Konceptstudie av solcellsdriven bil
Richard Hansson EXAMENSARBETE 2011 Magister Industridesign
Konceptstudie av solcellsdriven bil
A concept study of a solar car
Richard Hansson This degree project is performed at the School of Engineering in Jönköping in the subject field Industrialdesign. The project is a result of the master program ndustrialdesign. The writers are responsible of the result, conclusions and I reflections. Tutor: Lars Eriksson D‐level) Extent: 30 points ( 0 Date: 2011‐06‐1 Filing number:Abstract
World Solar Challenge is a competition in Australia held to promote the development of renewable energy sources. In this competition universities around the world participates and build their own solar driven car. This car should then be driven between Darwin and Adelaide, a distance of approximately 3000 km thru Australia on the shortest time as possible. This project is a collaboration with School of Engineering in Jönköping for a coming course where students can apply and then participate in World Solar Challenge 2013. This course makes it possible for students to build a solar car which will be driven and a part of the competition. By putting demands that is necessary and desirable in a function analysis the project gets a starting‐point and a support that decides how the concept should look like and which of the demands that should be implemented. The restrictions which the management of the competition for World Solar Challenge has established can be converted to necessary demands in the function analysis. The research, restrictions and those theories of the aerodynamic aspects has decides how the concept is designed. The result of this project is a solar car that with help of its connective shape can acquire its good aerodynamic properties and also in this way have a good opportunity to compete of a top placing in the World Solar Challenge. The concept is called Sting and is a three wheeled vehicle with a solar array of 6 m2 which is the allowed surface of silicon cells. Thanks to the design of Sting with the drivers cabin placed in the front of the vehicle the air resistance doesn’t affect the rear as much, which is the part that is exposed to most of the turbulence. In this way the rear can be designed as thin and sleek as possible to easier connect the airstreams again, without turbulence. Core considerations for the concept are: speed, environmental friendliness, aerodynamics and alternative energy sources. Thru this project the concept can be further developed in the coming course at School of Engineering in Jönköping. The conclusion is that the concept fulfills those demands that where established in the function analysis and it can be a base for the course with a good starting‐point.Sammanfattning
Sammanfattning
World Solar Challenge är en tävling i Australien vars syfte är att främja utvecklingen av förnyelsebar energi. Här deltar olika universitet runt om i världen och för att bygga en solcellsdriven bil som drivs av solens energi. Den ska sedan köras en sträcka mellan Darwin och Adelaide på dryga 300 mil genom Australien på kortast möjligast tid. Projektet görs för Tekniska Högskolan i Jönköping till en kommande kurs som studenter kan söka sig till för att delta i World Solar Challenge 2013. I kursen ingår att bygga en solcellsbil som man sedan tävlar med. Genom att sätta upp krav som är nödvändiga och önskvärda i en funktionsanalys får projektet en utgångspunkt och ett stöd som bestämmer hur konceptet ska se ut och vilka krav som måste uppfyllas. De restriktioner som tävlingsledningen för World Solar Challenge upprättat kan omvandlas till nödvändiga krav i funktionsanalysen. Researchen, restriktionerna och de teorier som de aerodynamiska aspekterna pekat på bestämmer hur konceptet är utformat. Resultatet i projektet är en solcellsbil som med hjälp av sin sammanhängande form får goda aerodynamiska egenskaper och kan på det sättet konkurrera om en topplacering i World Solar Challenge. Konceptet kallas Sting och är ett trehjuligt fordon med en solcellsyta på 6m2 som är den tillåtna ytan för kiselsolceller. Genom att placera förarhytten framtill påverkar inte luftmotståndet bakänden lika mycket, som är den del som utsätts för mest turbulens. Bakänden kan på detta sätt smalnas av och föra samman luftströmmarna igen utan att det uppstår turbulens. Designen av Sting kommer från fyra värdeord vilka är: snabb, miljövänlig, aerodynamisk och alternativa energikällor. Genom detta projekt kan konceptet utvecklas vidare i den kommande kursen hos Tekniska Högskolan i Jönköping . Slutsatsen är att konceptet uppfyller de krav som funktionsanalysen innehåller och att konceptet kan ligga till grund för kursen med en bra utgångspunkt.Innehållsförteckning
1
Inledning ... 5
1.1 BAKGRUND ... 5 1.2 SYFTE OCH MÅL ... 5 1.3 AVGRÄNSNINGAR ... 5 1.4 DISPOSITION ... 62
Teoretisk bakgrund ... 7
2.1 FORDONSDYNAMIK ... 7 2.1.1 Aerodynamik ... 7 2.1.2 Interferensmotstånd ... 7 2.1.3 Rullmotstånd ... 7 2.1.4 Luftmotstånd ... 83
Metod ... 9
3.1 FUNKTIONSANALYS ... 9 3.2 KONCEPTGENERERING ... 9 3.2.1 Brainstorming ... 9 3.2.2 Skissning ... 9 3.3 MOOD BOARD ... 10 3.4 MORFOLOGISK METOD ... 10 3.5 GO/NOGO-SÅLLNING ... 104
Genomförande ... 11
4.1 PROJEKTPLAN ... 11 4.2 FUNKTIONSANALYS ... 11 4.3 RESEARCH ... 11 4.3.1 Historia ... 11 4.3.2 Konkurrenter ... 12 4.3.3 Komponenter ... 14 4.3.4 Fordonstyper ... 174.3.5 Att tänka på vid utformning av solcellsbil ... 19
4.3.6 Restriktioner World Solar Challenge... 19
4.4 KONCEPTGENERERING 1 ... 19 4.4.1 Morfologi ... 19 4.4.2 Mood board ... 20 4.4.3 Koncept ... 21 4.4.4 Val av koncept ... 23 4.5 KONCEPTGENERERING 2 ... 25
4.5.1 Mood board koncept Rocka ... 25
4.5.2 Koncept Fourwheeler ... 26 4.5.3 Koncept Sting ... 27 4.5.4 Rullmotståndsoptimering ... 28 4.5.5 Val av slutkoncept ... 29 4.6 3-D MODELLERING ... 29 4.7 SKALMODELL ... 29
5
Resultat ... 30
5.1 KONCEPTET ... 30 5.1.1 Chassi ... 30 5.1.2 Drivning ... 31 5.1.3 Kaross ... 32 5.2 SKALMODELL ... 33Innehållsförteckning
6
Slutsats och diskussion ... 35
7
Referenser ... 37
8
Bilagor ... 39
1 Inledning
Projektet är en designstudie av hur en solcellsdriven bil för tävling kan utformas. Genom att angripa ämnet med en research‐del, där informationen kan bidra till förståelse för tävlingen och vilka viktiga aspekter som bör undersökas, kan en konceptgenerering ta form som sedan kan ge ett slutligt resultat på konceptnivå. Rapporten är en avslutande och sammanfattande del av examensarbetet som görs som en del i magisterprogrammet Industridesign.1.1 Bakgrund
Detta arbete görs för Tekniska Högskolan i Jönköping, till en kommande kurs där syftet är att studenter kan delta och bygga en solcellsdriven bil, för att sedan delta i den tävling som anordnas vartannat år i Australien. Denna är World Solar Challenge 2013, där tävlande vartannat år korsar Australien i en tävling med fordon byggda för att drivas med solens energi. Detta arbete är en förstudie i tt design till denna kommande kurs. På detta sätt får studenterna ett underlag a börja med och sedan eventuellt utveckla vidare. Det huvudsakliga ämnet som angrips är aerodynamiska aspekter, och hur de påverkar ett fordon. De Aerodynamiska aspekterna är en viktig del av projektet eftersom det är en stor del som påverkar hur ett koncept bör utformas.1.2 Syfte och mål
Syftet med arbetet är att ta fram ett koncept till World Solar Challenge 2013 åt en kommande kurs där studenter som söker kursen kan använda arbetet som grund att utveckla vidare och sedan bygga ett bidrag till tävlingen. Målet är att ta fram en tilltalande design men samtidigt ta med de aerodynamiska aspekterna som är viktiga i dessa sammanhang. De tekniska komponenterna ska också finna sin plats. Tyngdpunkten kommer att ligga på att hitta en tilltalande och strömlinjeformad design till en solcellsbil som uppfyller de förbestämda krav för att få medverka i tävlingen. Kraven som följs finns i de restriktioner för World Solar Challenge.1.3 Avgränsningar
Arbetet kommer inte att innefatta några omfattande beräkningar. Konstruktionsritningar och tillverkningsmetoder kommer inte läggas någon större vikt vid, då det är en konceptstudie. Då arbetet syftar till att lägga fram ett förslag på design av solcellsbil till en kommande kurs, där det sedan forsätter, så kommer slutkonceptet vara öppet för materialval och ändringar i konstruktionen.Inledning
1.4 Disposition
Rapporten inleds med en Teoretisk bakgrund där området som är relevant för projektet beskrivs. De metoder som använts för att uppnå ett reslutat i projektet beskrivs i delen Metod. Rapporten fortsätter därefter med den största delen som är Genomförandet som beskriver hur arbetet har utförts, från Research till Val av koncept. Sedan beskrivs det slutliga resultatet av projektet i delen Resultat. Avslutningsvis beskrivs författarens egna kommentarer och tankar i en del som kallas Slutsats och Diskussion.2 Teoretisk bakgrund
Den teoretiska bakgrunden beskriver ämnet som ligger till grund för projektet, alltså den delen som angrips för att utforma ett koncept. I det här fallet handlar ämnet om fordonsdynamik, alltså vad man ska tänka på, ta hänsyn till och undvika för att utforma ett fordon så aerodynamiskt som möjligt.2.1 Fordonsdynamik
När man pratar om aerodynamik för markgångna fordon kallas detta för fordonsdynamik. Detta avser de krafter och rörelser som påverkar ett fordon. Här ingår de aerodynamiska aspekterna, men även sådana krafter som rullmotstånd som påverkar fordon som har en kontaktyta med marken. 2.1.1 Aerodynamik Man brukar säga att droppformen har goda aerodynamiska egenskaper eftersom luftströmmarna formar droppen när den faller och där av den karakteristiska formen. Men för att skapa de mest aerodynamiska egenskaperna så krävs att man har en så liten frontarea som möjligt på objektet, så att inte turbulensen i luftströmmen blir för hög. Frontarean är den area som man ser av fordonet framifrån, alltså tvärsnittet som möter luftströmmarna. [1] Turbulens eller ”drag” är ett begrepp som nämns i dessa sammanhang som uppstår när luftströmmen avbryts av hinder. Turbulens kan också skapas då bakre delen av fordonet avslutas abrupt och med en stor bakre area. Detta kan undvikas genom att efterlikna en droppes avslutande form, alltså liten area som smidigt för samman luftströmmarna igen. [1] För att skapa en optimal aerodynamisk form krävs: liten frontarea, liten bakre area och sammanhängande form. [1] 2.1.2 Interferensmotstånd Interferensmotståndet är det motstånd som uppstår av luftvirvlar som bildas av skarpa vinklar mellan övergången av ytor. T.ex. vinkeln mellan flygplanskropp och flygplansvinge. Detta kan motverkas genom att i designen utforma runda och sammanhängande övergångar eller också utesluta utstickande föremål. [2] 2.1.3 Rullmotstånd Rullmotståndet beror direkt på den deformeringen som sker av däcket och underlaget vilket betyder att ett högt lufttryck ger mindre anläggning mot underlaget och därmed mindre friktion. Ett smalt däck har mindre rullningskoefficient än ett bredare däck vilket FIA fick erfara då de införde smalare däck till F1‐bilarna för att, vad de trodde, minska hastigheten. Dock blev effekten att bilarna hade en lägre hastighet i kurvorna genom den lägre friktionen men gjorde att de gick fortare på raksträckorna. De smalare däcken gav också en mindre frontarea vilket tillsammans med det lägre rullningsmotståndet gav högre hastighet. [3]Teoretisk bakgrund Rullningskoefficien ) på asf ten (cr alt för några olika typer av fordon är: Trampcykel, racer 0,0015 tandard Trampcykel, s 0,008 orcykel Mot 0,01 0,012 ‐0,015 Bil [3] 2.1.4 Luftmotstånd Luftmotståndet är en effekt som påverkar fordonsdynamiken. Den bestäms av frontarean och den aerodynamiska utformningen. Denna kallas cd‐koefficient men brukar också kallas c ‐värde. Olika former har olika aerodynamiska ärden. Nedan följer några exempel på cd‐värden: d egenskaper och därför olika cd‐v s Flygplan, underljud 0,012 uds Flygplan, överlj 0,016 ,4 Täckt racerbil 0,3‐0 Bordtennisboll 0,45 nbil Modern perso 0,3‐0,5 Motorcykel 0,5‐1,0 nde Person, ståe 1,0‐1,3 Öppen sfär 1,4 med öppningen mot vinden Luftmotståndet ökar med kvadraten på hastigheten vilket innebär att luftmotståndet vid 100 km/h har fördubblats redan vid 141 km/h. Vid 200 km/h ökar luftmotståndet med faktor fyra och vid 300 km/h med faktor nio. Detta innebär att luftmotståndet är det största hindret för att uppnå hög hastighet. Därför är det viktigt att utforma solcellsbilarna så strömlinjeformat som möjligt. [3]
3 Metod
3.1 Funktionsanalys
Idén bakom funktionsanalysen är att vi ska lära oss att tänka och uttrycka oss i funktioner och inte i färdiga lösningar. Som en logisk följd av detta, att också ha tänkt på allt innan man startar den skapande processen. Det handlar om att analysera samtliga krav och önskemål som olika intressenter ställer på produkten. Funktionsanalysen fungerar också som en checklista under och efter projektets genomförande. Den visar om man har tagit hänsyn till de krav och [4] önskemål som har upprättats och vilket koncept som uppfyller dem mest. De funktioner som upprättas delas upp i olika kategorier, Huvudfunktion, Nödvändig och önskvärda funktioner. Huvudfunktionen är den funktion som beskriver vad produktens egentliga syfte är, t.ex. behöver man inte utveckla en tvättmaskin utan man löser problemet att ”rengöra kläder”. De nödvändiga funktionerna är de funktioner som hjälper till att uppfylla huvudfunktionen, t.ex. ”tillföra vatten” för just huvudfunktionen ”rengöra kläder”. De önskvärda funktionerna är de funktioner som gör produkten mer attraktiv eller förhöjer värdet av produkten på något sätt. [4] Syftet med analysen är att så kortfattat som möjligt, men samtidigt begripligt, lista ner allt som produkten ska uppfylla. Därför använder man sig av endast två ord för varje funktion, ett verb och ett substantiv. Ex: passa hand, medge rengöring, underlätta åtkomlighet osv. [4]3.2 Konceptgenerering
3.2.1 Brainstorming Brainstorming är en metod som inledningsvis utvecklades för grupper, men kan också användas av individuella designers. Fördelen med att jobba i grupp är att var och en genererar idéer från sitt egna perspektiv. Det finns dock regler att tillä pm a till denna metod: 1. Notera alla idéer som genereras. till brukbara idéer. 2. Generera så många idéer som möjligt. 3. Tänk vilt. Knäppa, omöjliga idéer kan leda in 4. Utvärdera inte idéerna, generera dem bara. En brainstormingsession bör fokusera på en specifik funktion och bör genomgå tre perioder till inga idéer kan generas. [5] 3.2.2 Skissning Det bästa sättet att generera idéer är att skissa ner dem direkt på papper. Med snabba penndrag undersöks möjliga och omöjliga lösning i en slags visuell ”brainstorm”. Skissen på papperet ger upphov till frågor som designern annars inte skulle ställt utan att ha gjort skissen. Nästa steg är att designer utvärderar det antal idéskisser och välja ut några för att utveckla vidare. [6]Metod
Det är viktigt att kunna förmedla sina idéer i skisser eftersom det är eller kan vara omöjligt att förmedla design i ord. [6]
Det finns olika typer av skisser man kan använda sig av för att förmedla sin produkt. Det kan vara konstruktionsritningar när man vill visa exakta mått, färglagd
konstruktionsritning när man samtidigt vill visa mått och ytmaterial. Röntgenbild kan
användas när man vill visa ingående komponenter, eller sprängbild som visar hur produkten sätts ihop. Snittbild visar hur de viktigaste detaljerna är placerade inuti produkten. Produktbilden visar produkten ”rätt-upp-och-ner” utan störande objekt i varken förgrunden eller bakgrunden. Den sista skisstypen är imagebild som visar produkten i sitt tänkta användningsområde och används vid större presentationer. [6]
3.3 Mood board
En mood board är ett verktyg som ofta används av designers för att höja kreativiteten. En mood board är som en bildposter och kan vara sammanställd med bilder, text och materialprover. Designers använder mood boards för att utveckla sina designkoncept men även för att kommunicera till andra medlemmar av designteamet. [7]3.4 Morfologisk metod
Denna teknik använder sig av funktionerna för att väcka idéer. Det är ett väldigt kraftfullt verktyg som kan användas i dessa sammanhang men även i andra vardagliga sammanhang. Det finns två steg i denna teknik. Det första är att dela upp alla funktioner till delsystem. I andra steget kombineras dessa olika delsystem till helhetskoncept som uppfyller de ställda kraven. På detta sätt kan en mängd olika lösningar tas fram. Detta kallas en morfologi som betyder ”en undersökning av form och struktur”. [5]3.5 Go/NoGo‐sållning
En Go/NoGo‐sållning är ett verktyg som hjälper till att sålla ut de koncept som inte uppfyller de uppsatta kriterierna. Om kriterierna uppfylls markeras konceptet med ett ”Go”, om det inte uppfylls markeras det med ett ”No‐Go”. Bara för att ett koncept har fått ett eller några få ”No‐Go” betyder inte det att det måste elimineras utan snarare att det skulle kunna modifieras.4 Genomförande
4.1 Projektplan
Projektet planeras upp med hjälp av ett Gantt‐schema för att få en översiktlig tidsplan med alla ingående delar för att utföra projektet. Denna projektplan kan ses i bilaga 1, sida 39, Ganttschema.4.2 Funktionsanalys
Arbetet börjar med att upprätta en funktionsanalys på de krav som ställs på en solcellsdriven bil ämnad för tävling. Genom att läsa igenom de tekniska e kan olika funk restriktionerna för World Solar Challeng tioner och krav fastställas. Huvudfunktionen till solcellsbilen är att Förflytta Person, och en nödvändig funktion till det är att Utnyttja Solenergi med solceller. Alltså är ett krav att använda sig av solceller för att driva fordonet. Eftersom det finns restriktioner till tävlingen så blir vissa krav nödvändiga funktioner per automatik. Funktionsanalysen kan läsas i sin helhet i bilaga 2, sida 40, Funktionsanalys. Funktionsanalysen används sedan genom projektet som en checklista och ett stöd och visar vad som ska tas hänsyn till.4.3 Research
För att få en översikt och förståelse över tävlingen och hur dessa fordon som drivs av solens energi fungerar, krävs en del research. Detta ger en kunskap om tävlingen och de konkurrenter som finns, vilket i sin tur kan generera fler idéer kring vad som krävs för att utforma ett koncept. 4.3.1 Historia World Solar Challenge är en tävling för solcellsbilar som anordnas vartannat år i Australien sedan första tävlingen år 1987. Syftet med tävlingen är att främja utvecklingen av förnyelsebar energi. Ursprungsidén kom från en Danskfödd äventyrare vid namn Hans Tholstrup. Han designade den första solcellsdrivna bilen ”Quiet Acheiver” med hjälp av sponsorer från BP. Se bild 1 nedan. Med denna bil åkte han mellan Sydney och Perth som är en sträcka på 4052 km vilket tog honom 20 dagar. Detta blev förstadiet till World Solar Challenge där sträckan är mellan Darwin och Adelaide (3021 km) som 1987 startade och hölls då vart tredje år. Sedan 1999 ändrades dessa bestämmelser till vartannat år och gäller fortfarande. [8]Genomförande Första året vann General Motors med sin “Sunraycer”. Därefter vann Engineering College of Biel. De kommande två tävlingarna segrade Honda med sin ”Dream”‐ modell. Så sent som i den femte arrangerade tävlingen vann ett Australisk team, Team Aurora med sin ”Aurora 101”. Den stora bedriften ”hattrick” kom Delft University of Technology att få göra då de inte bara vann de kommande tre utan fyra tävlingarna med sina ”Nuna”‐modeller. Den tionde tävlingen 2009 vanns av
Bild 1, Quiet Acheiver www.happyhotelier.com det Japanska Tokai University med sin ”Tokai Challenger”. [8] 2005 satte Nuna 3 ett medelhastighetsrekord på 102.75 km/h som fortfarande är oslaget. Dock ändrades reglerna i nästa tävling 2007 där 6m2 av ytan får användas åt solceller, vilket är en reduktion på 25% mot tidigare regler. Många säkerhetsåtgärden infördes och föraren måste numera sitta i en upprätt position på minst 27o lutningen från vertikalt plan. [8] Till 2011 års tävling har reglerna modifierats ytterligare, med ändringar återigen på att de 6m2 solceller som får användas måste vara av den sort som består av kisel. Om man vill använda sig av andra solceller som t.ex. gallium får man ha en yta på 3m2. 4.3.2 Konkurrenter De flesta team som deltar i tävlingen är universitet runtom i världen. De vanligaste fordonen är utformade med en stor yta till solcellerna och kallas ”de rullande pingisborden”. Nedan följer några typiska konkurrenter.
4.3.2.1 Bochum University of Applied Sciences
Det tyska universitetet Bochum University of Applied Sciences har sedan 2001 ställt upp i tävlingen med bilar som ”Hans Go” och ”Solar World No 1”. Med sina senare bidrag ”Bocruiser” 2009 och ”BO GT” 2011 sticker Bochum ut genom att mer efterlikna konventionella bilar och inte den traditionella ”pingisbords”‐ formen. ”Bocruiser” var tvåsitsig och det kommer även den nya ”BO GT” att vara vilket också skiljer dem från mängden. Se bild 2 nedan. En solig dag genererar de 3m2 solcellerna ca 1000 watt. [9]
4.3.2.2 MIT Solare Electric Vehicle Team “Eleanor”, som syns i bild 3 nedan, från 2009 var ett bidrag från MIT som kom 2:a i Kiselklassen och i hela tävlingen slutade 5:a. Eleanor kan färdas 30 mil en regnig dag utan solsken. Bilen ger en mer upprätt ställning åt föraren men trots ökningen med 30% mer yta mot vinden har den dock samma aerodynamiska värden som den gamla tack vare effektivare design. [10][11] 4.3.2.3 NUON/ Delft Nuon med sin ”Nuna”‐serie kom 2:a i tävlingen 2009 trots att de 3 veckor innan tävlingen i Australien kraschade i sin Nuna 5. Nuna 5:s aerodynamiska form utsätts för 10ggr mindre luftmotstånd än vad en konventionell bil gör. Nuon har ställt upp i tävlingen fem gånger och vunnit fyra av dessa. Se bild 4. [12][13] Bild 3, Eleanor www.nuvustudio.org Bild 2, BO GT www.nyteknik.se Bild 4, Nuna 5 www.nuon.com
Genomförande 4.3.2.4 Tokai University Vinnaren av 2009 års tävling var Tokai University med ”Tokai Challenger”, som syns i bild 5 nedan, avverkade sträckan på 29 timmar och 49 minuter med en medelhastighet på 100.54 km/h. De använde sig av solceller ämnad för rymdapplikationer som har den högsta verkningsgraden i världen på ca 30%. Cellerna ger en produktion på 1,8kW. [14]
Bild 5, Tokai Challenger www.techsmart.co 4.3.3 Komponenter 4.3.3.1 Solceller En solcell består av två skikt, ett P‐skikt och ett N‐skikt. För kiselceller är huvudämnet kisel som har fyra valenselektroner. N‐skiktet dopas sedan med ett ämne som består av fem valenselektroner, t.ex. fosfor. P‐skiktet dopas med ett ämne som har tre valenselektroner, t.ex. bor. Detta innebär att när en diffusion sker så vandrar elektroner från N‐skiktet över till P‐skiktet vilket gör att N‐ skiktet blir positivt laddat och P‐skiktet blir negativt laddat. När en foton från solljuset träffar cellen ger den ifrån sig energi så att en elektron kommer excitera. När denna hamnar mellan det elektriska fältet mellan skikten, förs den vidare till N‐skiktet där den kan ledas ut i en yttre krets. [15] Elektriciteten som utvinns från solcellerna kan sedan föras vidare till batteriet där den lagras. Men innan den gör det omvandlar en såkallad ”power tracker” den samlade energin till en lämplig spänning, så att batteriet och motorn kan använda den. När energin är lagrad i batteriet kan den sedan användas av motorn och styrenheten för att driva bilen. Styrenheten reglerar mängden energi som strömmar till motorn för att stämma överens med gasregleringen. Motorn utnyttjar sedan energin för att driva hjulet. Se bild 6 som beskriver detta förlopp nedan. [16]
De vanligaste solcellsarrangemangen som används är kristallint kisel eller galliumarsenid. Solcellsarrangemanget på en bil som får använda 6m2 av ytan består normalt av hundratals solceller vilka samtliga konverterar solljus till elektricitet. Dessa solpaneler har normalt en spänning nära den formella batterispänningen. Dagens solceller av kisel har en verkningsgrad på ca 20‐25% men håller ständigt på att utvecklas. Det senaste rekordet i laboratorium uppgav
Bild 6, Från solceller till motor www.winstonsolar.org en verkningsgrad på ca 42%. [15] [17] Kraften som produceras av solpanelerna beror helt på väderförhållandena, solens position och kapaciteten av solcellsarrangemanget. Vid en klar solig dag, med bra solpaneler kan det produceras över 2 kW vid utnyttjande av de sex kvadratmetrarna. [17] Kristallint Kisel Solceller som består av kisel kan delas upp i två grupper, monokristallint och polykristallint kisel. Monokristallint kisel är den form av kristallint kisel som har bäst verkningsgrad 25% men är dock dyrare att framställa. Den täcker inte hela den fyrkantiga ytan av cellen eftersom den har en cylindrisk form då den måste skäras i skivor från en cylindrisk tacka. [18] [19] Polykristallint eller Flerkristallint kisel är billigare att framställa men har sämre verkningsgrad 14%. Den framställs genom fyrkantiga tackor som trådsågas i mycket tunna skivor. Till skillnad från monokristallint kisel så täcker denna hela cellen i och med att den sågas fyrkantig. [18] [19] Multiple Junction GaAs (galiumarsenid) Det finns även tunnfilmssolceller men generellt för dem är att verkningsgraden är väldigt låg. Dock har en ny sorts tunnfilm tagits fram av ledande laboratorium som kallas ”Multiple Junction GaAs”‐ baserad tunnfilmssolcell. Denna har en verkningsgrad på hela 41% och är en lovande kandidat för jordiska och utomjordiska applikationer. [20]
Genomförande 4.3.3.2 Motor Det finns många olika sorter av motorer som har använts till soldrivna bilar, men den mest effektiva har en verkningsgrad på 98%. Detta är ”borstlösa trefasig‐ DC‐ elektroniskt pendel”‐ hjulmotorer, eller också kallad navmotor. Den stora fördelen med navmotorer är att den inte kräver transmission mellan motor och hjul, därav mindre förlust av verkningsgraden. [21] [17] Billigare alternativ är Asynkron AC eller borstade DC motorer. De borstlösa motorerna är dyrare än de borstade men har betydligt bättre egenskaper. Högre verkningsgrad, mer vridmoment per vikt, mer pålitlig, reducerat ljud, längre livslängd och mer kraft. Se bild 7 nedan som visar en navmotor. [21] [17] Bild 7, Navmotor www.cuersunspot.files.wordpress.com 4.3.3.3 Kaross För att utföra tävlingssträckan på kortast möjligast tid har därför karossen en strömlinjeformad kropp med optimala aerodynamiska egenskaper för ändamålet. Men karossen måste också vara lätt. Därför byggs den av ett kompositmaterial, oftast glasfiber, kolfiber eller aramid fiber som formas till den önskade designen. Karossen består också av solceller som monteras på 22] kompositkarossen, men även en del plastkomponenter som t.ex. vindrutan. [ För att undvika allt som påverkar de aerodynamiska egenskaperna negativt används racingtejp som är som en sorts silvertejp som tejpas över skarvar och delningslinjer för att minska luftmotståndet ytterligare. [22] 4.3.3.4 Batteri Det finns olika typer av batteri men de mest vanliga är litium batteri som används för att driva fordonen. De nya restriktionerna gör att ett litium‐ batteripaket får väga max 21kg. Batterierna byggs generellt av varje team, men det finns också andra externa parter som bygger batterier just för solcellsbilar. SAFT‐ batterier är batterier som finns tillgängliga för racingteam till solcellsbilar. De produceras av Solion som ser till att batterierna designas efter de regler som
gäller. Med batteripaketet kommer också ett säkerhetssystem som övervakar spänningen och temperaturen till varje cell. Om en satt gräns överskrids så slås batteripaketet av, av ett relä. Batterierna har en laddnings/urladdnings effektivitet på 99%. De väger 1,05kg/st vilket innebär att det är tillåtet att använda sig av 20st batterier vilket ger en vikt på 21kg, där gränsen går. Eftersom den specifika effekten är 420W/kg innebär det att batteripaketet kan producera 420*21= 8820W kontinuerligt. [23] 4.3.4 Fordonstyper Genom att undersöka varför olika fordonstyper ser ut som de gör fås en förståelse för hur en solcellsdriven bil ska utformas och vad man ska trycka på för att egenskaperna ska blir så bra som möjligt. 4.3.4.1 F1 bilar F1 bilen är en av de mest tekniskt avancerade racing bilarna, men har även många dynamiska formegenskaper som krävs för att hålla bilen på banan. Bilarna har en låg markfrigång och både fram och bakvinge för att kunna hålla bilen nertryckt mot marken, såkallad ”downforce”, eftersom hastigheterna är väldigt höga. Dessa vingar är lite mer avancerade än vingar avsedda för personbilar men bygger på samma princip. Principen bygger på en upp och nervänd flygplansvinge med den plana sidan uppåtriktad och den rundade ytan neråtvänd. Detta gör att det skapas ett högt tryck från ovansidan som trycker bilen nedåt marken. Se bild 8 av hur luftströmmarna färdas på en F1‐bil. [24]
Bild 8, Luftströmmar F1-bil www.enginecreative.co.uk 4.3.4.2 Personbilar Precis som en flygplansvinge medger lyftkraft gör också formen av en personbil det, då luftströmmen måste färdas en längre stäcka på ovansidan än på undersidan. Se bild 9 nedan. Detta kan motverkas genom att placera en vinge bak på bilen. På nyare bilar finns denna vinge integrerad i formen på bilen, dock enbart för att motverka lyftkraften, inte skapa ”downforce”. Personbilar har en låg markfrigång som gör att bilen sugs ner mot marken, även detta för att motverka lyftkraften. [24]
Genomförande
Bild 9, Luftströmmar Vinge resp. Personbil
4.3.4.3 Solcellsbilar Eftersom solcellerna generellt har dålig verkningsgrad, mellan 20‐30% så måste dessa tävlingsbilar utformas på ett sådant sätt att luftmotståndet och rullmotståndet påverkar bilen minimalt för att komma upp i högre hastigheter. Därför är markfrigången lite högre än vanliga fordon så att inte ”downforcen” som annars uppstår vid låg markfrigång påverkar hastigheten negativt. Se bild 9 nedan. Dagens tävlingsbilar som ligger i topp utformas som en stor vinge och kallas de rullande pingisborden. De är utformade så dels för att utnyttja den ytan där solcellerna kan fästas men även för att optimera de aerodynamiska egenskaperna. Ju sämre aerodynamiska egenskaper fordonet har ju mer kraft krävs det av motorn att skjuta bilen framåt. Genom att placera alla solceller på t Bild 10, Luftströmmar Solcellsbil
ovansidan exponeras cellerna ständigt för solens strålar och kan generera kraf till motorn.
Hjulen är täckta för att optimera de aerodynamiska egenskaperna ytterligare. Om hjulen hade varit otäckta hade turbulens uppstått och hastigheten påverkas då negativt.
4.3.5 Att tänka på vid utformning av solcellsbil
Av det som researchen och den teoretiska bakgrunden har visat på, kan nu
sammanställas några pun av
solcellsbil. Dessa är följankter på vad man bör tänka på vid utformningde: - Så liten frontarea som möjligt, för att minimera luftmotstånd.
- En sammanhängand rensmotståndet och motstånd. e form, för att minska interfe - gre markfrigå ce”. luft Hö - litet rullmotst ng, för att undvika ”downfor ånd som m - en bakr min Så öjligt. Lit ska turbulensen. - Så lite utsti mål som möjligt, för att undvika turbulens. e area, för att ckande före - 6m2 fri yta till solceller.
4.3.6 Restriktioner World Solar Challenge
Några viktiga restriktioner från tävlingsledningen till World Solar Challenge som begränsar eller påverkar utseendet av solcellsbilen är: - Fordonet får inte vara längre än 5m, bredare än 180cm. - Föraren får inte sitta lägre än 70 cm från marken till ögonhöjd. - Kiselsolceller inte mer än 6m2. - Andra solceller inte mer än 3m2. - Måste ha ventilationsingång. - Kräver störtbur som skyddar föraren. - Sittvinkel får inte vara mer än 27o från vertikalt plan. - Måste ha främre ljus, bakre ljus, riktningsvisare fram och bak. Dessa restriktioner har tagits hänsyn till och finns satta som funktioner och krav i funktionsanalysen.
4.4 Konceptgenerering 1
Av den kunskap som undersökningen och informationen givit kan en konceptgenerering påbörjas. Genom en brainstormingsession där idéer skissas ner direkt på papper, kan alla tankar som uppkommit ta form. Sedan kan olika koncept skapas och utvecklas vidare på. 4.4.1 Morfologi För att utforska de möjligheter som finns att utforma en solcellsbil utfördes en morfologi. Detta genom att kolla på de möjligheter att positionera olika komponenter i en solcellsbil. Batteri och förarposition samt olika antal hjul är de faktorer som kommer att påverka hur designen av solcellsbilen blir. DärförGenomförande upprättades en morfologisk sidvy på hur olika positioneringar kan se ut och därpå kan olika former skissas fram. Se bild 11 nedan för de olika positionerna. Detta möjliggör 3 olika förarpositioner, 3 batteripositioner, 3 olika antal hjul (2,3 och 4st), vilket innebär att det finns 3x3x3= 27 möjliga positioner. På dessa kan snabba formskisser skissas och sedan översättas till perspektivskisser. Se bilaga 3, sida 42, Morfologiska koncept.
Bild 11, Morfologiska positioner
4.4.2 Mood board
I ett tidigt skede i skissprocessen när många tankar från researchen gett sitt intryck är ett bra sätt att upprätta Mood boards för att ge inspiration till
kissprocessen. Detta är ett bra sätt för att öka produktiviteten i skissningen då ilderna väcker många idéer och tankar. Se mood boards i bild 12 och 13 nedan.
Bild 12, Mood board, inspiration s b
4.4.3 Koncept Efter konceptgenereringen kunde resultaten delas upp i tre olika koncept. Dessa är Dropp, Vinge och Rock‐koncept. Nedan syns koncepten med de för och nackdelar som sattes upp för att skilja dem åt. 4.4.3.1 Droppkoncept Droppkonceptet bygger på formen av en droppe, där tanken bakom formen är att ge goda aerodynamiska egenskaper. Genom en sammanhängande form som droppformen ger kan en strömlinjeformad kropp uppnås. Nedan i bild 14 syns de Droppskoncept som framkom av brainstormingsessionen. Bild 14, Droppskisser
Bild 13, Mood board, solcellsbilar
Genomförande Fördelar Nackdelar ‐ Strömlinjeformad ‐ Liten solcellsyta ‐ Ingen utstickande förarhytt ‐ Stor frontarea Mer konventionellt utseende Större förarmiljö ‐ ‐ 4.4.3.2 Vingkoncept Vingkonceptet speglar den mer traditionella formen av de fordon som ställer upp i tävlingen, de så kallade ”rullande pingisborden”. Detta för att lätt kunna utnyttja ytan till solcellerna men även för att utforska möjligheten att göra något nytt med formen. Ytan formas mer som en vinge för att luftströmmarna lätt ska kunna färdas över fordonet. Se Vingkoncepten i bild 15 nedan. Bild 15, Vingskisser Fördelar Nackdelar ‐ Stor solcellsyta ‐ Utstickande förarhytt Liten frontarea ‐ Mindre förarmiljö Strömlinjeform ‐ ‐
4.4.3.3 Rockkoncept Rockkonceptet kommer från stingrockans form med stor yta till solcellerna men samtidigt goda aerodynamiska egenskaper där föraren sitter längre fram i fordonet. Genom att placera förarhytten längre fram på fordonet kan bakdelen smalnas av tidigt och föra samman luftströmmarna utan turbulens. Rockkoncepten kan ses i bild 16 nedan. Bild 16, Rockskisser Fördelar Nackdelar ‐ Sammanhängande form ‐ Mindre förarmiljö ‐ Förarhytt sammanhängande med form ‐ Stor solcellsyta ‐ Liten frontarea 4.4.4 Val av koncept Innan valet gjordes sammanfattades alla för och nackdelar med koncepten samt anordnades ett möte med en fordonsingenjör på Tekniska Högskolan i Jönköping, Dag Raudberget för att få lite feedback på koncepten och vad man ska tänka på ytterligare för att utforma ett fordon aerodynamiskt. Efter mötet upprättas en Go/NoGo‐sållning där viktiga kriterier sätts upp och vägs av bland koncepten om hur bra de uppfyller varje kriterium, och ifrån det väljs sedan koncept att gå vidare med.
Genomförande
4.4.4.1 Möte med Dag Raudberget om aerodynamik
Vid mötet med Dag bekräftades informationen som framkommit från researchen. Dock är Luftmotståndet som störst baktill på ett fordon, ungefär 80% av motståndet påverkar bakre delen. Alltså har det inte så stor betydelse hur fordonet ser ut framtill. Det viktigaste är att få bort den turbulens och sug som uppstår i bakre änden, vilket gör att fordonet vill sugas bakåt. Detta kan man göra genom att avsluta baken som en droppe, alltså en sammanhängande form som för luftströmmarna samman igen. Dock behövs en vinkel från horisontellt plan på minst 15o för att detta ska ha någon verkan. Se bild 17. Om vinkeln ökas till upp mot 30o ökar också trögheten och turbulensen bakom fordonet. När 30o sedan uppnås sjunker trögheten igen men dock inte lika mycket som när vinkeln är 15o. Dag anser att koncept ”Rockan” har störst potential vad gäller de aerodynamiska egenskaperna, eftersom förarhytt och de större partierna är beläget framtill av fordonet vilket gör att man kan avsluta kroppen tunt och snärt baktill. [25] [26]
Bild 17, Skarp vinkel vs 15o vinkel
An introduction to modern vehicle design, Happian-Smith, J
4.4.4.2 Go/NoGo-sållning För att sålla ut koncepten och fördjupa sig på ett av dem så användes en så kallad Go/NoGo‐sållning. Här sammanställs de viktigaste kriterierna som behöver uppfyllas och vägs mot varje koncept, om de uppfylls eller ej. De kriterier som upprättades är följande: - Löser huvudfunk a Person). - tionen (Förflytt - Har en sammanhängande form. - Liten frontarea. 2 r 6m yta fö Minsta mö solceller. - jliga rullmotstånd. - Stabilitet. e koncept som uppfyller dessa kriterier väljs att utvecklas vidare. Matrisen kan es i sin helhet i tabell 1 nedan. D s
Kriterier Löser huvu d funktion en Har en sam m anhängan d e form Liten frontar ea 6m^2 yt a för solceller Mi nsta möjli ga rullmots tånd Stabili tet
Koncept Kommentarer Beslut
Droppe 3 hjul Sammanhängande droppform‐ 3 hjul Vinge 3 hjul Traditionell form "pingisbord"‐ 3 hjul Rocka 3 hjul Har ytan men utformad på annat sätt‐ 3 hjul Droppe 4 hjul Sammanhängande droppform‐ 4 hjul Vinge 4 hjul Traditionell form "pingisbord"‐ 4 hjul Rocka 4 hjul Har ytan men utformad på annat sätt‐ 4 hjul Ja, potential finns Nej, potential finns ej Mer information krävs Tabell 1, Go/NoGo-sållning 4.4.4.3 Beslut om vidareutveckling Från resultatet av Go/NoGo‐sållningen och mötet med Dag Raudberget väljs koncept Rocka med 3 respektive 4 hjul att fortsätta utveckling på. De tankar som tas vidare med i utvecklingen av konceptet är optimering av aerodynamiska egenskaper från mötet med Dag, positionering av hjul för stabilitet och rullmotståndsoptimering.
4.5 Konceptgenerering 2
Efter att koncept Rocka valts som det alternativ att gå vidare med, kan konceptgenereringsfas 2 påbörjas. Denna fas genomförs för att fokusera och utveckla konceptet vidare. Genom att processa den information som research och feedback har gett kan detta översättas till konceptskisser.4.5.1 Mood board koncept Rocka
För att starta en inspirationsprocess gjordes ytterligare en mood board för konceptgenereringsfas 2, vilket är utveckling av koncept Rocka. Tankarna som ligger bakom mood boarden är: snabb, alternativa energikällor, miljövänlig och aerodynamisk. Se mood board för utveckling av Rocka i bild 18 nedan.
Genomförande
Bild 18, Mood board till Rockkoncept
4.5.2 K rwheeler Koncept Fourwheeler kommer från konceptet Rocka och har sitt ursprung från bild 19 nedan. oncept Fou
Fourwheeler har som också hörs på namnet fyra hjul med en stor yta för att placera ut solcellerna på. Dock måste formen optimeras så att den är mer sammanhängande. Tanken bakom konceptet är att behålla stabiliteten genom att göra den fyrhjulig. Den får en aerodynamisk kropp genom att placera förarhytt framtill och sedan en avsmalnande kropp baktill så att luftströmmarna kan föras samman utan turbulens. Nedan i bild 20 syns konceptskisser av det nya konceptet med fyra hjul som kallas Fourwheeler. 4.5.3 Koncept Sting Detta koncept bygger på Rockkonceptet och har tre hjul. I Bild 21 nedan syns konceptet som utvecklas vidare. Tanken bakom koncept Sting är att minska rullmotståndet genom att använda sig av enbart tre hjul. Ytan för solcellerna är likt Fourwheeler blottad för solen för
Bild 21, Rockkoncept skiss 2 Bild 20, Koncept Fourwheeler
Genomförande att utvinna energi. Den har också förarhytten placerad framtill och en sammanhängande form för att minska luftmotståndet. Men även för att ge ett uttryck för snabbhet. De täckta sidorna som lutas i en vinkel bakåt ökar denna ffekt ytterligare. Nedan syns konceptskisser på konceptet som kallas Sting i bild 2. e 2
Bild 22, Koncept Sting
4.5.4 Rullmotståndsoptimering Hjulen på ett fordon är det som ligger i kontakt med vägunderlaget vilket också betyder att dessa kontaktpunkter avgör hur stabil fordonet blir. Fyra hjul är självklart stabilare än tillexempel två eller tre hjul, men antalet hjul påverkar också rullmotståndet. För att minska rullmotståndet kan ett mindre antal hjul vara avgörande vid en tävling som World Solar Challenge, där minsta faktorer räknas in för att optimera fordonen. Tre hjul minskar rullmotståndet och gör fortfarande fordonet stabilt om man lägger tyngdpunkten och hjulen rätt. Vad man ska tänka på vid utförandet av ett ford no med tre hjul är: hjul för att 1. Man bör placera två hjul som framhjul och det tredje som bak undvika vältrisk. 2. punkten bör vara låg och ligga nära de två framhjulen. 3. punkten bör ligga under en pyramid som syns i bild 23 nedan. Tyngd Tyngd [27]
Bild 23, Tyngdpunktplacering vid trehjuligt fordon www.clevislauzon.qc.ca 4.5.5 Val av slutkoncept Valet föll på det koncept som kunde utformas så aerodynamiskt som möjligt och med minsta rullmotstånd. Men även på det konceptet som uppfyller kraven i funktionsanalysen bäst. Ett av de avgörande kraven till valet var att ”Minska Rullmotstånd” som är en önskvärd funktion i funktionsanalysen. Därför kan koncept Fourwheeler uteslutas och koncept Sting kan väljas.
4.6 3‐D modellering
Efter att koncept Sting valts kan processen att 3‐D modellera konceptet påbörjas. På detta sätt utvecklas konceptet vidare mer på detaljnivå så att de komponenter som batteri och styrenheten passas in. För att se till så att föraren får plats kan också en modell av en sittandes person i rygglutning 27o byggas som en referens. Detta görs i Alias Studio som är en mjukvara för ytmodellering, så att konceptet kan byggas upp och sedan översättas till snygga renderade bilder. Genom att göra detta kan konceptet visas i fotorealistiska bilder och en mer verklighetstrogen produkt kan presenteras. De renderade bilderna kan sedan ligga till grund för bygget av skalmodellen som presenteras tillsammans med resultatet.4.7 Skalmodell
För att visa det färdiga konceptet och få en fysisk upplevelse av den, byggs därför en skalmodell i skala 1:10. På detta sätt kan solcellsbilen beskådas från alla möjliga vinklar och en större uppfattning av den kan fås. Resultatet av skalmodellen kan ses i delen Resultat.Resultat
5 Resultat
Resultatet är en solcellsbil ämnad för att ställa upp i tävlingar så som World Solar Challenge, för att främja den utveckling som sker inom förnyelsebar energi. Men ven för att promota Tekniska Högskolan i Jönköping. Se bild 24 nedan. äBild 24, Resultat, renderad bild
5.1 Konceptet
Konceptet Sting bygger på aerodynamiska aspekter, där luftströmmarna ska följa kroppen av fordonet med minimal turbulens. Detta åstadkommes genom att förarhytten är positionerad framtill på fordonet där endast 20 % av luftmotståndet påverkar fordonet, resterande 80 % påverkar fordonet baktill. Därför är det viktigt att bakdelen inte har några störande delar och att den för samman luftströmmarna igen. Genom en sammanhängande form kan de aerodynamiska egenskaperna förbättras ytterligare, vilket ligger till grund för designen av fordonet. Sidan av fordonet är tänkt att användas till att göra reklam h en för sponsorer men är också designad för att få den mer sammanhängande oc mer stabil konstruktion, med bredare hjulbas. Den stora ytan på 6m2 är nödvändig för att placera ut solcellerna som driver fordonet. Genom att placera dem på ovansidan kan de exponeras av solen konstant under den tiden på dagen som man tävlar. Stings dimensioner är 4,9m lång och 1,8m bred. Höjden är 1m till tak och ögonhöjd från mark till förare är 85cm. Kravet på ögonhöjden är att inte understiga 70cm. Vinkeln på stolen är de tillåtna 27o från vertikalt plan, vilket ger föraren en komfortabel förarposition med god sikt ut från fordonet. 5.1.1 Chassi Chassit är en rörrams konstruktion av aluminiumstänger. Detta håller nere vikten och gör fortfarande konstruktionen stabil. Störtburen som är ett krav ärinbyggd i chassit vilket håller föraren i en säker zon om fordonet skulle välta. Föraren är positionerad bakom den främre hjulbasen vilket flyttar, tillsammans med batteriets positionering, tyngdpunkten bakom hjulbasen så att en stabil konstruktion med tre hjul kan uppfyllas. Tre hjul gör också att rullmotståndet an reduceras. Se chassi i bild 25 nedan. k Bild 25, Chassi 5.1.2 Drivning Fordonet drivs av solens energi vilket återvinns genom solcellerna som är placerade över fordonets kropp. 6m2 yta är täckt av solceller i form av A300 celler, vilka är av kisel. Var och en av dessa solceller producerar en effekt av 3 watt. Ytan på fordonet möjliggör att ungefär 362 celler kan placeras ut beroende på hur man grupperar dem. Detta gör att det kan utvinnas ca 3W*362st = 1086W från solcellerna. Batteriet lagrar sedan denna effekt och har en kapacitet att lagra 8820W. Batteriet är ett Litiumbatteri och väger 21kg, som restriktionerna begränsar vikten till, vid användning av litiumbatterier. Batteriet är beläget bakom föraren och är lätt att komma åt för mekaniker. Men även så att tyngdpunkten kan förflyttas ytterligare bakom den främre hjulbasen. Styrenheten fördelar sedan ut den effekt som behövs till motorn när föraren gasar. Denna styrenhet finns också belägen bakom föraren och är lättåtkomlig för mekaniker. Motorn är en CSIRO Solar Car motor, som är av typen navmotor vilket betyder att motorn sitter i hjulet. Denna navmotor finns i bakhjulet och har en uteffekt på 1800W. Den stora fördelen med navmotorer är att den inte kräver någon transmission mellan motor och hjul, vilket gör att verkningsgraden är hela 98 %.
Resultat 5.1.3 Kaross Designen av karossen har en sammanhängande form för att förbättra de aerodynamiska egenskaperna, samt en bakdel som avslutas som en droppe för att föra samman luftströmmarna igen. Vinkeln från förarhytten och bakåt är 15o vilket är den optimala vinkeln för att hålla nere turbulensen som skapas bakom fordonet. Hjulhusen på sidorna är positionerade i en sammanhängande form med sidan av fordonet för att undvika vinklar mellan ytor, där interferensmotstånd kan uppkomma. Detta förbättrar då de aerodynamiska egenskaperna. Hjulhusen och sidorna fungera även som en yta där man kan sätta dekaler för sponsorer så att de syns tydligt. Se bild 26 nedan. Karossen består av två delar gjorda i kolfiber som fästs mot chassit. Genom att ha en delningslinje som går runt hela fordonet, kan överdelen med solcellerna plockas bort smidigt och mekaniker kan underhålla fordonet och dess komponenter enkelt. Se bild 27 nedan. Delningslinjen tejpas sedan över med en ”racingtejp”, som är som en sort silvertejp, för att få bort lite turbulens som kan uppkomma där när fordonet är i rörelse. Detta är ett vanligt knep som används v team som ställer upp i World Solar Challenge.
Bild 26, Luftströmsflödet som möjliggörs av designen
a
Enligt restriktionerna måste fordonet vara utrustad med framljus, bakljus, främre riktningsvisare och bakre riktningsvisare eftersom de körs på allmänna vägar. Därför är fordonet också utrustat med detta. Smala enkla framljus med inbyggda riktningsvisare lyser upp vägen framtill och ett smalt bakljus med
Bild 27, Öppningsmöjlighet, delningslinje runt fordon
kombinerade blinkers markerar fordonets position för förare bakom fordonet. Framtill finns också en lucka som kan öppnas och fällas mekaniskt av föraren om han under en tid vill ha mer eller mindre ventilation in till förarhytten. Vid vissa tillfällen kanske föraren vill köra lite snabbare och kan då stänga igen luckan under en tid så att luftströmmarna lättare kan passera fronten. Se bild 28 nedan.
Bild 28, Ventilationslucka och lysen
5.2 Skalmodell
Den fysiska modellen byggs i skala 1:10 vilket betyder att den är 490mm lång, 180mm bred och 100mm hög. Den är byggd av ett material som är lätt att arbeta med och kallas ”chemical wood”. Genom att spackla och slipa kan en fin yta ta form som sedan kan lackas med valfri färg.
Resultat Fälgarna svarvas fram av aluminiumstänger för att få ett så verklighetstroget uttryck som möjligt. Däcken är gjorda av en svart slang som klipps till för att passa fälgarna och ger ytterligare en dimension till modellen. Solcellerna är gjorda av en tunn film som används till vägskyltar och liknande. Detta gör det enkelt att printa ut dem över ett ark och sedan klistra ut de sektioner som behövs. Avslutningsvis dras den skyddande filmen av och kvar sitter rutorna som indikerar solcellerna. Skalmodellen ger ett bra presentationsunderlag och alla olika vinklar kan beskådas av åskådarna, vilket gör att man ökar förståelsen för konceptet. Modellen kan ses i bild 29 nedan. Övriga modellbilder kan ses i bilaga 4, sida 45, Modellbygge. Bild 29, Skalmodell
6 Slutsats och diskussion
Resultatet som kom av projektet blev en i teorin aerodynamisk solcellsbil med lågt rullmotstånd och strömlinjeformad kropp. Tanken bakom konceptet är att med hjälp av formen kunna utmana den konkurrens som finns i World Solar Challenge. Men som också tävlingen syftar till att främja utvecklingen av förnyelsebar energi. Konceptet har genererats fram genom att skissa ner mycket idéer på papper. På detta sätt är det enkelt att få ner sina tankar direkt på papper. Sedan kan man utgå ifrån skisserna och utveckla dem vidare. Jag hade en ganska klar bild av hur en solcellsbil bör se ut efter att ha genomfört researchen. Mycket talade för att man måste ha en stor yta för att solcellerna ska kunna få plats. Det svåra var att försöka komma ifrån den ”rullande pingisbords”‐ formen, eftersom den stora ytan är nödvändig för att över huvudtaget kunna genera elektricitet från solceller till motor. Man behöver utnyttja den ytan som tillåts eftersom solceller har väldigt dålig verkningsgrad. Detta gör också att de aerodynamiska aspekterna är så viktiga i dessa sammanhang. Genom funktionsanalysen kunde alla de restriktioner som World Solar Challenge upprättat omvandlas till nödvändiga och önskvärda krav för konceptet. Dessa krav kunde då också fungera som ett stöd under hela projektets gång. Konceptet uppfyller alla nödvändiga krav samt alla önskvärda vilket är en bonus. Dock får tiden utvisa om de två önskvärda kraven ”Påkalla Uppmärksamhet” och ”Uttrycka Nyteknik” uppfylls, vilket är svårt att svara på själv. Den morfologiska metoden som användes kunde ge så många olika alternativ att det var svårt att få någon struktur på det. Därför begränsades de funktioner som kunde kombineras till batteriposition, förarposition och antal hjul, vilket då blev 27 olika möjligheter. Denna metod användes i början av projektet mer som en ”brainstorming‐triggare”, för att skapa många olika former. Sedan kunde några av de formskisser som gjordes väljas ut och skissas vidare på i perspektivskisser och på så sätt utvecklas vidare. Eftersom projektet syftade till att lägga fram ett förslag till hur en solcellsbil kan se ut för den kommande kursen på Tekniska Högskolan i Jönköping, kan kursen starta med att utveckla konceptet vidare. Därför har inte heller några beräkningar och liknande gjorts. Aerodynamiska tester i vindtunnel bör utföras på en större modell för att se hur bra konceptet verkligen är och sedan eventuellt utvecklas för att optimera dem, eftersom konceptet bygger på teorier som uppkommit från den research som gjorts. Man bör också titta närmare på solcellsutvecklingen efter som den ständigt , förbättras så att man använder sig av solceller som har hög verkningsgrad eftersom detta kan vara avgörande i en tävling som World Solar Challenge. Störtburen och chassi bör göras beräkningar på så att det kan byggas för säkerhet. Samt måste en krocksimulering göras enligt restriktioner för att visa på att fordonet är säkert och demoleras som det bör göra vid en frontalkollision. Projektet har gett mig en insikt i vilka delar som är viktiga att titta närmare på vid utformning av ett aerodynamiskt fordon. Samt att det finns i en tävling somSlutsats och diskussion
World Solar Challenge många krav och restriktioner kring vad som måste uppfyllas för att få delta. Dessa är väldigt viktiga att följa och bestämmer till en ganska stor del hur det får se ut. Vilket kunde vara ganska frustrerande vissa stunder i projektet.
7 Referenser
[1] http://www.gmecca.com/byorc/dtipsaerodynamics.html#AeroGeneral (Acc. 2011‐03‐23) [2]http://www.ltu.se/polopoly_fs/1.4070!aerodynamikovingar%20del%206.pdf (Acc. 2011‐03‐24) ‐racing.com/vedbod_file/Fordonsdynamik_ver2.pdf [3] http://www.sorman (Acc. 2011‐03‐16) [4] Landqvist, J. (2001). Vilda idéer och djuplodande analys, om designmetodikens grunder. k, Instutitionen för industridesign. Carlssons Stockholm: Konstfac Bokförlag. ISBN 9789172033917 [5] Ullman, David G. (2002). The Mechanical Design Process, Third edition. 7338‐5 McGraw Hill. ISBN 0‐07‐23 [6] Andersson, N. (1996). Skissteknik, en handbok i visualisering av designförslag. Umeå: Designhögskolan Umeå Universitet. NiAn Design. [7] http://en.wikipedia.org/wiki/Mood_board (Acc. 2011‐05‐19) [8] http://en.wikipedia.org/wiki/World_Solar_Challenge#History (Acc. 2011‐02‐ 28) [9] http://www.nyteknik.se/nyheter/fordon_motor/bilar/article3081194.ece (Acc. 2011‐02‐22) 815.ece [10] http://www.nyteknik.se/popular_teknik/teknikrevyn/article259 (Acc. 2011‐02‐22) [11] http://tech.mit.edu/V129/N62/solarcar.html (Acc. 2011‐02‐28) . [12] http://www.nuon.com/company/Sponsorship/nuon‐solar‐team.jsp (Acc 2011‐02‐28) [13] http://www.nuon.com/press/press‐releases/20090716/ (Acc. 2011‐02‐ 28) [14] http://sharp‐world.com/corporate/news/090907.html (Acc. 2011‐02‐28) [15] http://www.sol‐vindkraft.se/information‐om‐solceller/ (Acc. 2011‐02‐23) [16] http://planetoverhaul.com/2011/01/guidelines‐on‐building‐a‐solar‐car/ (Acc. 2011‐03‐25) i/Solar_car_racing (Acc. 2011‐03‐01) [17] http://en.wikipedia.org/wik [18] Gopal Nath Tiwari. (2010). Fundamentals of Photovoltaic Modules and Their stry. ISBN 978‐1‐84973‐020‐4 Applications. Royal Society of Chemi [19] Ngô, C & B. Natowitz, J. (2009). Our energy future: resources, alternatives, and y & Sons. ISBN 978‐0‐470‐11660‐9 the environment. John Wile Cu(InGa)Se2 Based Thin Film Solar Cells. [20] Ramaiah, S. (2010). Elsevier Inc. ISBN 978‐0‐12‐373697‐0 [21]http://en.wikipedia.org/wiki/Brushless_DC_electric_motor#Brushless_vers us_brushed_DC_motors. (Acc. 2011‐03‐03)Referenser [22] http://scg.levels.unisa.edu.au/src/pmwiki.php/Body/Construction (Acc. 2011‐03‐10) [23] http://www.lsbu.ac.uk/solarcar/solion.pdf (Acc. 2011‐03‐03) /article.php?artid=34 [24] http://www.oneshift.com/articles ngenjör (Acc. 2011‐03‐16) [25] Dag Raudberget, Fordonsi [26] Happian‐Smith, J. (2001). An introduction to modern vehicle design. Butterworth‐Heinemann. ISBN 07506 5044 3 [27] http://www.clevislauzon.qc.ca/Professeurs/Mecanique/ethierp/3‐ heels/stabil1.htm w (Acc. 2011‐04‐22)
8 Bilagor
B ilaga 1, GanttschemaBilaga 2, Funktionsanalys Funktionsanalys Utfärdare: Richard Hansson Företaget/Organisation: World Solar Challenge Datum: 2011‐02‐25
Produkt: Solcellsbil för tävling Sida: 1/1
FUNKTIONER KLASS FUNKTIONSGRÄNS/
ANMÄRKNING
Tekniska krav
Utnyttja Solenergi N Solceller
Rikta Förflyttning N
Stoppa Förflyttning N
Starta Förflyttning N
Belysa Väg N För tävlingsyfte
Erbjuda Rullning N Motorkraft
Erbjuda Fri sikt N
Erbjuda Manövrering N Sammanhängande form
Minimera Vikt Ö
Ergonomi
Erbjuda Komfort Ö Vid användning
Medge Rygglutning Ö <27 grader vertikalt plan
Tillföra Ventilation N Lämplig ventilation
Säkerhet
Erbjuda Stöttbur N Enligt restriktioner
Erbjuda Fastspänning N Enligt restriktioner
Medge Istigning N Medge Urstigning N Kvalitet Uttrycka "Nyteknik" Ö Påkalla Uppmärksamhet Ö Användning
Förflytta Person HF Personer
Medtaga Person N 80kg
Underlätta Komponentbyte Ö
Underlätta Reperationer Ö
Utnyttja Yta Ö För PR syfte
Utnyttja Solcellsyta N
Funktionsanalys Utfärdare: Richard Hansson Företaget/Organisation: World Solar Challenge Datum: 2011‐02‐25
Produkt: Solcellsbil för tävling Sida: 1/1
FUNKTIONER KLASS FUNKTIONSGRÄNS/
ANMÄRKNING
Form
Åstadkomma Aerodynamisk Form Ö
Ej Överskrida Mått N 5m*1,8m* 0,7m ögonhöjd
Minimera Luftmotstånd Ö‐N
Unvika Onödiga delar Ö‐N Påverkar aerodynamik
Minska Rullmotstånd Ö
Bilaga 3, Morfologiska koncept
B ilaga 4, Modellbygge
