fer una aproximació de l’energia que ens queda disponible 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 radio-modem que porta incorporat el Despertaferro. Les dades que va generant el mesurador de bateries, es van enviant per radio-modem a un altre radiomódem que es troba situat al cotxe del davant, i posteriorment, el radio-modem receptor està connectat a un ordenador portàtil. 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. Doncs en cursa, es disposava dels pendents de la carretera i es podia realitzar càlculs per saber amb certa fiabilitat com s’havien d’afrontar els quilòmetres següents. Per altre banda, 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 en l’altre cotxe. La resta d’equips de cotxes solars, per norma general, utilitzen un aparell molt més complexa, i per tant d’un preu molt elevat, que s’anomena Datalogger. Aquest equip, té 20 canals de recepció de dades i per tant es té molta més informació del vehicle. A més ja es ven en forma de kit, conjuntament amb els módems i la resta de material.

56

L'equip Mediterrani amb el Despertaferro a Sidney.

57