Voitures Solaires
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M.R.Fiore, C.Piscitiello
(*) - Linguistic Mediator: R.Triggiano (*) - G.Rizzo (**)
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(*) Istituto Alfano I - (**) DIMEC, Università di Salerno
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Résumé
C'est un travail d'introduction examinant les possibilités pour libérer les moyens de transport de leur dépendance au combustible fossile. La voiture fonctionnant à l'énergie solaire est le rêve de tous les écologistes qui veulent une voiture fonctionnant avec une énergie renouvelable ayant un faible (ou inexistant) impact environnemental.
Ce travail présente quelques références historiques concernant l'évolution technologique de tels véhicules et aussi les courses au niveau du monde entier, ainsi qu'une description sommaire et le fonctionnement de base d'une voiture utilisant l'énergie solaire; une analyse simple des dépenses et les limites de ce type de technologie. Il donne aussi des allusions sur l'état présent de recherche et les perspectives possibles. HContexte historique
Les premiers prototypes de voitures solaires sont apparus dans les années 80. Ils étaient très légers et simples sans valeur pratique réelle. Quand Worden a été intéressé par la construction de sa première voiture solaire (Solectria), il n’existait pas de référence bibliographique qui pourrait être utile pour la construction d'un tel véhicule.
À la fin des années 70, après les événements mondiaux de crise de l'énergie, Hans Thostrup avait eu l’idée d’une nouvelle sorte de véhicules sans pollution et avait développé la Quiet Achiever. Avec Larry Perkins, il a conduit la première voiture solaire sur 4052 km entre Sydney et Perth, en 20 jours.
Après cela, en 1987, il y a eut le premier défi solaire du monde (World Solar Challenge) et 23 concurrents ont réussi, finissant le voyage avec une vitesse moyenne de 67 km/h.Cette course, qui a toujours lieu aujourd'hui à travers le désert australien sur une distance d'environ 3000 km, est né en 1987 et depuis lors elle a représenté une référence fondamentale de l'expérience de voitures solaires, l'étape principale dans la recherche appliquée de l'exploitation du soleil est de couvrir de grandes distances.
Le World Solar Challenge a débuté à l'initiative de Hans Thostrup, le pionnier danois né en 1944, le premier à naviguer autour de l'Australie sur un bateau de 16 pieds. En 1990 un nombre plus élevé de moyens avait des caractéristiques techniques avancées comparés à ceux fabriqués en 1987. En 1990, le gagnant était l'équipe de l'École suisse d'Ingénierie de Biel. En 2005, Nuna III, qui a effectué les 3000 km en 29 h et 11min, a obtenu la première place dans le WSC (World Solar Challenge) pour la troisième fois. Cette voiture avait une conception futuriste. Elle a été construite par les étudiants hollandais de l'Université Delf (sur les 11 étudiants, 3 étaient des femmes). Cette voiture a tenu une vitesse moyenne de 95 km/heure.
Le World Solar Challenge prouve que l'énergie alternative n'est pas seulement une utopie environnementale. Certes, les prototypes de la course ont leurs limites mais ils représentent aussi une fenêtre ouverte vers l'avenir.
Une voiture solaire : Comment est-elle construite et comment fonctionne-t-elle?
Généralement les prototypes de voitures solaires ont été construits en utilisant une forme aérodynamique pour réduire la résistance de l’air. Pour la construction du corps externe ont été choisi des matières en plastique, parce qu’elles sont légères et résistantes. La surface de voiture est recouverte par des panneaux solaires fortement efficaces. Ces panneaux convertissent l'énergie solaire en énergie électrique stockée dans différentes sortes de batteries qui fournissent la puissance au moteur électrique. Ce dernier change l'énergie électrique en travail mécanique transmis aux roues.
Dans des prototypes avancés, un triple jeu de panneaux est monté sur la voiture de sorte que la lumière et l'énergie solaire, après le passage dans la première couche de cellules, peuvent être utilisés par la deuxième et même par la troisième. La voiture est aussi équipée par des petits dispositifs qui donnent de meilleures performances des batteries et des panneaux solaires même quand la voiture est garée à l'ombre ou quand le temps est nuageux. Un dispositif électronique est connecté à un ordinateur, dans la voiture, qui calcule l’alimentation d'énergie des cellules solaires ou celle les batteries. La tension par laquelle les batteries sont fournies par les cellules solaires est modifiée pour obtenir le meilleur résultat. De tels véhicules peuvent atteindre une vitesse d'environ 150 km/h et leur poids est d’environ 300 kg.
Coûts et limites
On peut considérer que le soleil est gratuit, ce qui n'est pas le cas du pétrole! Une telle déclaration peut être un point de départ remarquable concernant l'étude de la libération des moyens de transport de leur dépendance au combustible fossile.
La voiture solaire est toujours un rêve, elle dépend du soleil et ne peut pas travailler sans sa présence. En considérant le temps quotidien d'utilisation d'une voiture et l'énergie moyenne quotidienne fournie par le soleil nous pouvons imaginer une voiture capable d'exploiter l'énergie solaire, mais il y a quelques difficultés qui doivent être résolues :
- Les panneaux solaires sont volumineux et doivent être orientés vers le soleil, de plus ils sont chers et peuvent être soumis à des dégradations.
- Peut-on toujours garer une voiture au soleil?
- Où pouvons-nous stocker l'énergie collectée pendant que la voiture est garée?
M. Murianni a interviewé, pour le magazine Newton, le prof V. Naso, professeur des systèmes énergiques à l'Université "La Sapienza" de Rome et président d'ISES Italia (la Société d'Énergie Solaire Internationale), celui-ci a déclaré qu'il y a une limite physique à la construction des voitures solaires pour une utilisation ordinaire. En dehors de l'atmosphère terrestre, le soleil fournit une quantité d'énergie inférieure à 1.4 kW par mètre carré. Sur la terre, dans des conditions favorables, nous pouvons avoir à notre disposition sur les panneaux solaires 1 kW par mètre carré. Il n'est pas possible d'exposer plus de 10 mètres carré de panneaux sur une voiture, cela signifie un maximum de 10 kW. Pour déplacer nos voitures technologiques, aujourd'hui nos moteurs ont besoin d'environ 60 kW. De plus, les gens ont besoin d'utiliser leur voiture quand il pleut ou quand il fait nuit. Au World Solar Challenge un tel rêve s'est réalisé : un grand nombre de chercheurs célèbres se réunissent là pour rivaliser avec des voitures très chères utilisant des technologies avancées afin d'obtenir la meilleure efficacité dans les panneaux solaires, les formes aérodynamiques et la légèreté des matières.
Maintenant des voitures solaires couvertes par des panneaux photovoltaïques chargent des batteries en plomb, nickel-cadmium ou lithium. Un professeur à l'Université d'Alabama, A. Passerini est, par idéal, loin de la compétition de telles voitures (d'habitude ces voitures coûtent environ 150.000 euros). Passerini a construit quelques petites voitures solaires, une d'entre elles, appelé le Canari II ZEV, construits en 1996, a coûté 7000 dollars (autonomie : 160 km, vitesse 65 Km/h, six batteries de 12 volts, poids 408 kg, deux places).
Le but réel de telles voitures n'est pas d'être un symbole de compétition, mais il est de montrer que des voitures solaires peuvent être utiles dans notre vie quotidienne. Comme le montrent tous les résultats du WSC, l'Europe est au premier rang en ce qui concerne cette sorte de recherche.
En ce qui concerne les recherches?
Du point de vue de l'environnement, la meilleure solution est constituée par la voiture électrique hybride avec un moteur à combustion interne optimisé, réduisant la pollution et produisant de l'énergie électrique pour charger les batteries utilisées pour déplacer le véhicule.
M. D. Sparisci a écrit un article dans "Repubblica" : "maintenant la voiture hybride est aussi solaire" un kit photovoltaïque sera commercialisé par une société américaine pour être installé sur la Toyota Prius, le symbole de la voiture des écologistes.
Selon Solatec, les voitures équipées de panneaux solaires, augmentent leur autonomie de environ 10 %. Après avoir était mis à l'épreuve sur un prototype conduit avec des conditions météorologiques différentes, le kit a été vendu à 2.195 dollars.
Les panneaux de 30 watt sont fixés sur le toit avec du ruban adhésif et rechargent les batteries du système hybride au moyen d'un fournisseur de puissance spécial commutant les rayons de soleil lors de la conduite ou quand la voiture est garée.
Selon les dernières nouvelles, la société canadienne "Solid Works" au travers du projet "Power of One" va utiliser la technologie des voitures solaires pour les voitures communes. Ce prototype a connu un succès au test de vitesse, freinage et stabilité et a été évalué satisfaisant pour circuler aux Etats-Unis.
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Un prototype de voiture hybride électrique avec des panneaux PV (photovoltaïques) a été développé à l'Université d'Agriculture et de Technologie de Tokyo. Plusieurs panneaux PV ont été installé sur le toit pour recharger des batteries. Le poids de la voiture a augmenté de 350 kg.
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K. Sasaki et al./Solar Energy Materials and Solar Cells 47 (1997) 259-263
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Un prototype très avancé de HSV (Ultra Commuter) a été récemment développé à l'Université de Queensland, adoptant une structure hybride de série - 2.5 mètres carrés de panneaux solaires avec 375 Watts. En temps ensoleillé le Ultra Commuter peut voyager plus de 60 km par jour avec la seule puissance du soleil. Un pack de batterie en Li-ion de 360V peut prolonger cette distance à 200 km. Un gaz naturel compressé fourni une puissance au générateur de 10 kW pour alimenter des batteries, produisant une gamme totale de 500 km. La voiture est propulsée par deux moteurs de 75 kW qui sont à l'intérieur des roues arrières.
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Une nouvelle sorte de cellule est maintenant disponible. Elle est capable de fournir l'énergie électrique si on lui donne de l'hydrogène et de l'oxygène ou bien de produire de l'hydrogène et de l'oxygène à partir d'eau si on lui fourni de l'énergie électrique. Leur ratio entre le poids et la puissance est aussi très bas.
Le problème est le carburant puisqu'il ne peut pas être liquéfié et qu'il exige des réservoirs lourds et épais pour être stocké, avec des pertes lors du travail de compression.
Les nouvelles perspectives peuvent être :
- L'amélioration de l'efficacité des cellules photovoltaïques et la réduction de leur coût.
- Les développement de cellules réversibles travaillant avec des éléments non gazeux, ne polluant pas et facilement stockables dans des réservoirs normaux.
- La construction de propulseur électrique simple recouvrant l'énergie gaspillée générée lors du freinage et de la conduite irrégulière.
La voiture solaire de l'avenir sera probablement une voiture électrique sans panneaux solaires à bord ou en partie équipée pour satisfaire les demandes. Elle travaillera avec des cellules sans produits gazeux ou facilement liquéfiable et disponible le long des routes aux postes d'essence et rechargeable avec le courant fourni par des panneaux photovoltaïques installés sur les toits et les terrasses des maisons.
Bibliographie
Papers
http://www.repubblica.it/2005/l/motori/dicembre05/superprius/superprius.html
” La super Prius è fra noi Con i pannelli solari vola” (D. Sparisci)
http://www.repubblica.it/2005/l/motori/dicembre05/autosolare2005/autosolare2005.html
“Un'auto solare da usare in città Ecco la sfida della SolidWorks (V. Borgomeo)
http://www.repubblica.it/2005/i/motori/settembre05/solarchellenge05/solarchellenge05.html
“Al via la F 1 delle auto solari: Partita la Adelaide-Darwin ” (Repubblica)
http://www.repubblica.it/2004/j/motori/ottobre04/bibendumcina/bibendumcina.html
“Challenge Bibendum a Shanghai In Cina la corsa di auto ecologiche” ( S.Braccini)
http://www.repubblica.it/2004/g/motori/luglio04/corsasolari2/corsasolari2.html
“Auto solari in pista a Suzuka E' il Solarcar Race 2004” di (V.Borgomeo)
http://www.repubblica.it/2004/f/motori/giugno/nuna2initalia/nuna2initalia.html
“In Italia la Nuna 2 è l'auto solare più del veloce del mondo” (Repubblica)
http://www.repubblica.it/2003/l/motori/dicembre03/400kmfuelcell/400kmfuelcell.html
“Quattromila chilometri con un'auto a idrogeno” (Repubblica)
http://www.repubblica.it/2003/k/motori/novembre03/mgibrida/mgibrida.html
“L'auto ibrida diventa spider - Elettrico o a benzina, un computer sceglie autonomamente quale dei due propulsori usare” ( M. Caldera)
http://www.repubblica.it/online/cultura_scienze/macchina/macchina/macchina.html
“Settemila chilometri con auto a energia solare” (Repubblica)
http://www.repubblica.it/online/cultura_scienze/idrogeno/mondo/mondo.html
“E tra poco il mondo andrà a idrogeno” (Repubblica)
http://www.esa.int/esaCP/ESAHK2OED2D_Italy_0.html
“La nostra auto è spaziale” (ESA)
http://newton.corriere.it/Pregresso/2003/11/2003110100010.shtml
” Il veicolo del futuro che non guideremo mai ” M. Murianni
http://newton.corriere.it/PrimoPiano/News/2004/06_giugno/21/nuna.shtml
“Nuna2 in giro per l'Europa: 6500 km e neanche una goccia di benzina” (Newton)
http://newton.corriere.it/Pregresso/2002/03/2002030100002.shtml
“Idrogeno: è in arrivo l' energia pulita” M. Murianni
http://newton.corriere.it/PrimoPiano/News/2003/11_Novembre/19/numa2.shtml
“Nuna II batte tutti i record del World Solar Challenge” (Newton)
Books
Title: “The Leading Edge: Aerodynamic Design of Ultra-Streamlined Land Vehicles”
Author: Goro Tamai
Publisher: Bentley Publishers - Date of Publication: Aprile 2003
”The Leading Edge is the first book to summarize the design and construction issues of solar cars and ultralight land vehicles…”
Title: Cars (Transp)
Author: Julie Richards
Added author: June Loves
Publisher: Chelsea House Publications - Date of Publication: Aprile 2001
”This series presents information about six different forms of transportation in a database format, linking information literacy with computer literacy…”
Title: More with Less: Paul MacCready and the Dream of Efficient Flight
Author: Paul Ciotti
Publisher: Encounter Books - Date of Publication: Settembre 2003
”In the 1970s a small group of unknown southern California visionaries, working independently on their whims and hobbies, developed an interest in lightweight, low-powered machines…”
Title: The Solar Car Book with Other
Prodotto da Klutz Press
Publisher: Klutz - Date of Publication: Settembre 2001
”This book about solar power comes complete with a real solar-powered car to assemble…”
Link
http://www.ilsolea360gradi.it
Newsletter sull'energia solare e energie rinnovabili pubblicata da ISES Italia, sezione dell'International Solar Energy Society
http://www.futura2.it/cosae.htm
Associazione Futura
http://ing.univaq.it/energeti/research/Macchine/Scheda6.htm
Dipartimento di Energetica dell'Università dell'Aquila
http://www.wsc.org.au/2005/
World Solar Challenge 2005
http://www.unisa.edu.au/solarcar/
University of South Australia
http://www.cdu.edu.au/solarcar/album.html
Fuji Xerox Desert Roses
http://web.mit.edu/solar-cars/www/noflash/index.html
”Solar electric vehicle team”
http://www.americansolarchallenge.org/
North American Solar Challenge
http://www.und.nodak.edu/org/sea/
Society for Energy Alternatives
http://www.prin.edu/solar/
The Principia Solar Car Team
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