Ô tô sử dụng năng lượng mặt trời với Lightyear One

Lightyear, một công ty ô tô ở Helmond, Hà Lan, đang cách mạng hóa khái niệm ô tô thân thiện với môi trường bằng cách xây dựng mái che bằng pin mặt trời, để bạn có thể sạc lại pin ngay cả khi lái xe trong ngày. Nó gần giống như vừa di chuyển vừa mang theo trạm sạc. Mặt trời sẽ làm tất cả công việc và sạc đầy pin.

Các kỹ sư của Lightyear đang sử dụng Ansys Mechanical, Ansys Fluent và Ansys HFSS để thiết kế kết cấu, khí động học cũng như các đặc tính điện từ và nhiệt của chiếc ô tô năng lượng mặt trời Lightyear One năm chỗ ngồi.

Lightyear, một thành viên của Chương trình Khởi nghiệp Ansys đã thiết kế Lightyear One từ đầu - bao gồm khung nhôm nhẹ và sợi carbon, bốn động cơ trong bánh, hệ thống truyền động và mái che năng lượng mặt trời - để đạt được phạm vi và hiệu suất tối đa.

Lightyear One sử dụng các tấm năng lượng mặt trời trải dài từ đầu kính chắn gió đến mặt sau của thân xe.

Andrea Carpi, Kỹ sư trưởng về kết cấu tại Lightyear cho biết: “Những người lái xe có ý thức về môi trường không lo lắng về việc họ có thể đi nhanh bao nhiêu từ 0 đến 100 km/h. Họ đang tìm kiếm hiệu quả - khai thác tối đa phạm vi hoạt động từ nguồn điện sạch mà không phải dừng lại thường xuyên để sạc lại.”

Carpi và các kỹ sư đồng nghiệp của ông đang sử dụng Ansys Mechanical, Ansys Fluent và Ansys HFSS để thiết kế các đặc tính kết cấu, khí động học, điện từ và nhiệt của Lightyear One năm chỗ để bạn có thể lái xe tới 725 km (450 dặm) trong một lần sạc. Các tế bào năng lượng mặt trời, trải dài từ đỉnh kính chắn gió đến sau thùng xe, có thể tăng thêm phạm vi hoạt động 12 km cho mỗi giờ bạn lái xe dưới ánh nắng mặt trời.

Lightyear One đi kèm với phích cắm phù hợp với ổ cắm trên tường thông thường, nhưng tùy thuộc vào thói quen lái xe của bạn và lượng ánh sáng mặt trời trong khu vực của bạn, bạn có thể không phải sử dụng nhiều.

Nội thất xe Lightyear One

Một thiết kế chiến thắng ngay từ đầu

Mặc dù bây giờ là một cơ quan tách biệt khỏi Đại học Eindhoven, Lightyear đã phát triển từ Đội năng lượng mặt trời Eindhoven, nhóm kỹ sư sinh viên đã giành chiến thắng trong Thử thách năng lượng mặt trời thế giới Bridgestone bốn lần liên tiếp từ năm 2013 đến năm 2019 (cuộc thi được tổ chức cách năm, và họ đã thắng tất cả các giải trong khoảng thời gian này).

Cạnh tranh trong hạng mục "tàu tuần dương" của "phương tiện năng lượng mặt trời ứng dụng", chiếc xe chạy bằng năng lượng mặt trời Stellar Era của đội đã hoàn thành hành trình 3.020 km (1.876 dặm) qua vùng hẻo lánh của Úc, từ Darwin đến Adelaide, chỉ sử dụng 71,24 kWH điện vào tháng 10 năm 2019.

Thành công vượt trội như vậy có thể khiến bạn nghĩ đến việc thương mại hóa phương tiện năng lượng mặt trời của mình, và vào năm 2016, Lex Hoefsloot, giáo sư kỹ thuật tại trường đại học kiêm trưởng nhóm giảng viên, cùng với các đồng sáng lập Koen van Ham, Martijn Lammers, Arjo van der Ham và Qurein Biewenga quyết định làm điều đó.

Quyết định này dựa trên công thức kinh doanh lâu đời là “chúng tôi sẽ hối hận nếu không làm điều này”, Hoefsloot- hiện là Giám đốc điều hành của Lightyear- nói với tạp chí Forbes vào tháng 11 năm 2020.

Kỹ thuật mọi thứ lại một lần nữa

Mặc dù họ đã học được rất nhiều điều từ Bridgestone World Solar Challenge, nhưng với tư cách là một công ty thương mại, Lightyear đã phải suy nghĩ lại về thiết kế của họ với người tiêu dùng, điều này có nghĩa là giảm chi phí, tăng hiệu quả và sự thoải mái. Xét cho cùng, trong khi các sinh viên kỹ thuật ở đại học có thể bị thuyết phục từ bỏ điều hòa không khí trong một chuyến đi đường dài ở Úc, thì người tiêu dùng bình thường sẽ khó chấp nhận hơn với sự bất tiện này.

Vì vậy, họ đã sử dụng những gì đã học được để thiết kế lại chiếc xe năng lượng mặt trời từ đầu. Chương trình Khởi nghiệp Ansys đã giúp họ ở giai đoạn này bằng cách cho phép họ kiểm tra hầu như các thiết kế kết cấu, khí động học và điện tử mà không phải chịu chi phí tạo mẫu và thử nghiệm vật lý.

Mô phỏng thể hiện sự biến dạng (dịch chuyển) tối đa của phần đầu xe khi chịu tải trọng hoạt động lớn nhất.

Mô phỏng thể hiện sự biến dạng (dịch chuyển) tối đa của phía sau xe khi chịu tải trọng hoạt động lớn nhất.

Mô phỏng thể hiện sự biến dạng (dịch chuyển) tối đa của cánh tay đòn dưới của xe khi chịu tải trọng hoạt động lớn nhất.

Mô phỏng thể hiện sự biến dạng (dịch chuyển) tối đa của cánh tay đòn trên của xe khi chịu tải trọng hoạt động lớn nhất.

Carpi nói: “Chúng tôi chắc chắn được hưởng lợi từ các khả năng mô phỏng chi phí thấp mà Ansys cung cấp cho chúng tôi thông qua Chương trình Khởi nghiệp của họ. Bạn phải tiêu tiền của nhà đầu tư một cách khôn ngoan để tận dụng tối đa và phần mềm mô phỏng Ansys đã giúp chúng tôi tiết kiệm thời gian và tiền bạc.”

Một vấn đề kết cấu duy nhất trong trường hợp của Lightyear One là đảm bảo rằng 5m2 tấm pin mặt trời có thể chịu được các va chạm của đường và thậm chí là một vụ va chạm nhẹ mà không bị phá hủy hoàn toàn. Các kỹ sư của Lightyear đã sử dụng mô phỏng để thiết kế một cấu trúc nhiều lớp bao gồm kính an toàn ở trên cùng của các tấm năng lượng mặt trời, cũng như các cấu trúc hỗ trợ bên dưới, để tăng thêm sức mạnh.

Họ đã sản xuất một video cho thấy một kỹ sư nhẹ cân đi trên mái năng lượng mặt trời trong đôi ủng mềm để chứng minh độ bền của thiết kế. Không giống như các tấm pin mặt trời tiêu chuẩn ngừng hoạt động nếu một tấm duy nhất trong cấu trúc bị lỗi, hệ thống Lightyear One vẫn tiếp tục hoạt động nếu một phần của tấm pin bị hỏng.

Các kỹ sư của Lightyear đã sử dụng Ansys Fluent để giúp thiết kế hình dáng của chiếc xe.

Các kỹ sư sau đó thực hiện các bài kiểm tra đường hầm gió để xác minh kết quả mô phỏng.

Để giảm lực cản và lực nâng nhằm mang lại hiệu quả khí động học, các kỹ sư của Lightyear đã chạy mô phỏng bằng cách sử dụng Fluent để giúp thiết kế hình dáng của chiếc xe.Sau đó, họ thực hiện các bài kiểm tra trong đường hầm gió để xác minh kết quả của các mô phỏng. Với đáy phẳng và phần trên dài, thon, hình dạng của Lightyear One giống như một cánh máy bay.

Bằng cách làm cho phần đầu dài hơn với độ dốc thoải, luồng không khí vẫn bám vào xe, giảm lực cản so với thân xe ngắn hơn với độ dốc lớn hơn. Vỏ bánh xe mới cũng hướng luồng không khí xung quanh bên ngoài thay vì vào giếng bánh xe, điều này có thể gây ra nhiều lực cản hơn.

Nhóm Lightyear cũng sử dụng mô phỏng để thiết kế bốn động cơ bánh xe độc ​​lập chỉ cung cấp năng lượng ở bất kỳ đâu và khi nào cần thiết. Họ đã sử dụng mô phỏng điện từ Ansys để đảm bảo rằng họ đang tận dụng tối đa các tấm pin mặt trời và mô phỏng hệ thống quản lý pin (BMS) để lưu trữ và phân phối điện năng hiệu quả nhất.

Lightyear hiện đang nhận đặt trước các đơn đặt hàng cho Lightyear One với mức giá 150.000 euro để giao cho EU, Na Uy và Thụy Sĩ, bắt đầu từ cuối năm 2021. Phần còn lại của thế giới sẽ phải đợi đến năm 2024 và 2025 khi mẫu xe thứ 2, giá cả phải chăng hơn được ra mắt, để có thể sở hữu một trong những chiếc ô tô chạy bằng năng lượng mặt trời tuyệt vời này.

Tìm hiểu thêm về Chương trình Khởi nghiệp Ansys.