Achtergrond

Talrijke innovaties bij zonnewagen Nuna 12

Na jaren afwezigheid doen ze weer mee: het Brunel Solar Team, bestaand uit 18 studenten van de TU Delft, wil met de Nuna 12 opnieuw winnaar worden van de Bridgestone World Solar Challenge, een wedstrijd met zonnewagens over ruim drieduizend kilometer, dwars door de Australische woestijn. De zonnecellen zijn verbeterd, de batterij heeft aanzienlijk meer capaciteit en de wagen is kleiner geworden. ‘Maar uiteindelijk draait het om de combinatie van samenwerking en efficiëntie of we gaan winnen’, stelt team captain Lennart Hessels.

Liefst zeven keer is het Delftse team tot wereldkampioen uitgeroepen. Daarvoor hebben de leden hun studies anderhalf jaar stopgezet om zich volledig op deze wedstrijd te richten. De laatste vier jaar was het team afwezig: in 2019 wegens accubrand vlak voor de eindstreep, in 2021 door de Corona pandemie. ‘Dat legt een grote druk op ons om ons weer te bewijzen’, zegt hij. ‘Tijdens de race van vorig jaar door Zuid-Afrika lag de focus op de aandrijving. Dit jaar zetten we voor het vlakkere Australische terrein in op het elektrische systeem: de zonnecellen en batterijen. Door andere materialen en toepassingen is onze zonnewagen ook kleiner en aerodynamischer geworden.’

[rml_read_more]

Innovatieve zonnecellen

Voor de Nuna 12 heeft het Brunel Solar team, aangevuld met twee stagiaires van Hogeschool Windesheim uit Zwolle voor de koolstofvezels van het voertuig, nieuwe materialen gebruikt. ‘Waar veruit de meeste zonnecellen uit mono- of multikristallijn silicium bestaan, hebben wij heterojunctie cellen toegepast’, licht de team captain toe. ‘De bovenste laag van amorf silicium laat veel zonlicht door terwijl het kristallijn silicium daaronder het meeste werk doet. Op die manier halen we nog meer energie uit het lichtspectrum waar silicium gevoelig voor is. Bovendien zijn de zonnecellen en de aansluitpunten van de geleiders bi-facial: hierbij zorgt de architectuur van de cellen en de aansluitpunten voor efficiënter gebruik van het inkomende licht. We hebben nog een aantal testen uit te voeren, maar vergeleken met de wagen van vorig jaar verwachten we nu een toegenomen rendement van circa twee procent.’

Een andere technologie in de Nuna 12 is het zogenaamde ‘shingelen’, het deels overlappen van de zonnecellen om het paneel compacter te maken. Volgens Hessels was die ingreep, die begin dit jaar werd genomen, een gedurfde stap. ‘Dat is nog nooit in een zonnewagen van ons toegepast’, zegt hij. ‘Elk team dat aan het wereldkampioenschap meedoet, is nieuw. Aanvankelijk hadden we geen kennis van ‘shingelen’. We nemen een groot risico maar krijgen wel hogere opbrengsten. Het uitgebreide reglement – van meer dan zeventig pagina’s! – schrijft alleen voor dat de oppervlakte van het fotovoltaïsche systeem maximaal vier m2 mag zijn. Door de zonnecellen deels te laten overlappen, verminderen we de witruimte tussen de cellen en wordt het paneel, en daarmee ook de auto, smaller. Dat zorgt voor aerodynamische voordelen ten opzichte van eerdere Nuna’s.’

Kleinere wagen

Het puzzelen met de cellen door middel van ‘shingelen’ levert een groot bijkomend voordeel op: betere aerodynamica en een kleinere wagen. De captain: ‘We hebben de laatste maanden vaak getest, met berekeningen en computersimulaties om de wagen zó vorm te geven dat die de minste luchtweerstand krijgt. Die is nu vijf procent smaller en dunner geworden. Want vergis je niet: aerodynamica zorgt voor 2/3 van de weerstand op de wagen. Bij honderd kilometer per uur kunnen we drie kilometer doorrijden als de elektrische systemen uitvallen. Dat is net zo veel als de weerstand op een autospiegel. Een moderne auto komt al na een paar honderd meter bij 100 kilometer per uur tot stilstand.’

Naast gewicht speelt veiligheid een grote rol tijdens de wedstrijd: op het vlakke Australische terrein komen windstoten van honderd kilometer per uur voor. Ook lopen de temperaturen, met name in de woestijn, vaak tot boven de vijftig graden op. Het team is daarop voorbereid. De Nuna 12 is, net als haar voorgangers, een asymmetrisch gevormde catamaran: aan de kant van coureur bevinden zich twee wielen, het andere wiel zit links op de andere balk. Heterojunctie cellen presteren iets beter in het droge en warme klimaat van Australië. Daarnaast moeten de coureurs minstens tachtig kilo wegen, omdat ze tijdens de race bij hoge temperaturen relatief meer vocht vasthouden dan lichtere coureurs.

‘Op mechanisch vlak hebben we de ophangingen verbeterd,’ gaat Hessels door. ‘Die zijn nu 26 procent kleiner geworden. De aandrijving is vrijwel hetzelfde gebleven: op vlak terrein hebben we weinig koppel nodig. Alles wat overbodig is, hebben we weggelaten. Dat scheelt weer een halve kilo. De carrosserie bestaat uit ‘wet lay-up’ koolstofvezel. Vergelijk dat maar met een bakstenen muur waarbij de bakstenen de koolstofvezelbladen zijn en de mortel de hars tussen de bladen. In tegenstelling tot de ‘pre-preg layer’ techniek wordt de hars handmatig op de vezel aangebracht. Plekken waarop meer kracht komt te staan, voeren we iets dikker uit, plekken die minder kracht te verduren krijgen, worden iets dunner. Dat geeft ons meer controle en zorgt er tevens voor dat we de lichtste zonnewagen hebben kunnen maken.’

Sneller rijden

Speciale aandacht heeft het Brunel Solar team aan het batterijpakket besteedt. Aan het gewicht valt niet te tornen. Dat is immers reglementair vastgelegd. Daarom heeft het team zich gericht op het verhogen van de energiedichtheid van de batterij. ‘Met onze nieuwe cellen krijgen we bijna vijftig procent meer capaciteit’, vertelt Hessels trots. ‘Hierin hebben we grote stappen gezet. We maken namelijk gebruik van silicium nanodraden in pouch cellen, oftewel zakjes van cellen. Als je er via internet op googelt, dan lees je dat die zich nog in een experimenteel stadium bevinden. Behalve bij ons.’

Waar komt de nieuwe technologie precies op neer? Hessels verduidelijkt: ‘silicium heeft de informaticawereld op zijn kop gezet, nu transformeert het ook de manier waarop we stroom opslaan. Met silicium kan je meer lithium ionen opslaan dan met de huidige grafietanodes waardoor het bereik wordt vergroot. Tijdens het kampioenschap kunnen we daardoor een hogere gemiddelde snelheid halen. We verwachten dat de maximum snelheid tussen de 130 en 140 kilometer per uur ligt.’

‘Maar pas op!’, weet ook de team captain: op veel plaatsen in het traject gelden snelheidsbeperkingen. ‘We racen namelijk op de openbare weg’, zegt hij. ‘Overschrijding van de maximumsnelheid wordt met enkele minuten aftrek bestraft. Dat lijkt misschien niet veel op ruim drieduizend kilometer, maar als je weet dat het verschil tussen de winnaar en nummer twee bij de vorige race slechts 8,5 minuut bedroeg…’

Grenzen opzoeken

Alles wat beweegt, kan ook stuk raken. En een menselijke vergissing leidt, ondanks alle verzamelde data in eerdere jaren, tot vertragingen die het verschil zullen maken. Een goed ingespeeld team is volgens hem cruciaal. ‘In de vorige wedstrijd brak de voorophanging af’, zegt hij. ‘Wij vervingen die binnen tien minuten. Iets later kreeg het Japanse team, ook in 2023 een van de favorieten, hetzelfde probleem. Hen kostte de vervanging ruim drie kwartier. Wij houden daarom niet alleen rekening met kwetsbaarheid van de onderdelen, maar hebben het team ook samengesteld op mensen die goed met elkaar kunnen samenwerken.’

De afgelopen drie maanden heeft het team alle onderdelen afzonderlijk getest, van de ophangingen tot de accumodules. ‘We zoeken de grenzen op van wat mogelijk is. De zonnewagen bouwden we langzaam op zodat productiefouten sneller aan het licht kwamen. Daarna voegden we steeds meer onderdelen toe en testten we weer. In Australië zullen we dat proces twee maanden herhalen, tot vlak voor de wedstrijd. De concurrentie is dit jaar moordend. Van de vijftig teams die deelnemen, kunnen er wel tien theoretisch winnaar worden. Het team van Twente is kanshebber, net als dat van Leuven die in 2019 tot winnaar werd uitgeroepen. Michigan doet mee met een team van honderd studenten. En vlak zeker Japan niet uit, dat is misschien de grootste tegenstander. Kapitaalkrachtige sponsors en grootte zeggen niet alles. Het draait om de combinatie van voorbereiding, samenwerking en de efficiency van de zonnewagen. ‘Winnaars focussen op winnen, verliezers richten zich op de winnaars’, is de stelregel van Marc Lammers, onze teamcoach. Wij gaan voor dat eerste.’

Onderwerp:
DuurzaamheidElektrotechniekEnergieVervoer

Meer relevante berichten

Nieuwsbrief

Relevante berichten
×