Teams van de TU Delft en de Universiteit Twente werken aan hun nieuwe zonneauto’s waarmee ze volgend jaar de strijd aan gaan tijdens de wereldkampioenschappen in Australië. Betere motoren, betere PV-panelen en een goede teamgeest bieden beide teams kans op winst.
PATRICK MARX
In september wonnen de Delftse studenten het Brunel Solar Team met Nuna 11s de Sasol Solar Challenge in Zuid-Afrika. In acht dagen tijd legde de op zonne-energie rijdende auto 4223 Km af, 38 meer dan het team van de Belgische KU Leuven. Folkert Straus, die niet meereisde naar Zuid Afrika, vertelt over de huidige zonneauto. De student technische natuurkunde werkt als chief engineer in Delft aan de opvolger hiervan, Nuna 12. Het Delftse studententeam staat er overigens niet alleen voor. Ze werken samen met industriële partners maar ook oud-leden die inmiddels werkzaam zijn bij bijvoorbeeld het Formule 1-team van Mercedes.
De race in Zuid-Afrika liep van Johannesburg naar Kaapstad over een vastgesteld parcours. “In elk parcours zitten loops die je steeds opnieuw kunt rijden om zoveel mogelijk kilometers af te leggen”, vertelt Straus. De auto’s reden tussen het dagelijkse verkeer op de openbare weg en moesten zich dus aan de verkeersregels houden. Het leverde de Belgen een straf op voor te snel rijden. De race was van meet af aan een strijd tussen het Nederlandse en het Belgische team. Aan het begin van de laatste dag lag Nuna 11s maar 10 kilometer voor op de Belgen terwijl de Nederlanders een 10 minuten start-straf aan hun broek hadden. Onze zuiderburen kampten onderweg met een defecte batterijcel. Met minder vermogen vervolgden ze hun weg zonder in te lopen op de Nederlanders. De Belgische panne toont aan dat de zonneauto’s niet alleen duurzaam zijn, maar ook gevoelig voor pech. “We bouwen de auto’s op het randje van wat technisch mogelijk is en dat maakt ze kwetsbaar”, zegt Straus.
Double air gap
Delft dankt de overwinning aan enkele innovaties waaraan het team werkt. De belangrijkste is een nieuwe zelf ontworpen elektrische aandrijving: de direct double air gap motor. Straus verklaart: “We gebruikten een permanent magnet synchronous motor. Met zo’n motor controleer je nauwkeurig, met meerdere spoelen, het magnetisch veld. De rotor draait met permante magneten om de buitenkant van de spoelen heen. Vorig jaar ontwikkelden we een motor met een tweede rij permanente magneten die ook aan de binnenkant van de spoelen meedraaien. Hiermee creëerden wij de double air gap motor die een stuk efficënter werkt dan zijn voorganger.”
Het gewicht van de auto is eveneens een enorm belangrijke factor; hoe minder gewicht, hoe minder energie de voortbeweging kost. Een belangrijke gewichtsreductie voor Nuna 11s komt door het gebruik van een nieuwe lithium-ion batterij in plaats van de lithiumijzerfosfaatbatterij uit eerdere Nuna’s. “Hierdoor werd de auto zelfs lichter dan gedacht”, zegt Straus. Ook is de Nuna 11s een asymmetrische catamaran. Net als bij de boot vormen twee parallelle balken het dragende deel van de constructie. Aan één balk zitten twee van de drie wielen aan de andere het derde wiel. Straus: “Een driewieler spaart aanzienlijk gewicht ten opzichte van een vierwieler.”
Kwetsbaar
De auto is bekleed met silicium PV-cellen met een rendement van ruim 20%, dat is meer dan de huidige generatie commercële panelen haalt. “Zonnepanelen op een dak worden ontworpen met een levensduur van tientallen jaren. Een commercieel paneel ligt onder glas dat hagelbuien kan weerstaan. Glas is voor ons te zwaar en gaat ten koste van het rendement van de PV-cellen. We gebruiken ander afdekmateriaal dat de opbrengst verhoogt. De PV-panelen zijn hierdoor wel kwetsbaar. Bij een team viel tijdens de Zuid-Afrikaanse race een inbussleutel op een PV-cel die daardoor kapot ging. Het team moest met minder vermogen verder rijden.”
Elk PV-paneel bestaat uit enkele cellen, zodra op een cel minder zonlicht valt, dan beperkt die cel de opbrengst van alle andere cellen in het hele paneel. De studenten bedachten een oplossing voor dit probleem: “De cellen bevatten een diode waarmee we deze kunnen uitschakelen zodra er schaduw op valt. Het paneel heeft dan één cel minder maar de anderen werken op vol vermogen. Dus als er schaduw op een paneel valt, bijvoorbeeld van een voorbijrijdende vrachtwagen, dan zorgen de diodes dat het paneel blijft functioneren.”
Terwijl het team van Nuna 11s in Zuid-Afrika nog nageniet van hun overwinning, werkt het nieuwe team van Straus aan Nuna 12. “We hebben dankzij de race zoveel data over de motor dat we deze flink kunnen verbeteren. We werken aan nog betere PV-panelen en kijken naar de structuur van de auto.” In oktober 2023 zal Nuna 12 de strijd aan gaan met de auto’s van de andere teams waaronder de Red Horizon van de Universiteit Twente.
Pijlvorm
Bij de Universiteit Twente in Enschede werken studenten aan hun eigen zonneauto: de Red Horizon. Hiermee wonnen ze vorig jaar de Solar Challenge Morocco (Delft werd derde). Racen in de heuvelachtige Marokkaanse woestijn stelt heel andere eisen aan de auto dan een race over vlak terrein. “Het bochtige parcours stelt grotere eisen aan de stabiliteit terwijl de heuvels meer motorvermogen vragen. Op een vlak terrein rij je met een constante snelheid want daar is relatief weinig stroom voor nodig. Heuvel op kost meer energie en dus maximaliseerden we het vermogen dat we uit onze motor kunnen halen”, zegt elektrotechnisch ingenieur Jelle de Haan.
De Twentenaren zijn geheimzinniger over de details van hun auto en de opvolger daarvan die in 2023 in Australië van start gaat. Het belangrijkste verschil met Delft zit in de pijlvorm van de auto. “Sinds 2013 bouwen we onze eigen motoren specifiek voor gebruik in een zonneauto”, zegt hoofdingenieur Jessica Bos. “Hierdoor hebben we veel invloed op het afstellen van de motor.” Ook het batterijpakket bouwt het team zelf. Bos: “Het past precies in de gekromde ruimte in de neus van de auto. De neus is de grootste ruimte waarin we de batterij kwijt kunnen en bovendien komt het gewicht voorin de stabiliteit ten goede.”
Ook de Red Horizon gebruikt silicium zonnecellen met een hoog rendement. “We werken samen met een netwerk aan partners dat ons helpt hoge kwaliteit PV-cellen te selecteren en ze door sponsoring ook helpt financieren.” De komende maanden zal duidelijk worden hoe de opvolger van de Red Horizon er uit gaat zien. “Vooral op het gebied van de aerodynamica, de mechanica en de elektrotechniek willen we grote slagen maken”, zegt Bos. “Dat gaat bijvoorbeeld om de wielophanging en de communicatie tussen de elektrische systemen.”
Australië
Bij de World Solar Challenge 2023 in Australië gaat het niet om het gereden aantal kilometers, zoals in Zuid Afrika, maar om wie het als eerste over de finish komt. De auto’s rijden van 8 tot 17 uur. Wie langer rijdt, start de volgende dag later. Deze tijdslimieten zijn niet per se heilig voor de teams, ze kunnen strategisch voordeel opleveren en daarom neemt elk team eigen strategen mee. Wat te doen bijvoorbeeld als er ’s ochtends bewolking voorspeld wordt? De strategen moeten dan afwegen of ’s avonds doorrijden om ’s ochtends, onder de wolken, de tijdstraf uit te zitten.
Behalve techniek en strategie speelt nog een factor een uiterst belangrijke rol en dat is de teamgeest. Net als de pit crew van een Formule 1-team, weten de teamleden elk schroefje binnen seconden te vinden. Delft claimt een uitstekende teamgeest dankzij het kleine op elkaar ingespeelde team van maar 17 mensen. Straus: “Tijdens een vorige race in Australië brak een ophanging af. Ons team verving deze binnen 10 minuten. Kort daarna gebeurde precies hetzelfde bij de Japanners die 40 minuten voor hun reparatie nodig hadden.” De deelnemende teams werken met dag- en nachtcrews. “De hele nacht werken ingenieurs aan de auto om deze klaar te maken voor de volgende dag, overdag slapen ze.”
Het Twentse team bestaat uit 21 leden die al net zo goed op elkaar ingespeeld zijn als de Delftenaren. Bos: “Bij het samenstellen van ons team houden we rekening met bij elkaar passende persoonlijkheden zodat we goed kunnen samenwerken.” Het voordeel van die samenwerking is vaak het grootst tijdens pech onderweg, ervoer ook het team van de Red Horizon. “Tijdens de eerste dag van de race in Marokko kregen we onverwacht een klapband. Je wilt dan zo kort mogelijk langs de kant van de weg staan. Het team verving snel wielen en voerde de nodige service uit. Ondanks de pech, maar dankzij de goede samenwerking, wonnen we toch.”
Wie gaat volgend jaar winnen? Veel zal afhangen van de kwaliteit van de nieuwe auto’s die beide teams ontwikkelen. Beiden wonnen recent een race waarbij Twente Delft versloeg tijdens de enige onderlinge confrontatie in Marokko. Vergeet België niet, het Leuvense team werd twee keer tweede. Het lijkt een spannende race te worden down under, in Australië.
