النهج الابتكارية للتصميم الهوائي في المركبات ذات الطاقة الشمسية

مقياس الكفاءة الأيرودينامية في التنقل الشمسي

وتمثل المركبات العاملة ذات الطاقة الشمسية رؤية تحولية للنقل المستدام، ومع ذلك فإن قدرتها على البقاء تتوقف على التغلب على قيود أساسية في مجال الطاقة: الكثافة المحدودة للطاقة في ضوء الشمس، وحتى مع وجود خلايا فولطية عالية الكفاءة، فإن تصميم المركبات الشمسية لا يمكن إلا أن يجني النظر في نظم الطاقة الشمسية(11)؛ و1.5 موثوقية في تطوير عوامل الطاقة تحت ظروف مثالية(ب)8212؛ وجزء من ما يرسمه مقياس تقليدي للكهرباء.

والفيزياء الـ 0.25 درجة حرجة: ارتفاع الجر الهوائي مع مربع السرعة، بينما ترتفع الطاقة اللازمة للتغلب على السحب مع غطاء السرعة، حيث تهب المركبات الشمسية على مسافة 80 كيلومتراً/ساعة، وقد يستهلك أكثر من نصف الطاقة المتاحة على الهواء، وتزداد هذه المعدلات ارتفاعاً كبيراً، وتصمم قوات الواقع هذه الفرق لتجريد كل كمية ممكنة من الطاقة (C)(12).

أساسيات المركبات الشمسية

ولكي يصمم المهندسون بفعالية، يجب أولا أن يفهموا التحديات التي تواجهها المركبات الشمسية في مجال الهواء، وعلى عكس السيارات التقليدية، يجب أن تستوعب السيارات الشمسية صفائف كبيرة من الألواح الضوئية على أسطحها الخارجية، وتستحدث هذه الألواح انقطاعا سطحيا، وتولد حرارة، وكثيرا ما تتطلب مناطق متحركة مسطحة أو متحركة برفقة أشكال مثالية من التكوين الهوائي.

عناصر السحب وعلاقتها

ويمكن إزالة السحب الهوائي على مركبة من عدة مكونات، وعادة ما يُقلل الحد الأدنى من الضغط الناجم عن فصل التدفق الجوي خلف المركبة بسرعة أعلى، ويُستخدم عنصر الارتطام الناجم عن التقلبات الهوائية على طول السطح، وهو مساهم أصغر ولكنه لا يزال كبيرا، ويقلل الحد الأدنى من الضغط، المرتبط بتوليد الرفع أو القوة، في المركبات الشمسية، حيث يرتب على ذلك ضغط منخفض على المناولة بسرعة قصوى.

دور المنطقة الحدودية ونسبة الشب

وفي حين أن مركز القيادة هو أكثر المناطق مقاييسها شيوعا، فإن مجموع الجر هو ناتج Cd، والمنطقة الأمامية (A)، والضغط الدينامي، ولا يمكن تخفيض المنطقة الأمامية بشكل تعسفي لأن المركبة يجب أن تستوعب السائق، ومنطقة سطحية شمسية، والأبعاد الدنيا التنظيمية، إلا أن التغليف الدقيق، ووضع السائقين يمكن أن يؤدي إلى تخفيضات ذات مغزى، ويظهر المبدأ الشكلي 1:82؛ ويعود إلى أدنى مستوى للمركبات طولها:

ديناميكات الفولطية الحاسوبية كمهندس تصميم

وتبدأ عملية التصميم الهوائي الحديثة للمركبات الشمسية وتنتهي بديناميات السوائل المحوسبة، وتسمح المحاكاة العالية الاستخلاص للمهندسين بأن يستكشفوا بصورة متكررة آلاف التغيرات الشكلية قبل أن يتم بناء أي نموذج أولي.

ويكشف تحليل الديوكسينات عن توزيع الضغط الخفي عبر سطح المركبة، إذ أن المناطق التي تتعرض لضغط شديد على الوجه الأمامي والضغط المنخفض في أعقاب ذلك تؤدي إلى قوة سحب صافية، وبتصوير هذه الحقول، يمكن للمهندسين أن يحددوا المكان الذي ستحقق فيه تعديلات الشكل أكبر فائدة، فعلى سبيل المثال، قد تبين دراسة عن الدي إف دي أن تعديلاً من 2 درجة إلى زاوية السطح الخلفي يقلل من حجم الايرادات بنسبة 8 في المائة.

النمذج الأمثل والنماذج المتماثلة

ويفسح المجال أمام عملية التدقيق في الشكل اليدوي للتشغيل الآلي باستخدام الخوارزميات الجينية، والأساليب المترافقة، والتعلم الآلي، ويضع المهندسون نموذجا شبه قياسي لتشكيل المركبات باستخدام متغيرات تصميمية مثل الشعاب وزوارق الجسم، والإحداثيات السطحية، ويقيّم الخوارزمي الأمثل مئات أو آلاف المحاكاة التي تستخدمها أجهزة الأشعة السينية، ويحد كل اختبار من القيود على السحب.

SREamlined Body Forms and Integrated Solar Surfaces

(ب) أن شكل المركبة الشمسية المكوّنة هو: 8212؛ وقطعة طويلة، منخفضة، ممزقة بالدموع، مع سطح أعلى مسطح لللوحات الشمسية: 8212؛ ونتاج عقود من الصقل الهوائي؛ ويجب أن تُحدّد ملامح العجلات المسيل للدموع، التي يصفها الرياضيات جسم بحري - هاك أو أكثر عمومية من البوليمين الخامس، إلى أدنى حد من شكل الضغط الذي يؤدي إلى فصل.

تصميم ودمج أجهزة التأليف

الكوب هو أكثر المناطق حرجة من حيث الهوائيات لأنها تنتقل من سطح الشمس المسطح إلى الأنف وتشكل منطقة الريح المصممة بشكل سيء وتولد فقاعات فصل محلية تزيد من جرها بشكل غير متناسب، وتستعمل التصميمات الناجحة منحنية سلسة ومستمرة من غطاء الريح إلى السطح، وتتجنب حدوث انفصال حاد في الزاوية.

Solar Panel Integration as an Aerodynamic Surface

ويؤدي تطويق الألواح الشمسية إلى نشوء نزاع أساسي: يجب أن تواجه الأفرقة الشمس، وأن تكون من الناحية المثالية منظّمة للأشعة القادمة، ومع ذلك فإن السطح الأمثل للهيروسيا هو الذي يُحذّر ويتجه نحو التقليل إلى أدنى حد من المنطقة الأمامية، ويحلّ المهندسون هذا الأمر باستخدام خلايا متعددة الأطراف ذات كفاءة عالية، وتحتاج إلى منطقة أقل من أجل توليد الطاقة الكهربائية اللازمة، مما يتيح للمجموعات المتذبذبذبذبذبذبذبذبة.

مسابقات العجلات والعلاج تحت الجمود

وتخلق العجلات المتناوبة العجلات الدوارة تدفقاً غير ثابتاً معقداً وسحباً عالياً، وتغلق المركبات الشمسية تقريباً العجلات في المعارض المبسطة التي تمتد من العجلات وتميل بسلاسة إلى الشكل الرئيسي، وتُشكل هذه المعارض بعناية لتوجيه الهواء حول الإطار المتناوب بدلاً من السماح لها بدخول البئر المتحرك.

النظم الأيرودينامية النشطة للظروف الدينامية

بينما يُشكل الشكل الثابت على الوجه الأمثل جراً لسرعته وموقفه المحددين، فإن قيادة العالم الحقيقي تشمل سُرعة متفاوتة، وقابلية للاختراق، ودرجات الطرق، والنظم الأيرودينامية النشطة توفر القدرة على تكييف الشكل الخارجي للسيارة استجابة للظروف المتغيرة، والحفاظ على الكفاءة المثلى عبر مظروف تشغيل أوسع.

المُتَبَرِسَة والشعلات

وقد أظهرت عدة نماذج للمركبات الشمسية دلائل على وجود مفسدات أو قفزات في الطرف الخلفي، حيث تكون سرعة الجر أقل حرجة وتدفقات الهواء المبردة أقل، يمكن أن تتدفق المفسدة مع الجسم، ومع زيادة السرعة، يمتد المفسد ويضبط زاوية الحد من حجم الانذار وانخفاض الارتفاع، وتستعمل بعض التصميمات ازدهار الثوران الافتراضي أو السحب الجزئي.

مكوكات غريل النشطة وكرات التبريد

وتولد المركبات الشمسية حرارة منخفضة من النفايات مقارنة بسيارات الاحتراق الداخلي، ولكن لا تزال الطاقة الكهربائية والبطاريات تحتاج إلى التبريد أثناء عمليات الشحن العالية، ولا سيما في التسلق فوق المهبلي، ويمكن لمكوكات العجلات النشطة أو شاحنات المركبات المتغيرة أن تنظم تدفق الهواء إلى نظام التبريد، وعندما يكون الطلب على التبريد منخفضا، فإن أجهزة الإغلاق قريبة من الحفاظ على سطح خارجي سلس وضيق الحد الأدنى(11).

Flow Control via Synthetic Jets and Plasma Actuators

وقد استكشفت الدراسات المختبرية أساليب أكثر نشاطا في مجال مراقبة التدفق، بينما يمكن للمحرقين الاصطناعيين الذين ينتجون تذبذباً صفرياً للكتلة الكتلية من الهواء من خلال صندق صغير أن ينشطوا طبقة الحدود ويؤخروا الفصل على سطح الأرض، بينما يخلق مُلَك البلازما قوة محلية للتأهب على الهواء من خلال تصريف حاجز الديكل، مما يؤدي إلى وجود ضوابط مماثلة على الفصل دون التحرك.

المواد وصنع المواد من أجل السطح المنخفض الدراج

إن التصميم الهوائي لا معنى له دون القدرة على صنع أسطح سلسة دقيقة ببعدها، وقد دفع بناء المركبات الشمسية حدود الصنع المركب باستخدام البوليمر المعزز بالنسيج المقوى بالكربون مع راتنجات المكسو أو السيانات لإنتاج أجسام احتكارية ذات وزن خفيف ودقيقة في الهواء.

التسامح في مجال إنهاء الحياة والثقة

وكثيرا ما تقلل أهمية الغلاف الجوي للسطح، بل إن الشواء السطحي الصغير أو الخشن يمكن أن يؤدي إلى الانتقال المبكر لطبقة الحدود، وزيادة جر الاحتكاك، وعادة ما تنتهي أجسام المركبات الشمسية إلى تقريب سطحي يقل عن 0.5 ميكروميتر را، ويتم تحقيقه من خلال الإعداد الدقيق للمبيضات، ومعاطف الجيل العالية الجودة، والتحكم اليدوي، وتخفض الثغرات في الأبواب أو المعاطف المغلقة بمرونة.

التكتلات ذات التردد المنخفض والسطح الهيدروفي

وقد استرشد الباحثون بسطحات الميكانيكية الحيوية، فقد فحصوا المعاطف التي تصيبها رهاب الكهرمائية والكراهية الولائية التي تقلل من حدة داء المياه وتخفف من عقوبة الجر في ظروف رطبة، وفي حين أن الأثر على جر الهواء الجاف صغير، فإن هذه المعاطف يمكن أن تمنع تسرب المياه من إزعاج طبقة الحدود أثناء الأمطار، بل إن المعاطف المنخفضة الارتداد على معاطف العجلة، وتخفضة من المساهمة الدائمة من تلك المناطق.

الكفاءة الهيكلية والحد من الوزن

ويقلل كل جرام من الطاقة اللازمة لتسريع وتسلقها، ولكن الوزن الهيكلي يؤثر أيضا بصورة غير مباشرة على الديناميات الهوائية، ويمكن أن تستخدم مركبة أخف محركات أقل حجما، وتحتاج إلى قوة أقل من الاستقرار، حيث لا تُوجد أقل أجهزة المركبات الشمسية وزناً يصل إلى الحد الأدنى من المواد التي تستخدم الألياف الكربونية إلى 15#8211؛ و25 كيلوغراماً للقصف الكامل، بما في ذلك نقاط التطوير المتكاملة للمركبات الشمسية.

الديناميات الحيوية والطبيعة المُلهمة

وقد تطورت الطبيعة في إيجاد حلول فعالة للتحديات الدينامية المتدفقة على مدى ملايين السنين، ونظر مصممو المركبات الشمسية بشكل متزايد إلى الأشكال البيولوجية للإلهام، وشكل المسيل نفسه شكلا حيويا، مما يتردد على الهيئات المبسطة للأسماك والطيور ذات التردد السريع، ومن التطبيقات الأكثر تطورا هياكل الأنبوب التي تستخدمها أجهزة التقلب الحوتية التي ثبت أنها تؤخر وتحسن التدفق على أسطح الرفع.

Shark Skin Riblets

وربما يكون أكثر الهيكل التطريزي البيولوجي قابلية للتطبيق مباشرة هو الهيكل الذي يوجد على جلد القرش، وهذه الشعاب المجهرية المتوافقة مع اتجاه التدفق تقلل من جر الحرق الاضطرابات الجلدية إلى ما يصل إلى 88211؛ 10 في المائة من خلال تعطيل تركيب طوافات التصفيق في طبقة فرعية متناهية الصغر، وقد طبقت فرق المركبات الشمسية أفلاماً قابلة للثقب أو تُقَف مباشرة في طبقات مركبة.

سمكة الفولط وغيرها من أشكاله المثلى

إن سمكة الكوكب (المركبة) لديها معامل جر منخفض بشكل مفاجئ لشكلها المكبوت، حيث تبلغ قيم القداس حوالي 0.06 بالنسبة للجسم وحده، وقد ألهم ذلك عدة مركبات مفاهيمية، بما في ذلك سيارة مرسيدس - بينز الحيوية، وقد أثر على تصميمات المركبات الشمسية التي تسعى إلى الجمع بين كفاءة الطحالب المائية وبين الحجم الداخلي العملي، ويدير شكل سمك القرم تدفقابير حول الحافة الحادة وثوم.

التقييم العالمي الحقيقي والاختبار التنافسي

إن الاختبار النهائي للتصميم الهوائي على الطريق أو المسار العرقي، والتحدي العالمي للطاقة الشمسية الذي يُعقد كل سنتين عبر الانتكاس الاسترالي من داروين إلى أديلايد، لا يزال هو المكان الأول الذي يثبت أن المركبات في طبقة التحدي تغطي 000 3 كيلومتر باستخدام الطاقة الشمسية فقط، مع وجود أنظمة صارمة بشأن منطقة الألواح الشمسية وقدرة البطارية.

معامل السحب المغلق

أقل معامل سحب على الإطلاق في المركبات الشمسية على نطاق واسع يتراوح بين 0.07 و 0.09، وقد حققت مركبات فريق السيارات الشمسية التابع لجامعة ميتشيغان، مثل نوفوم وأستروم، باستمرار أقل من 0.10 سيد.

الآفاق المستقبلية: السطح المورفين والتحكم العصبي

"الحدّ التالي في "الهوديميائيات المركبة الشمسية هو سطح مُكيّف يتغيّر بشكل مُحكم ومستمرّ، إنّ مُدخلات الذاكرة الشاكية والجلد المركب المرنّة قد تُغيّر كامبو سطح أو غلاف الطرف الرئيسي استجابةً لـ "الحافز الكهربائيّ

خط السحل المتكامل ورسم أمثل

وتقترح بعض المفاهيم المرئية وجود سطح مركب للبحر الشمسي والحد من الجر، ويمكن توسيع نطاق الكيمبراين النحيل القابل للانتشار المشمول بالتصوير الفلكي للوزن الخفيف من المركبة بسرعة منخفضة لزيادة المساحة التي تجمعها الطاقة الشمسية، ثم يعاد سحبها بسرعة عالية للحد من الجر، وسيتطلب هذا النظام تصميما هيكليا دقيقا لمنع التقلب والحفاظ على الاستقرار، ولكنه يمكن أن يزيد بشكل كبير الطاقة المتاحة للشحن مع الاحتفاظ بالسرعة القصوى.

إن مسار التصميم الهوائي للمركبات الشمسية واضح: فكل تحسن تدريجي في خفض الجر يوسع المظروف التشغيلي لهذه المركبات، ويقترب منها من الاستخدام العملي اليومي، ومع تقدم المواد وأدوات المحاكاة ونظم المراقبة، والحدود بين الشكل والوظيفة، وتصبح المركبات نفسها دراسات أنيقة في الفيزياء للحركة عن طريق الجو.