Zonne-auto Nuna 12: 50% meer capaciteit bij hetzelfde gewicht als voorganger

Het Brunel Solar Team heeft een grote sprong voorwaarts bereikt met zijn nieuwe zonneraceauto, de Nuna 12. Met aanpassingen aan onder andere het zonnepaneel en de accu heeft de auto 50% meer capaciteit in de accu bij hetzelfde gewicht. Wij spraken Chief Engineer Folkert Straus over de verbeteringen.

Het Delftse studententeam richt zich op de overwinning tijdens de Bridgestone World Solar Challenge op 22 oktober in Australië. Hierbij racen meer dan 30 teams in hun zelfgebouwde zonneauto in 5 dagen ruim 3000 kilometer door de woestijn van Darwin (in het noorden) naar Adelaide (in het zuiden). Het doel is om in zo min mogelijk tijd over de finish te komen.

Pouch cellen

Een opmerkelijke verbetering is het gebruik van Pouch cellen. In tegenstelling tot de gebruikelijke cilindrische cellen hebben de Pouch cellen een platte vorm, wat resulteert in een lagere interne weerstand. Hoewel de meeste zonneauto’s tegenwoordig op cilindrische cellen rijden, maakt het Brunel Solar Team dit jaar als een van de weinigen weer gebruik van pouch cellen.

Chief Engineer Folkert Straus over de cellen: “Het grote voordeel is dat we voor hetzelfde gewicht aan batterij meer dan 50% meer energie kunnen meenemen. Het is een redelijk nieuwe technologie – eigenlijk hetzelfde type cellen als een paar jaar geleden in het nieuws kwamen omdat ze in telefoons zaten en gingen uitzetten. Ze worden warmer dan gewone cellen – en dat was onze ontwerpuitdaging. Wij hebben uitgebreid onderzoek gedaan naar de luchtcirculatie in het accupakket om te voorkomen dat de temperatuur stijgt tot buiten het werkgebied.”

Dit heeft niet meer ruimte gekost. Door de panelen slim op te delen, heeft het team er voldoende ruimte tussen kunnen laten en het oppervlak mooi kunnen indelen. Dit is eerst getest in simulaties en vervolgens in real life, door met rook te kijken hoe de lucht door het pakket stroomt en de temperatuur tussen ingaande en uitgaande lucht te  vergelijken.

“Wij hebben veel studenten Lucht- en Ruimtevaart in ons team – en hun hele studie draait om vliegen. Dus die weten als geen ander hoe lucht zich gedraagt en hoe die zich beweegt. Met die kennis hebben we heel veel gedaan.”

Silicon nanowires

Bovendien maakt de accu gebruik van Silicon Nanowires, dunne draadjes van silicium waarin lithium wordt opgeslagen. Deze draadjes zorgen ervoor dat de accu kan uitzetten zonder schade aan de cel te veroorzaken. Door het gebruik van silicium kan er meer lithium worden opgeslagen, wat resulteert in een grotere capaciteit voor Nuna 12 ten opzichte van voorgaande jaren. Dit is een nieuwe technologie van Amprius, dat ook fanatiek met de studenten heeft meegewerkt aan deze toepassing. De pouch cellen en silicon nanowires gaan hand in hand.

Heterojunction in zonnepaneel

Het zonnepaneel van Nuna 12 heeft ook enkele opvallende verbeteringen ondergaan. Het Brunel Solar Team maakt gebruik van Heterojunction in de zonnecellen, wat betekent dat het paneel uit meerdere lagen van verschillende materialen bestaat. Hierdoor kan het team een hoger rendement halen uit het lichtspectrum. Hoewel Heterojunction een bestaand concept is, bereikt Nuna 12 een efficiëntie die nog niet eerder is behaald met dit proces.

Straus: “Wij zijn het eerste team dat van deze technologie gebruik maakt. Omdat het paneel uit verschillende materialen bestaat, is het beter bestand tegen hitte. Zonnepanelen verliezen veel rendement bij warmte en bij deze daalt dat veel minder hard. En waar je normaal van 1 kant licht opvangt, benut je bij deze cellen ook het licht van de achterkant. Dus gereflecteerd licht wekt ook energie op.”

Het team heeft de panelen in samenwerking met producent Meyer Burger geoptimaliseerd door een witte backsheet gebruiken, die goed reflecteert, en een topsheet met prismaatjes het meeste uit het licht haalt bij elke lichthoek.

Vervolgens zijn vele experimenten uitgevoerd om de optimale afstand tussen de cellen te bepalen. Want hoe verder ze van elkaar af liggen, hoe meer energie. Maar je moet ook rekening houden met de aerodynamica.

Half cut

Daarnaast maakt het team gebruik van half cut cells, wat betekend dat de cellen in tweeën worden gesneden. Deze halve cellen worden vervolgens gebruikt bij het shingelen; een proces waarbij de cellen elkaar gedeeltelijk overlappen. Deze overlappende cellen, zorgen voor een efficiëntere plaatsing en verminderen de loze ruimte op het oppervlak van Nuna 12. Hierdoor heeft de zonneauto een hogere energiedichtheid per vierkante meter in vergelijking met voorgaande jaren.

Bovendien maakt het team gebruik van een MPPT-omvormer, die zorgt voor een optimale verhouding tussen stroom en spanning uit het zonnepaneel van Nuna 12, waardoor de verliezen worden verminderd en de zonnecellen optimaal kunnen presteren, zelfs bij componenten met verschillende spanningen.

Asymmetrische vorm

Er is veel aandacht besteed aan de aerodynamische vorm, wat heeft geleid tot significante verbeteringen. De zonneauto is extreem compact, waardoor deze nog minder luchtweerstand ervaart dan eerdere Nunas. Ook is de canopy verkort, wat resulteert in minder schaduw op het zonnepaneel. Zelfs als alle elektrische systemen en aandrijving worden uitgeschakeld, kan Nuna nog steeds kilometers doorrijden bij een snelheid van 100 km/u, dankzij de superlage luchtweerstand van de auto. Deze aanpassingen zorgen voor een aanzienlijke verbetering van de aerodynamica van Nuna 12.

Het Brunel Solar Team is het enige team in de competitie dat rijdt met een asymmetrische catamaran, terwijl alle andere teams racen in een bulletvormige zonneauto. Hoewel de asymmetrische vorm voordelen met zich meebrengt, is het ook uitdagender om de juiste afstelling te vinden. Teams die eerder in een (asymmetrische) catamaran reden, zijn overgestapt op een bulletvorm.

Straus: “Wij zijn van oudsher bekend met catamaranvorm, die maakt dat de auto kan zeilen op de wind. Vorig jaar mocht je op drie wielen gaan rijden en toen zijn we overgestapt op een bullet. Maar dit jaar hebben we voor het eerst in tien jaar weer windtunnelexperimenten uitgevoerd, met bullets en catamarans, en daar kwam de catamaran beter uit.” De Nuna 12 heeft twee verschillende capsules onder, namelijk rechts een bredere die om de coureur heen is gebouwd en links een korte, smalle die precies om het wiel past.

Compacte ophanging

De ophanging is aan de compacte vorm van de zonneautoaangepast en is 26% kleiner dan in voorgaande jaren. Het is tevens de lichtste ophanging ooit gebruikt in een Nuna-voertuig en is de eerste asymmetrische voorophanging in Nuna ooit.

Bij het ontwerpen van de mechanische onderdelen is rekening gehouden met het verloop van de race in Australië. Het gehele raceverloop en alle stuurhoeken zijn gesimuleerd om de perfecte afstelling van de onderdelen te bereiken.