ソーラーカーレース

ソーラーカーレースとは、車体表面に取り付けたソーラーパネルから得られる太陽エネルギーで動く電気自動車（ソーラーカー）のレースです。最初のソーラーカーレースは1985年のツール・ド・ソルで、その後ヨーロッパ、アメリカ、オーストラリアで同様のレースがいくつか開催されました。このようなレースには、学生の工学技術を育成するために大学が参加することが多いですが、過去には多くの企業が参加してきました。高校生専用のソーラーカーレースには、少数の高校生チームが参加しています。

最も有名なソーラーカー長距離（陸上）レースは、ワールドソーラーチャレンジとアメリカンソーラーチャレンジの2つです。これらのレースには、さまざまな大学や企業のチームが参加しています。企業チームは、設計チームに代替エネルギー源と先端材料の両方を扱う経験を積ませるためにレースに参加します。大学チームは、学生にハイテクカーの設計と環境および先端材料技術の経験を積ませるために参加します。これらのレースは、政府機関や教育機関^{[要出典]、}および再生可能エネルギー源の促進に熱心な トヨタ^[1]などの企業がスポンサーとなることがよくあります。

ソーラーカーには、プロのモーター レーシング チームと同規模の集中的なサポート チームが必要です。これは、レースの一部が非常に辺鄙な地域を通過するワールド ソーラー チャレンジの場合に特に当てはまります。ソーラー カーは、サポート カーの小さなキャラバンに付き添われて移動します。長距離レースでは、各ソーラー カーの前には、レース カーの前方にある問題や障害物を特定できる先導車が続きます。ソーラー カーの後ろには、レースのペースを制御するミッション コントロール ビークルがあります。ここでは、ソーラー カーからの情報と、天候や地形に関する環境情報に基づいて、戦術的な決定が下されます。ミッション コントロールの後ろには、交代ドライバーやメンテナンス サポート、およびチーム全体の補給品やキャンプ用品を積んだ 1 台以上の車両がある場合があります。

このレースには、世界中から参加者が集まり、オーストラリア大陸を横断します。ワールドソーラーチャレンジの30周年記念レースは、2017年10月に開催されました。このレースでは、安全性の向上、ほとんど改造せずに持続可能な輸送の実用的な提案の基盤となり得る新世代のソーラーカーの製造、そして前年には簡単に制限速度（時速110キロ）を超えてしまうこともあったメインイベントでの車の速度低下を目的として、2006年6月に大幅な規則変更が発表されました。

2013年、イベント主催者は、参加者に「実用的な」太陽光発電車両を設計するよう奨励するために設計された、ワールドソーラーチャレンジにクルーザークラスを導入しました。このレースでは、車両に4つの車輪と乗客用の直立した座席が必要であり、時間、積載量、乗客マイル、外部エネルギー使用量など、いくつかの要素に基づいて審査されます。^[2]オランダのTUアイントホーフェンソーラーレーシングチームは、車両ステラで最初のクルーザークラスの優勝者となりました。^[3]

アメリカン ソーラー チャレンジ (以前は「ノース アメリカン ソーラー チャレンジ」および「サンレイス」と呼ばれていました) は、主に大学チームが米国とカナダでタイム インターバルでレースを行うイベントです。毎年開催されるフォーミュラ サン グランプリトラック レースは、ASC の予選として使用されます。

アメリカン・ソーラー・チャレンジは、いくつかの小規模なスポンサーによって部分的に後援されていました。しかし、2005年末に資金が削減され、NASC 2007はキャンセルされました。北米のソーラーレースコミュニティは解決策を見つけるために取り組み、2008年のレースでトヨタを主要スポンサーに迎えました。^{[4] [5]} トヨタはその後スポンサーを辞退しました。最後のノースアメリカン・ソーラー・チャレンジは2016年にオハイオ州ブレックスビルからサウスダコタ州ホットスプリングスまで開催されました。レースはミシガン大学が優勝しました。ミシガン州は過去6回のレースで優勝しています。

^{ソーラーカーチャレンジは、}高校生が太陽光発電車の設計、エンジニアリング、レースに参加することで、再生可能エネルギーに関する教育とイノベーションを促進する毎年恒例のイベントです。1989年にレーマン・マークス博士によって設立されたこのチャレンジは、科学、技術、エンジニアリング、数学（STEM）の原則と実践的な経験を組み合わせた最高の教育プログラムに成長しました。参加者はソーラーカーを組み立ててレースに出場し、持続可能な技術とチームワークを促進しながら、理論的な知識を実際の問題に適用することができます。

数日間にわたって開催されるソーラー カー チャレンジには、年によって異なりますが、通常、クロスカントリー レースまたはトラック イベントが含まれます。このイベントには、米国全土から、時には海外からの参加者も参加し、友好的な競争と協力の精神が育まれます。レース自体以外にも、ソーラー カー チャレンジでは、学生の成功を支援するために、幅広い教育リソース、ワークショップ、メンターシップを提供しています。このコンテストは、太陽エネルギーの可能性を強調するだけでなく、次世代のエンジニア、科学者、環境意識の高い市民に刺激を与えます。

南アフリカ ソーラー チャレンジは、2 年に 1 度、南アフリカ全土を 2 週間かけて走るソーラー パワー カー レースです。2008 年の最初のチャレンジでは、このイベントが一般の関心を集められること、また FIA からの必要な国際的支援があることが証明されました。9 月下旬、参加者は全員プレトリアを出発してケープ タウンに向かい、海岸沿いにダーバンまでドライブし、11 日後にプレトリアのゴール ラインに戻る途中、断崖を登ります。このイベントは (2008 年と 2010 年の両方で) 国際ソーラーカー連盟 (ISF)、国際自動車連盟(FIA)、世界自然保護基金(WWF) の支援を受けており、これら 3 つの組織から支援を受けた最初のソーラー レースとなっています。最後のレースは 2016 年に開催されました。サソールは、イベントの命名権を取得することで南アフリカ ソーラー チャレンジへの支援を表明し、スポンサー期間中、このイベントは「サソール ソーラー チャレンジ 南アフリカ」として知られていました。

カレラ・ソーラー・アタカマは、ラテンアメリカで初めての太陽光発電自動車レースです。このレースは、サンティアゴからチリ北部のアリカまでの2,600 km（1,600マイル）を走ります。このレースの創設者であるラ・ルータ・ソーラーは、アタカマ砂漠を横断中に最大8.5 kWh/m ² /日にも及ぶ高レベルの太陽放射に遭遇し、参加チームが海抜3,500メートル（11,500フィート）を登るという課題があるため、自動車レースの中で最も過酷であると主張しています。2018年のレースの後、ラ・ルータ・ソーラーは2020年の次回大会を企画しましたが、実現しませんでした。2019年末、組織は資金難に陥り、レースの中止を決定しました。数か月後、彼らは破産を宣言しました。^[7]

• [ESVC]インドの電気ソーラー自動車選手権。ジュニアレベル、エンジニア、インド全土を対象とした 3000 KM ソーラー チャレンジのイベントです。
• トルコで毎年開催されるトラックレース、フォーミュラG。
• インドで毎年開催されるトラックレース、バーラト・ソーラー・チャレンジ。
• 日本で毎年開催されるトラックレース、鈴鹿。
• 日本で毎年開催されるトラックレース、ワールドグリーンチャレンジ（ワールドソーラーカーラリー/ワールドソーラーバイシクルレース）。
• ファエトン[1]は、 2004年のオリンピックに先立ってギリシャで開催された文化オリンピックの一部です。
• 台湾での世界ソーラーラリー。

ソーラードラッグレースはソーラーレースの別の形です。長距離ソーラーレースとは異なり、ソーラードラッグレースではバッテリーや充電済みのエネルギー貯蔵装置は一切使用されません。レーサーは直線距離の 4 分の 1 キロメートルで直接対決します。現在、ソーラードラッグレースは毎年夏至に最も近い土曜日に米国ワシントン州ウェナッチーで開催されています。このイベントの世界記録は、2007 年 6 月 23 日にサウスウィドビー高校チームが記録した 29.5 秒です。^[8]

ソーラーカー技術は小規模でも応用できるため、STEM分野の教育目的に最適です。^[9]いくつかのイベントは次のとおりです。

ビクトリア州モデルソーラーカーコンテストは、ビクトリア州全域の1年生から12年生までの生徒が参加する工学コンテストです。生徒は車でもボートでも、独自の乗り物を設計し、構築します。このイベントは現在、毎年10月にサイエンスワークス（メルボルン）で開催されています。最初のイベントは1986年に開催されました。このコンテストの目的は、生徒にSTEM分野で働くことがどのようなものか体験させ、再生可能技術で何を達成できるかを理解することです。^[10]

ジュニアソーラースプリントは、1980年代に国立再生可能エネルギー研究所（NREL）によって創設され、幼い子供たちに再生可能エネルギーの使用の重要性と課題を教えています。このプロジェクトでは、エンジニアリングプロセスがどのように適用されるか、ソーラーパネル、トランスミッション、空気力学が実際にどのように使用されるかについても学生に教えています。^[11]

FIAは、ソーラーパネルのみで駆動する車両の地上速度記録を認定しています。現在の記録は、トゥエンテ大学のソーラー チーム トゥエンテが車両 SolUTra で樹立したものです。時速 37.757 km の記録は 2005 年に樹立されました。この記録は、1000 m の飛行走行で達成され、反対方向への 2 回の走行の平均速度です。

2014年7月、ニューサウスウェールズ大学のUNSWサンスイフトソーラーレーシングチームのオーストラリア人学生グループが、ソーラーカーで世界記録を破りました。これは、重量500キログラム（1,100ポンド）未満で、1回の充電で500キロメートル（310マイル）走行可能な最速の電気自動車です。この特別な記録は、FIAに代わってオーストラリアモータースポーツ連盟が監督したもので、ソーラーパワーの自動車だけでなくすべての電気自動車に適用されるため、挑戦中はソーラーパネルは電気システムから切り離されていました。1988年に樹立された時速73キロメートル（45マイル）という以前の記録は、500キロメートル（310マイル）の距離を平均時速107キロメートル（66マイル）で走破したチームによって破られました。

ギネス世界記録は、ソーラーパネルのみで動く車の陸上速度記録を認定している。この記録は現在、ニューサウスウェールズ大学のサンスイフトIVが保持している。25キログラム（55ポンド）のバッテリーが取り外されたため、車はソーラーパネルのみで動くようになった。^{[12]時速88.8キロメートル（55.2マイル）の記録は、2011年1月7日に}ナウラのHMAS アルバトロス海軍航空基地で樹立され、ゼネラルモーターズの車サンレイサーが保持していた時速78.3キロメートル（48.7マイル）の記録を破った。この記録は、500メートル（1,600フィート）の飛行距離で、反対方向に2回走行した平均である。

パースからシドニーまでの大陸横断記録は、ソーラーカーレースにおいて特別な魅力を持っています。ハンス・ソルストルップ（ワールドソーラーチャレンジの創設者）は、 1983年にザ・クワイエット・アチーバーで20日以内にこの旅を初めて完走しました。この車両はキャンベラのオーストラリア国立博物館に所蔵されています。^[13]

この記録は、ディック・スミスとオーロラソーラービークル協会がオーロラQ1でレースをすることで破られました。

現在の記録は、2007年にUNSWソーラーレーシングチームの車サンスウィフトIII mk2によって記録されました。

ソーラーカーは、航空宇宙、自転車、代替エネルギー、自動車の各業界で使用されている技術を組み合わせたものです。ほとんどのレースカーとは異なり、ソーラーカーはレース規則によって課せられる厳しいエネルギー制約を考慮して設計されています。これらの規則により、バッテリーパックが完全に充電された状態でも、使用されるエネルギーは太陽放射から集められたエネルギーのみに制限されます。一部の車両クラスでは、人力による入力も許可されています。そのため、空気抵抗、車両重量、転がり抵抗、電気効率を考慮して設計を最適化することが最も重要です。

今日の成功している車両の一般的な設計は、湾曲した翼のようなアレイの中央に小さなキャノピーがあり、全体がセルで覆われ、3 つの車輪が付いています。以前は、パネルに滑らかなノーズ フェアリングを備えたゴキブリ スタイルの方が成功していました。低速でアレイがそれほど強力でない場合は、既存の電気自動車の利用可能な表面を太陽電池で覆ったり、その上にソーラー キャノピーを固定したりするなど、他の構成が実行可能で、構築も簡単です。

電気システムは、システムに出入りするすべての電力を制御します。バッテリーパックは、車両が停止しているとき、低速走行しているとき、または下り坂を走行しているときに生成される余剰の太陽エネルギーを蓄えます。ソーラー カーは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池 ( NiMH )、ニッケルカドミウム電池 ( NiCd )、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池など、さまざまな電池を使用します。

パワーエレクトロニクスは、電気システムを最適化するために使用できます。最大電力トラッカーは、太陽電池アレイの動作点を、温度などの特定の条件で最大の電力を生成する電圧に調整します。バッテリーマネージャーは、バッテリーを過充電から保護します。モーターコントローラーは、必要なモーター電力を制御します。多くのコントローラーは回生ブレーキを許可します。つまり、減速中に電力がバッテリーに戻されます。

一部のソーラーカーには、電気システム全体を監視する複雑なデータ収集システムが搭載されていますが、基本的なカーにはバッテリー電圧とモーター電流が表示されます。さまざまな太陽光発電とモーター消費で利用可能な距離を判断するために、アンペア時間メーターはバッテリー電流とレートを乗算し、特定の条件で各瞬間の残りの車両距離を提供します。

多種多様なモーターが使用されています。最も効率の高いモーターは、効率が 98% を超えます。これらはブラシレス 3 相 DC、電子整流式ホイール モーターで、ネオジム鉄ホウ素磁石にはハルバッハ配列構成、巻線にはリッツ線が使用されています。 ^[14]より安価な代替品としては、非同期 AC モーターまたはブラシ付き DC モーターがあります。

機械システムは、強度と剛性を維持しながら摩擦と重量を最小限に抑えるように設計されています。設計者は通常、アルミニウム、チタン、複合材料を使用して、強度と剛性の要件を満たしながらも軽量な構造を実現します。多くの車のサスペンション部品にはスチールが使用されています。

ソーラーカーは通常 3 輪ですが、4 輪のものもあります。3 輪車は通常、前輪が 2 つ、後輪が 1 つあり、前輪が操舵し、後輪がそれに従います。4 輪車は、通常の自動車のように、または 3 輪車と同様に構成され、後輪が 2 つ近くにあります。

ソーラーカーには、ボディやシャーシが異なるため、さまざまなサスペンションが採用されています。最も一般的なフロントサスペンションは、ダブルウィッシュボーンサスペンションです。リアサスペンションは、オートバイに見られるトレーリングアームサスペンションであることが多いです。

ソーラーカーは、ブレーキに関して厳しい基準を満たす必要があります。ディスクブレーキは、優れた制動力と調整能力を備えているため、最も一般的に使用されています。機械式ブレーキと油圧式ブレーキの両方が広く使用されています。ブレーキパッドまたはブレーキシューは、通常、先頭車両でブレーキ抵抗を最小限に抑えるために引き込まれるように設計されています。

ソーラーカーのステアリング システムも多様です。ステアリング システムの主な設計要素は、効率、信頼性、タイヤの摩耗と電力損失を最小限に抑えるための精密な調整です。ソーラーカー レースの人気により、一部のタイヤ メーカーはソーラー ビークル用のタイヤを設計するようになりました。これにより、全体的な安全性とパフォーマンスが向上しました。

現在、トップチームはすべて、ベルトやチェーンの駆動を廃止し、ホイールモーターを使用しています。

レース前に車両の信頼性を証明するには、テストが不可欠です。2 時間のアドバンテージを得るために 10 万ドルを費やすのは簡単ですが、信頼性の問題で 2 時間を失うのも同様に簡単です。

ソーラー アレイは、太陽光を電気に変換する数百 (または数千) の太陽電池で構成されています。自動車にはさまざまな太陽電池技術が使用されていますが、最も一般的なのは多結晶シリコン、単結晶シリコン、またはガリウム ヒ素です。セルは配線で連結されてストリングを形成し、ストリングは配線で連結されてパネルを形成することがよくあります。パネルの電圧は通常、公称バッテリー電圧に近い値です。主な目的は、できるだけ小さなスペースにセル領域を最大化することです。設計者はセルをカプセル化して、天候や破損から保護します。

ソーラー アレイの設計は、単にセルを並べるだけではありません。ソーラー アレイは、多数の非常に小さなバッテリーをすべて直列に接続したような働きをします。生成される合計電圧は、すべてのセル電圧の合計です。問題は、1 つのセルが影になっている場合、それがダイオードのように動作し、セル ストリング全体の電流をブロックすることです。これに対処するため、アレイ設計者は、セル ストリングの小さなセグメントと並列にバイパス ダイオードを使用し、機能していないセルを迂回して電流を流します。もう 1 つの考慮事項は、各パネルの端にブロッキング ダイオードを配置しない限り、バッテリー自体がアレイを逆方向に電流を流す可能性があることです。

ソーラー アレイによって生成される電力は、気象条件、太陽の位置、アレイの容量によって異なります。晴れた日の正午には、良好なアレイは 2 キロワット (2.6 hp) を超える電力を生成できます。20% セルの 6 m ²アレイは、WSC の通常の 1 日で約 6 kW·h (22 kJ) のエネルギーを生成します。

一部の車では、風力エネルギーを利用するために自立型または一体型の帆が採用されています。 ^[15] WSCやASCなどのレースでは、風力エネルギーは太陽エネルギーとみなされるため、レース規則ではこの方法が認められています。

空気抵抗はソーラーカーの損失の主な原因です。車両の空気抵抗は前面面積とそのC _dの積です。ほとんどのソーラーカーの前面面積は 0.75 ～ 1.3 m ²です。C _{d は}0.10 と低いことが報告されていますが、0.13 が一般的です。これには細部に細心の注意を払う必要があります。^[16]

車両の質量も重要な要素です。車両が軽いと転がり抵抗が少なくなり、より小型で軽量なブレーキやその他のサスペンション部品が必要になります。これが軽量車両を設計する際の 好循環です。

転がり抵抗は、適切なタイヤを使用し、適切な圧力で膨らませ、正しく調整し、車両の重量を最小限に抑えることで最小限に抑えることができます。

ソーラーカーの設計は、次の仕事方程式によって決まります。

${\displaystyle \eta \left\{\eta _{b}E+{\frac {Px}{v}}\right\}=\left\{WC_{rr1}+NC_{rr2}v+{\frac {1}{2}}\rho C_{d}Av^{2}\right\}x+Wh+{\frac {N_{a}Wv^{2}}{2g}}}$^[17]

これは、パフォーマンス方程式に簡略化できる。

${\displaystyle \eta \left\{\eta _{b}Ev/x+P\right\}=\left\{WC_{rr1}v+{\frac {1}{2}}\rho C_{d}Av^{3}\right\}}$

長距離レース向け、そして実際に見られる価値。

簡単に言うと、左側は車に入力されるエネルギー (バッテリーと太陽からの電力) を表し、右側はレースコースに沿って車を運転するために必要なエネルギー (転がり抵抗、空気抵抗、上り坂、加速を克服する) を表します。この方程式のv を除くすべては推定可能です。パラメーターには次のものが含まれます。

注 1 WSC の場合、平均パネル電力は (7/9)×公称電力として近似できます。

速度に関する長い方程式を解くと、大きな方程式 (約 100 項) になります。パワー方程式を基準として使用することで、車両設計者はさまざまな車両設計を比較し、特定のルートでの比較パフォーマンスを評価できます。CAE およびシステム モデリングと組み合わせると、パワー方程式はソーラー カーの設計に役立つツールになります。

ソーラーカーレースのルートの方向は、レース当日の空の太陽の見かけの位置に影響し、その結果、車両へのエネルギー入力に影響します。

• たとえば、南から北へのレースルートの配置では、太陽はドライバーの右肩から昇り、左肩で終わります (太陽の東西方向の見かけの動きによる)。
• 東西のレースルートでは、太陽は車両の後ろから昇り、車両の移動方向に移動し、車両の前で沈むように見えます。
• ハイブリッド ルート配置には、南北ルートと東西ルートの重要なセクションが含まれます。

これは、レース当日にできるだけ長く太陽に直角に向くようにアレイを設計することで、太陽電池パネル (セルの「アレイ」と呼ばれることが多い) へのエネルギー入力を最大化しようとするデザイナーにとって重要です。したがって、南北レースカーの設計者は、太陽が当たる車両の側面に太陽電池を使用することで (または車両の動きと同軸の凸型アレイを作成することで)、車両の総エネルギー入力を増やすことができます。対照的に、東西レース配置では、車両の側面にセルを配置することの利点が減るため、フラットアレイの設計が推奨される可能性があります。

ソーラーカーは多くの場合、専用に作られており、アレイは通常、車両の他の部分に対して移動しないため (注目すべき例外はありますが)、レースルートを重視したフラットパネルと凸型パネルの設計の妥協は、ソーラーカーの設計者が下す必要がある最も重要な決定の 1 つです。

たとえば、1990 年と 1993 年の Sunrayce USA イベントでは、南北レースの配置に合わせて、著しく凸型のアレイを備えた車両が優勝しました。しかし、1997 年までに、そのイベントのほとんどの車両は、東西ルートへの変更に合わせて、フラットなアレイを備えていました。

ソーラーカーレースでは、エネルギー消費を最適化することが最も重要です。したがって、車両のエネルギーパラメータを継続的に監視して最適化できることが役立ちます。さまざまな条件を考慮して、ほとんどのチームは、車両がどのくらいの速度で走行すべきかをチームに継続的に更新するレース速度最適化プログラムを備えています。一部のチームは、車両のパフォーマンスデータを後続のサポート車両に中継するテレメトリを採用しており、車両のドライバーに最適な戦略を提供できます。

レース ルート自体も戦略に影響します。これは、車両の向きに固有のさまざまな要因に応じて、空の太陽の見かけの位置が変化するためです (上記の「レース ルートの考慮事項」を参照)。

さらに、レース ルート上の標高の変化によって、ルートを走行するために必要な電力量が大幅に変わることがあります。たとえば、2001 年と 2003 年の北米ソーラー チャレンジのルートはロッキー山脈を横断しました (右のグラフを参照)。

成功するソーラーカーレースチームは、レース当日に太陽から車両に供給される電力を予測するために、信頼できる天気予報にアクセスする必要があります。

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ウィキメディア・コモンズには、ソーラーカーレースに関連するメディアがあります。

• Howstuffworks.com: ソーラーカーの仕組み
• ソーラーデカトロンのウェブサイト。
  • DOEは、第3回ソーラー・デカスロン大会が2007年10月12日から20日までワシントンDCで開催されると発表した。
• Inventions.about.com のソーラーカー
• ワールドソーラーチャレンジのウェブサイト
• アメリカンソーラーチャレンジ
• 国際ソーラーカー A - Z
• デル・ウィンストン太陽光発電チャレンジ
• 南アフリカソーラーチャレンジ
• カレラ ソーラー アタカマ
• https://web.archive.org/web/20080517201319/http://web.ew.usna.edu/~bruninga/APRS-SPHEV.html
• オーストラリア国立博物館 BP ソーラー トレック車両The Quiet Achiever
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