Barco solar de alta velocidad

Barco propulsado a energía solar de alta velocidad

"High Speed Solar Ship Project"  in English

Figura 1. WIG Hidrodinámico y Aerodinámico (HydAer en Inglés) a energía solar. Este tipo de embarcación puede llegar a velocidades de 200 a 230 Km/h respecto de los 80 a 100 Km/h de velocidad máxima que pueden alcanzar los barcos de altas velocidades actuales.

WIG HydAer o Vehículo Naval de Efecto Suelo propulsado total o parcialmente a energía solar

Para que una embarcación pueda funcionar a energía solar necesita una superficie de captación de la energía del sol varias veces superior al tamaño de su propio casco, para esto es necesario poner una estructura adicional para aumentar la superficie de captación de energía solar y en donde colocar los paneles solares fotovoltaicos para generar la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento de la embarcación, tanto para sus sistemas propulsores como para los consumos de energía de los distintos equipos que lleve la misma.

En el caso de embarcaciones que necesiten navegar a alta velocidad un sistema que puede ser adecuado para poder ampliar la superficie de captación de la energía solar es un sistema de alas rebatibles a ambos costados su casco principal. Donde dicha estructura también contara con flotadores en sus laterales para poder soportar el peso de dicha estructura porta paneles solares cuando la misma este desplegada y extendida.

Para disminuir el consumo de energía del barco cuando este navegue a alta velocidad puede ser conveniente que la estructura que está desplegada para poder captar mayor cantidad de energía solar además tenga la forma del ala de un avión, ya que cuando esta embarcación navegue a alta velocidad sobre las alas del barco aparecerá una fuerza de sustentación que tenderá a elevar el casco del barco y a disminuir el contacto del agua con su superficie.

Como la viscosidad cinemática y la densidad del agua es mayor que la del aire, a alta velocidad, la fuerza de resistencia al avance producida por el agua sobre el casco de la embarcación será mayor que la fuerza producida por el aire sobre las alas de esta embarcación, por lo tanto, es mejor que esta embarcación cuando navegue a alta velocidad tenga el menor contacto y rozamiento posible con el agua.

Además, cuando las alas de un avión se desplazan sobre una superficie plana a muy poca altura (entre 0,3 y 3 metros) aparece una sobrepresión del aire debajo de las alas del avión que hace que aumente su fuerza de sustentación y disminuzca su consumo de energía entre un 40 y 60% de cuando el avión se desplaza a una altura convencional. Este efecto es también aprovechado por los WIG (Wings In Ground effect) o vehículos de efecto suelo que funcionan como si fuera un avión en vuelo rasante.

Figura 2. Los cascos que podrá tener serán como los que utilizan los barcos de altas velocidades actuales como los cascos de planeo, los catamaranes o los cascos con hidroalas. 

Sistemas de propulsión y funcionamiento a distintas velocidades.

En este tipo de embarcación los más aconsejable es que su sistema de propulsión este formado por motores eléctricos ya que los mismos tienen un menor tamaño que los motores a combustión interna y además los mismos pueden funcionar sumergidos en el agua y estar colocados junto a los propulsores que se utilicen. Como elementos propulsores lo más conveniente es que se utilicen hélices de alta velocidad, hélices supercavitantes o sistemas de chorro de agua de alta eficiencia que son los sistemas de propulsión que se utilizan en los barcos de alta velocidad actuales.

En general el consumo de la embarcación aumentara con el peso de la carga transportada y la velocidad de la misma, por lo tanto esta embarcación podrá tener dos formas principales de funcionamiento, una a baja velocidad donde el 100 % de su consumo de energía podrá ser suministrado por sus propios paneles solares, llegando a velocidades de unos 30 Km/h aproximadamente. Y otra funcionando a alta velocidad donde las formas de alas de la estructura porta paneles solares y el efecto suelo que se producirá debajo de las mismas le permitirá funcionar con un marcado menor consumo de energía y además llegar a mayores velocidades de crucero que los barcos de altas velocidades actuales.

Igualmente en su funcionamiento a alta velocidad, aunque el consumo total de la embarcación depende del peso total de la misma y del peso de la carga transportada, lo más probable es que no pueda funcionar solo con la energía suministrada por lo paneles solares sino que necesite una energía eléctrica auxiliar, la cual podrá ser entregada por un sistema de acumuladores eléctricos o baterías eléctricas que se recarguen con sistemas de recarga externos a la embarcación en los muelles o en los lugares de fondeo de las mismas.

La ventaja que puede tener este tipo de embarcación respecto de los WIG aéreos que también se están desarrollando en la actualidad es que los propulsores debajo del agua le darán mayor fuerza de empuje y mayor capacidad de frenado cuando la embarcación navegue a bajas velocidades y haga sus movimientos de aceleración y desaceleración de mejor forma ya que esta embarcación siempre tendrá sus propulsores sumergidos en el agua, y que en el caso de los WIGs aéreos despegan y acuatizan como los hacen actualmente los hidroaviones y es de una forma más lenta y compleja de hacer la aceleración, la desaceleración y el posible esquive de bultos o de otras embarcaciones que puedan haber en el agua en el trayecto de esta embarcación de alta velocidad, que esta embarcación con los propulsores subacuáticos que le daría la capacidad de mejorar el manejo y la maniobrabilidad del barco a alta velocidad en esos momentos, ya que en los WIGs aéreos para esquivar un obstáculo u otra embarcación en el agua el WIG debe acelerar y aumentar la potencia de sus motores por el doble o el triple de su potencia de régimen para salir del efecto suelo y poder aumentar su altura y esquivar el obstáculo, y esto lo puede hacer muy vertiginoso y peligroso en los momentos de esquivar otras embarcaciones u obstáculos que estén sobre él agua, mientras que en estos WIG HydAer para esquivar un obstáculo estas embarcaciones primero frenarían y disminuirían su velocidad lenta y progresivamente para que no se produzca una desaceleración muy brusca con el agua, como cualquier embarcación de alta velocidad actual, y luego esquivaría el obstáculo o la otra embarcación y volverían a aumentar su velocidad para continuar su recorrido a alta velocidad siendo una forma mucho más segura para esquivar este tipo de obstáculos u otras embarcaciones que los WIGs aéreos y esta posiblemente sea la ventaja principal de funcionamiento entre estos dos tipos similares de sistemas de transportes de efecto suelo que se desplazan sobre el agua.

Figura 3. El ancho de las alas y su tamaño podrá ajustarse a cada aplicación. Los flotadores laterales sirven además para embolsar el aire debajo de las alas y aumentar el efecto suelo.

Si bien en la actualidad los paneles solares comerciales tienen una eficiencia limitada del orden del 20 al 21 %, menor a la eficiencia que los mismos puedan tener en un futuro, hoy en día también es justificable el uso de este tipo de embarcación ya que el uso de energía solar le permitirá ahorrar de forma considerable el consumo de energía externa de la embarcación ya sea cuando navegue a baja como a alta velocidad respecto del consumo de energía que tienen en estos dos tipos de usos las embarcaciones actuales.

Tipos de aplicaciones y zonas apropiadas para el uso de este tipo de buques.

Figura 4. El amarre y fondeo deberá hacerse de forma que el viento y el oleaje no afecte a la embarcación debido a la importante altura que puede tener el sistema de alas rebatibles cuando esta plegada.

Este buque por tener el sistema de alas laterales muy cerca del agua cuando el mismo navegue con la estructura desplegada y extendida, y por tener una gran altura cuando la estructura de alas rebatibles esta plegada, puede ser que tenga inconvenientes cuando el mismo este navegando si existen fuertes vientos y oleajes. Por esto lo más conveniente es que este tipo de buque se utilice en zonas de aguas abrigadas o en mares abiertos con vientos leves y con la precaución de no exponer esta embarcación a fuertes vientos y oleajes como puede ser un momento de tormentas. 

Tipos de aplicaciones de esta embarcación:

1_ En yates de recreo o esparcimiento, y en barcos deportivos o de pesca con una eslora mayor a  los 10 metros. En este caso cuando estas embarcaciones se muevan a baja velocidad podrán hacerlo en un 100% a energía solar y si necesitan mayor velocidad para su desplazamiento podrán hacerlo a mayor velocidad que las embarcaciones de alta velocidad actuales. Además cuando estén fondeados o sin movimiento podrán aprovechar a recargar las baterías eléctricas que lleve con la estructura alar porta paneles solares extendida.

2_ En barcos policiales o militares de patrullaje de zonas costeras. Pudiendo navegar tanto a baja como a alta velocidad según se necesite durante sus patrullajes o persecusiones.

3_ En Ferrys para el transporte de personas o de cargas desde cortas hasta medianas y largas distancias.

Este tipo de barco de alta velocidad tiene como aplicación más interesante la posibilidad de poder alcanzar velocidades de alrededor de los 200 a 230 Km/h en embarcaciones navales propulsadas desde el agua, en las cuales estas velocidades no pueden ser alcanzadas por ningún otro tipo de embarcación como los Catamaranes, los Cascos de Planeo o los Barcos con Hidroalas y probablemente se utilizarán sobre todo en las embarcaciones anteriormente mencionadas dónde la reducción del tiempo necesario en hacer los recorridos del barco sea más importante con recorridos de cortas y medianas distancias del orden de los 1.000 o 2.000 Km o más de autonomía navegando a alta velocidad.

Esto permitiría aumentar el uso turístico de los grandes Yates de Lujo y disminuir considerablemente el tiempo de los recorridos y de los viajes en Ferries entre otras ventajas del uso de estás embarcaciones de altas velocidades.

Figura 5. La estructura alar en forma rebatible le permitirá expandir la superficie de captación de energía solar cuando la misma este navegando o disminuir su tamaño cuando este amarrada o fondeada.

Estabilidad y maniobrabilidad de estas embarcaciones ante vientos y oleajes cruzados. 

Los vehículos de efecto suelo que utilizan como sistemas de propulsión hélices acuáticas, en general, tienen inconvenientes en la estabilidad y en la maniobrabilidad de la embarcación cuando la misma se desplaza a alta velocidad con vientos y oleajes cruzados, como fue el caso del proyecto de Ferry de alta velocidad de efecto suelo Seabus-Hydaer investigado por la Unión Europea entre los años 1997 y 2000 y que fue congelado y abandonado tras encontrar importantes inconvenientes en la maniobrabilidad y estabilidad de este tipo de embarcaciones cuando la embarcación se desplaza a altas velocidades con vientos y oleajes cruzados. 

Este Ferry Seabus-Hydaer investigado años atrás por la Unión Europea utilizaba para su propulsión motores a combustión de turbina de gas y propulsores de chorros de agua y tenia como velocidad de diseño 125 Nudos (231,5 Km/h) y podía transportar 800 Personas y 100 Automóviles.

Figura 6:  Embarcación de efecto suelo propulsada con motores eléctricos y hélices propulsoras supercavitantes de superficies ranuradas o sistemas de chorro de agua.

 

Una forma de disminuir el efecto nocivo de la acción de los vientos cruzados contra la estabilidad lateral de la embarcación cuando se desplaza a altas velocidades es utilizando múltiples sistemas de propulsión formados cada uno de ellos por motores eléctricos y hélices propulsoras con sistemas Azimutales para el control de la posición de los sistemas de propulsión, donde cada uno de los propulsores tenga la posibilidad de cambiar la dirección en forma independiente el uno de los otros pero de manera coordinada entre todos ellos para poder orientar la estructura alar de la embarcación y poder realizar los giros y el doblaje de la misma de la forma deseada con el fin de "orientar" en cada momento la estructura alar de la embarcación de la forma necesaria para evitar la acción nociva de los vientos cruzados sobre los laterales de su estructura alar.

Figura 7:  Embarcación de efecto suelo con las hélices propulsoras y con los sistemas azimutales para desplazarse en la misma dirección a la de la resultante del viento y del oleaje.

 

 

Cuando esta embarcación de efecto suelo se desplaza a favor o en contra del viento pero con una dirección que coincide con la dirección del viento, todas las unidades propulsoras formadas por el motor eléctrico y las hélices propulsoras estarán todas "alineadas" en la misma dirección que la dirección del desplazamiento de la embarcación, como muestra la Figura 7.

Figura 8:  Direcciones de los vientos que actúan sobre la estructura alar de la embarcación cuando existen vientos y oleajes cruzados.

 

 

Pero cuando existen vientos y oleajes cruzados a la dirección del desplazamiento de la embarcación a alta velocidad, como en este ejemplo de la Figura 8, el ángulo entre la dirección de desplazamiento de la embarcación y la Resultante del viento que actúa sobre la estructura alar de la embarcación que es lo que más complica a la estabilidad lateral y a la maniobrabilidad de la embarcación es de 8°. Por lo tanto si nosotros rotamos “todas” las unidades propulsoras independientes formadas por los motores eléctricos y las hélices propulsoras ese mismo ángulo, tanto en los propulsores de la proa como en los de la popa (como muestra la Figura 9), la dirección de la estructura alar de la embarcación se "alineara" con la dirección de la resultante del viento que actúa sobre la embarcación por lo que se minimizaran los efectos nocivos de desestabilización lateral del viento cruzado sobre la estructura alar de la embarcación pudiendo mejorar de forma importante la estabilidad y maniobrabilidad de la embarcación, y además mejorará y disminuirá el valor de la resistencia al avance generada por el viento y el oleaje cruzado cuando actúa sobre la embarcación a alta velocidad.

Figura 9:  Embarcación de efecto suelo con las hélices propulsoras orientadas para desplazarse cuando la dirección del viento y del oleaje son cruzados.

Con este sistema de rotación independiente de los sistemas propulsores para "alinear" la estructura alar de la embarcación con la dirección del viento resultante que actúa sobre su estructura alar cuando la embarcación se mueve a la alta velocidad disminuiremos los efectos nocivos del viento sobre la embarcación pero no disminuiremos del todo los efectos nocivos que también tendrá el oleaje cruzado sobre los sistemas propulsores subacuáticos de la embarcación, pero en general, el efecto del oleaje cruzado sobre los propulsores sumergidos en el agua (una vez resuelto el efecto nocivo del viento cruzado con la estructura alar del barco) serán similares a los efectos y la desestabilización que genera el oleaje cruzado en las embarcaciones únicamente con hidroalas, y cuyo efecto, muchas veces es prácticamente despreciable en el funcionamiento de dichas embarcaciones solo con hidroalas.

Con este sistema de direccionamiento de la estructura alar de la embarcación según se necesite se podrá disminuir de forma significativa o directamente resolver los problemas de estabilidad, maniobrabilidad y aumento de la resistencia al avance que generan los vientos y oleajes cruzados sobre el funcionamiento normal de la embarcación; pero los oleajes cruzados y los demás oleajes en general con los que podrá funcionar esta embarcación tampoco deberán superar ciertas alturas a la que le sea imposible navegar a esta embarcación a alta velocidad. 

Por lo tanto creo que es necesario estudiar e investigar la aplicación de este tipo de sistema de propulsión eléctrico-solar en este tipo de vehículos de efecto suelo propulsados por hélices acuáticas dadas las interesantes características de alta velocidad y relativo bajo consumo de energía que podrían llegar a tener este tipo de vehículos de alta velocidad, dado el creciente interés que tiene la aplicación de la energía solar en los sistemas de transportes navales y de que sea posible utilizar este tipo de vehículos de efecto suelo propulsados por hélices acuáticas tanto en Ferries de altas velocidades, como en Yates de uso recreativo de mediano y gran tamaño, y en embarcaciones de patrullajes costeros o guardacostas.

Sistemas de propulsión a altas velocidades.

Los vehículos de efecto suelo que utilizan como sistemas de propulsión hélices acuáticas generalmente fueron diseñados con sistemas de propulsión o hélices totalmente sumergidas, como el proyecto del Seabus HydAer de la Unión Europea que tenía proyectado el uso de sistemas de chorros de agua movidos por turbinas de gas y llegar a velocidades de 125 Nudos (231,5 Km/h). Pero en el caso de los sistemas de chorros de agua que se utilizan en barcos de alta velocidad, las velocidades máximas que generalmente pueden desarrollar es de hasta unos 60 a 65 Nudos (120 Km/h) donde a partir de estas velocidades su eficiencia de funcionamiento empieza a disminuir como casi todas las hélices de agua de altas velocidades por la aparición del efecto de cavitación que se empieza producir a alta velocidad.

En el caso de las lanchas de carreras como la categoría de motonáutica internacional Class 1 que alcanzan velocidades máximas del orden de los 140 Nudos (260 Km/h), utilizan para su propulsión hélices de superficie semisumergidas, las cuales pueden funcionar a dichas velocidades con una buena eficiencia de propulsión pero la hélice tiene que funcionar al ras del agua con una parte de la hélice sumergida y la otra parte sobre el agua, y con un diseño de las palas en forma especial que provoca una reducción del efecto de cavitación en las palas de la hélice cuando estas se mueven a alta velocidad.

En el caso de este barco de efecto suelo propulsado desde el agua como el mismo si esta cargado o si esta vacío puede tener diferentes alturas de su estructura y de su casco respecto del agua, o si existe cierto oleaje en el momento de navegar a alta velocidad que dificulte también que las hélices semisumergidas puedan estar al ras del agua en todo momento, para mi sería conveniente que el propulsor de agua utilizado este completamente sumergido en el agua durante todo el tiempo, pero es difícil encontrar hélices acuáticas que funcionen a alta velocidad totalmente sumergidas con buenas eficiencias debido a la pérdida de eficiencia por la cavitación. 

Yo creo que para disminuir el efecto de cavitación que se genera en la parte posterior o de atrás de las hélices cuando aumenta su velocidad, sería que en dicha parte de atrás de la hélice se inyecte aire a presión para evitar la disminución de la presión que se produce en estas partes de la hélice cuando aumenta su velocidad y disminuir la aparición de la cavitación y poder realizar hélices que puedan funcionar a alta velocidad sin pérdidas de eficiencia por este efecto.

En este caso también creo que habría que realizar un estudio para comprobar que esta inyección de aire a presión en la parte posterior de la hélice reduzca las pérdidas de eficiencia por cavitación correctamente en el caso de utilizar hélices con inyección de aire a presión, y me parece que puede ser una forma interesante de obtener sistemas de propulsión totalmente sumergidos con buenas eficiencias de funcionamiento a las velocidades que quisiéramos que naveguen estos barcos de alta velocidad que serían del orden de los 200 a 230 Km/h.

Estimación del consumo

El consumo de combustible por tonelada transportada y la relación de carga transportada respecto del peso total del WIG HydAer cargado que se dan en las tablas que muestran las figuras son estimativos y sus valores dependen de la eficiencia del efecto suelo que se logre alcanzar con este WIG HydAer durante su funcionamiento, del peso propio con que se logre fabricar está embarcación y del peso del combustibles o las baterías eléctricas que se utilicen.

Cómo la relación máxima de los coeficientes de sustentación Cl y de resistencia al avance Cd es de 65, para el perfil alar elegido, consideramos para el cálculo del consumo de combustible de la embarcación a valores de la relación R = L/D, del orden de los 30, 40 y 50.

Considerando que una buena relación entre la carga transportada y el peso propio vacío de la embarcación para viajes de corta distancia puede ser de 1,2 ; pero si el viaje es de larga distancia, donde se necesitaría llevar mucho peso en baterías eléctricas o combustible o bien si el peso propio de este WIG HydAer sería alto la relación entre la carga transportada y el peso vació de esta embarcación puede caer a un valor estimado de 0,8. 

En estos resultados podemos ver que el consumo estimado para el WIG HydAer sería para distancias de recorrido de unos 1.000 a 2.000 Km y dicho consumo sería inferior que el consumo por carga transportada de un avión, pero mayor al caso de un camión o del resto de los sistemas de transportes de grandes cargas como el ferrocarril o los buques interoceánicos.

Conclusión

En principio, según los resultados obtenidos este tipo de WIG HydAer eléctrico-solar se justificaría como uso para el transporte de cargas livianas o intermedias, o de personas en distancias cortas e intermedias de unos 1.000 a 2.000 Km, como es el caso del los Ferries actuales, los yates de lujo o las embarcaciones de patrullajes costeros. 

Si bien como el valor mas determinante para determinar el consumo final que tendrá este tipo de barco de alta velocidad y la autonomías máximas que el mismo pueda lograr dependerá del peso de dicha embarcación y este peso en gran parte dependerá del tipo de batería eléctrica que se use y que se logre obtener y fabricar en un futuro como las baterías de litio, sodio o aluminio y grafeno que se están tratando de desarrollar actualmente para lograr las baterías con el menor costo y peso posible. También creemos que se podrán utilizar como sistemas de propulsión las actuales turbinas de gas que tienen una muy buena relación Peso-Potencia y utilizan los combustibles tradicionales como el gasoil y fuel oil marino que tienen un peso considerablemente menor que las baterías eléctricas pudiendo aumentar la autonomía de estas embarcaciones y superar los 2.000 Km que uno pensaría que podrían tener estas embarcaciones con baterías eléctricas.

También hay que mencionar que sería necesario y conveniente realizar un prototipo experimental para comprobar que esta embarcación construida de la forma propuesta aquí pueda funcionar correctamente según lo propuesto en este proyecto, siendo los dos temas mas importantes a comprobar de que funcionen correctamente donde en un primer caso sería que se logre la disminución de la desestabilización lateral y una mejora en la maniobrabilidad del barco ante los vientos laterales o cruzados con el sistemas de múltiples propulsores acuáticos guiados por los sistemas Azimutales y en un segundo caso que las hélices propulsoras totalmente sumergidas logren mejorar su eficiencia de propulsión a altas velocidades mediante la inyección de aire a presión en dichas hélices para evitar la formación de la cavitación en dichas hélices que provocan la pérdida de eficiencia de las mismas a altas velocidades o de corroborar también si es posible la utilización como sistemas de propulsión directamente la eyección de aire a presión producidos por un compresor de aire o por los gases de escape de las turbinas de gas que se utilizarían con los combustibles Diesel tradicionales.

Nosotros creemos que este tipo de barco de efecto suelo de alta velocidad según esta proyectado aquí puede funcionar correctamente a las velocidades deseadas de 200 a 230 Km/h y con un consumo de combustible que sería considerablemente menor que si no se utilizaría la estructura alar que aprovecha el efecto suelo producido en un ala que vuela a baja altura. Además, el hecho que este vehículo de efecto suelo se propulse desde el agua con hélices supercavitantes y no desde el aire con hélices aéreas, si bien cuando se desplaza completamente desde el aire puede tener un menor consumo que con hélices acuáticas y también la posibilidad de poder desplazarse a alta velocidad si hay oleajes fuertes o intermedios, creemos que propulsarse desde el agua tiene un funcionamiento mas seguro en el momento que tenga que esquivar algún obstáculo o algún otro barco en el agua y esa creemos que es la característica mas importante en que se justifique hacer estos vehículos de alta velocidad propulsados desde el agua y no desde el aire con hélices aéreas o algún otro sistema de propulsión en que el barco no vaya propulsandose desde el agua cuando se desplaza a alta velocidad.

También creemos que sería interesante que esta embarcación se pueda utilizar para el transporte de cargas a alta velocidad donde creemos que sobre todo que se pueda utilizar en cargas frigoríficas y/o de alto valor para distancias intermedias o largas de hasta 4.000 o 5.000 Km a una mayor velocidad que los barcos portacontenedores actuales y con un menor costo que transportar las cargas por avión.

Estado de avance del proyecto

En este momento estoy tratando de realizar un prototipo experimental de este barco eléctrico-solar de alta velocidad para poder comprobar la factibilidad de su correcto funcionamiento y estoy buscando interesados en llevar adelante y poder realizar este prototipo experimental tanto en Argentina como del resto de los países del mundo.

Si esta interesado en este proyecto puede contactarse con migo al email:

Martín-Giordano@hotmail.com