ヌナ3

ザントフォールトのレースコースにいるチーム

Nuna 3は、2005 年ワールドソーラーチャレンジに向けて、デルフト工科大学のNuon ソーラー チームによって 2004 年から 2005 年にかけて開発されたソーラーカーです。

これは、ワールドソーラーチャレンジで3回連続 優勝し、このソーラーチームに2年連続の勝利をもたらしたソーラーカー、Nuna2の後継車です。

ヌナ3号は、2005年の世界ソーラーチャレンジの有力候補の一つであり、レース前のテスト走行で最高速度130km/hを記録しました。最終結果は、ダーウィンからアデレードまでの3021kmを29時間11分という記録的な時間で走行し、平均速度は約103km/hでした。

この衛星は、軌道衛星に電力を供給するのに通常使用されるタイプの非常に効率的な太陽電池^{[ 1 ]}（以前のヌナスと同様に）を備えており、空気力学的に優れており、以前のものよりも軽量です。

この宇宙船は、デルフト工科大学の様々な分野の学生11人によって設計・製作されました。彼らはこのために学業を一部中断しました。彼らは大学のハイテク研究室やワークショップを利用し、ヌーナ2号と同様に、オランダ人初の宇宙飛行士であり、同大学の教授でもあるウッボ・オッケルス氏から助言を受けました。

主な仕様

寸法	5 x 1.8 x 0.8メートル	（幅x高さx奥行き）
重さ	200kg未満
空気摩擦係数	0.07	この値は現代の車では 0.25から0.35の間である。
太陽電池の効率	${\displaystyle \approx}$ 27%	これは非常に高い効率である。比較のために、これまで実験室環境で作られた最も効率の高い太陽電池は、これよりわずか14%高いだけだった。[ 2 ]これらのセルの製造に使用された材料は、ガリウムヒ素を含む化合物であった。ほとんどのパネルの効率は15%である。
有効太陽電池面積	> 8m^2	車の側面に取り付けられた太陽電池を含む
モーター効率	> 97%	比較：平均的な電動モーターの効率は85％である
バッテリー容量	5kWh	比較：通常の24kgの自動車用バッテリーの容量は80Ahで、1kWhに相当します。
バッテリー重量	30キロ

設計基準

勝つ可能性を高めるには、車は次の条件を満たしていなければなりません。

• できるだけ多くの太陽エネルギーを集める
• 一定の速度で走行するために、できるだけ少ないエネルギーを使用する。これは、以下の点に特に注意することを意味します。
  • 電気エネルギーを車輪に伝達する効率、そして
  • 摩擦を最小限に抑えるには、次の要素が必要です。
    • 空気摩擦（空気抵抗）、そして
    • 転がり摩擦は、重量などによって影響を受ける。

太陽電池

太陽電池はガリウムヒ素（GaAs）製で、3層構造になっています。上層を透過した太陽光を下層で利用することで、26%以上の効率を実現します。このタイプの太陽電池は現在入手可能な中で最高クラスのものです。効率に加えてサイズも重要なため、Nuna 3ではコックピットを除く上面全体が太陽電池で覆われています。

効率は、セルが太陽光線に垂直に当たることで最大になります。そうでない場合、出力は垂直方向の角度の余弦分だけ低下します。2005年のレースは9月に開催されたため（例年の10月や11月とは異なり）、太陽の位置が低く（春は早い）、これを補うために、できるだけ多くのセルをホイールキャップを中心に側面に配置しました。

太陽電池のVI特性

太陽電池は、一定の太陽光量に対して一定の電流を供給します。電圧は負荷（より正確には負荷の抵抗）に依存します。電力は電圧と電流の積であるため、これも負荷に依存します。グラフに示すように、ある電圧を超えると太陽電池の電流は急速にゼロに低下します。

しかし、バッテリーの電圧はほぼ一定であり、太陽電池の電圧とは大きく異なります。そのため、電圧変換が必要になります。特殊なDC-DCコンバータを使用することで、太陽電池にかかる負荷抵抗が最大電力（グラフの緑色の線の上端）になるように調整されます。これは最大電力点追従（MPPT）と呼ばれます。ここでも、この変換によって最大効率（97%以上）を達成することが目標です。

空気力学的なデザイン

風洞内のNuna 3モデルの底面

空気抵抗は総抵抗の重要な部分です。重要なのは前面面積と流線です。理想的な流線から少しでも逸脱すると乱流が発生し、エネルギーを消費します。理想的な流線は、いくつかの段階を経て実現されます。

1. 設計のコンピュータシミュレーションを通じて
2. 風洞内でのスケールモデルの試験を通して。例えば、液体塗料を塗布して表面上の空気の流れを観察することができます。写真は、デルフト工科大学の低速実験室で行われた試験の様子です。
3. 実車を用いた風洞試験を通じて。エメロールトにあるドイツ・オランダ共同の風洞を使用します。

コンテスト開催地域の 気象データから、強い横風が吹く可能性が高いと推測されます。Nuna 3のホイールキャップは、横風が推進力となるように設計されています。

モーター

ビールエンジンの効率

電気モーターは後輪に完全に収納されており、モーターから車輪への機械的伝達による損失（通常の自動車のギアボックスやカルダンなど）を最小限に抑えています。 このモーターは、スイスのビール工科大学（現：ベルン高等技術大学テクニーク・ウント・インフォマティック）による 1993 年のスピリット・オブ・ビール III のオリジナル モーターの改良版です。この改良は、1999 年に実現した完全に再開発されたデジタル パワー エレクトロニクスと制御によるものです。 これにより、 1993 年のスピリット オブ ビール IIと比較して50% 多い電力（2400 W 以上）と 45% 高いトルクを実現しました。 駆動システム全体の効率（パワー エレクトロニクスの損失を含む）も改善され、現在は 98% を超えています。 ただし、グラフが示すように、これは速度に多少依存し、速度とともに増加します。 この設計は当初、ソーラー カーの通常の巡航速度である約 100 km/h で最大性能に達するように行われました。

試乗

オランダでのテスト走行中、Nuna 3は時速130kmを記録しました。レース初日には最高速度140km/hを記録しました。ちなみに、ソーラーチャレンジレースの初代優勝車であるSunraycerは、1987年に最高速度109km/hを記録しました。

重要な対戦相手

北米ソーラーチャレンジの優勝者であるミシガン大学（米国）は、最も重要な対戦相手の一つと考えられていました。他の重要な出場者としては、同じく米国MITと日本の芦屋大学チームがありました。2005年には、ヨーロッパからも2つの出場者、オランダのトゥエンテ大学のRaedthuysソーラーチームとベルギーのルーヴェン大学のUmicoreソーラーチームが出場しました。

2005年のレースモニター

• 2005 年 8 月 5 日: チームがアデレードに到着。
• 2005 年 9 月 2 日: 道路許可が付与されます。
• 2005年9月16日：試乗中にNuna 3が道路脇の荒れた路面に横転しました。原因はホイールサスペンションの不具合であることが判明しました。損傷は限定的で、数日後に修理されました。
• 2005 年 9 月 22 日: Nuna 3 が組織によって承認されました。
• 2005 年 9 月 24 日: Nuna 3 は 8 位のスタートポジションを獲得しました。これは、以前の 2 つのモデルが獲得したスタートポジションよりも上位です。
• 2005年9月25日: ヌナ3号は827kmを走行して首位に立ち、次点のミシガンチームに約30分の差をつけました。
• 2005年9月26日：2日目、ヌナ3号は平均時速105kmで835kmを走行し、ワールド・ソーラー・チャレンジの1日記録を更新しました。ミシガンチームは現在132km遅れをとっています。
• 2005年9月27日：ヌナ3号は858kmを走行し、昨日の記録を更新しました。リードは2時間に広がりました。残り500kmです。
• 2005年9月28日：ヌナ3号がアデレードに最初の車両として到着し、ハットトリックを達成しました。3,010kmの走行距離で平均速度103km/hを記録し、2003年の記録を6km/h上回りました。

この平均速度は、下り坂の区間で最高速度140km/hに達する可能性があり、オーストラリアの高速道路の制限速度を大幅に超えることから、将来のレースのルール変更につながった。

参考文献

1. Gaddy, EM (1996). 「宇宙船における多接合型ガリウムヒ素およびシリコン太陽電池のコストパフォーマンス」 .第25回IEEE太陽光発電専門家会議記録 - 1996. pp.  293– 296. doi : 10.1109/PVSC.1996.564003 . ISBN 0-7803-3166-4. S2CID  121566331 .
2. Spectrolab – よくある質問アーカイブ2009-03-18 at the Wayback Machine

外部リンク

• www.nuonsolarteam.com
• [1]