Barco propulsado a energía solar de alta velocidad
Figura 1. Ekranobarco
solar con la estructura porta paneles solares totalmente extendida.
Ekranobarco 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 superiores al tamaño propio del su 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.
Este sistema de alas rebatibles
podrá desplegarse y plegarse para aumentar y disminuir su tamaño según se
necesite por medio de cilindros hidráulicos colocados dentro de las alas y sobre
los laterales del casco del barco. Cuando dicha estructura este extendida podrá
aumentar la superficie expuesta al sol y generar la energía eléctrica necesaria
para el funcionamiento del barco y cuando el mismo tenga que estar amarrado o
fondeado en un puerto este sistema de alas se plegara para disminuir la
superficie ocupada por el barco en su lugar de fondeo o amarre.
Figura 2. Los cascos que
podrá tener serán como los que utilizan los barcos de alta velocidad actuales
como los cascos de planeo, los catamaranes o los cascos con hidroalas. Además
los Ekranobarcos podrán llevar una estructura de paneles solares verticales
para aprovechar la energía solar reflejada en el agua pero con una forma rígida
y una altura limitada para no afectar su estabilidad y su resistencia al avance
a alta velocidad.
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 entre un 35 al 50
% o mas respecto a cuando el avión se desplaza a una altura convencional. Este
efecto es aprovechado por los Ekranoplanos o vehículos de efecto suelo
actuales, pero en los mismos tanto sus sistemas propulsores como las partes que
forman al mismo nunca tocan o están sumergidos en el agua, o sea, dichos
Ekranoplanos pueden despegar y aterrizar desde pistas terrestres o desde el
agua pero cuando viajan ninguna de sus partes está en contacto con el agua o
con otro tipo de superficie y funcionan como si fuera un avión en vuelo rasante.
En nuestro caso, tanto los sistemas
propulsores como los flotadores laterales podrán estar totalmente o
parcialmente sumergidos o en contacto con el agua para poder mejorar la fuerza
de empuje del sistema de propulsión o la estabilidad de la embarcación cuando
funcione a alta velocidad. Por esto creo que es conveniente diferenciar el
nombre de este tipo de embarcaciones a las que llamo como Ekranobarcos respecto
de los Ekranoplanos actuales que como dijimos cuando navegan ninguna de sus
partes está en contacto con el agua.
Si bien la fuerza de resistencia al
avance sobre los motores y el sistema de propulsión que irán sumergidos en todo
momento en el agua será mayor a que si los mismos estuvieran en el aire, cuando
esta embarcación se desplace tanto a baja como a alta velocidad la fuerza de empuje de los mismos
sobre el agua será mayor que si los hacen sobre el aire.
Para el caso de la estabilidad del
barco, si parte de los flotadores laterales están en contacto o parcialmente
sumergidos en el agua, o bien poseen en su parte inferior hidroalas o los
propulsores de agua, la estabilidad que tenga esta embarcación a alta velocidad
será mejor que si dichas alas estuvieran siempre en el aire, y por ende, se
podrán usar alas sin tantas características aerodinámicas que permitan darle
una mayor superficie de captación de energía solar para aumentar la energía
solar generada por esta embarcación.
Eficiencia
de los paneles solares.
En este momento la eficiencia
máxima de los paneles solares de uso comercial está en el orden de los 20 a 21%
aunque existen células solares de uso espacial que serían muy caras para
usarlas en este tipo de barcos con eficiencias del orden del 35 al 40%. La
eficiencia máxima que podría tener una célula solar multijuntura o tándem es del
68,2% y se están elaborando en este momento en laboratorios células solares de
puntos cuánticos de silicio con el potencial de llegar a eficiencias del orden
de los 40-50% en los próximos años, por lo tanto para los cálculos y
estimaciones del consumo que realizaremos en este articulo consideraremos
paneles solares de un 50% de eficiencia que es una eficiencia que podrán tener
los paneles solares en el futuro no muy lejano.
Igualmente se están desarrollando
en distintos laboratorios a lo largo de todo el mundo una gran cantidad de
nuevos tipos de células solares, entre ellas, por ejemplo, las llamadas células solares Phonovoltaicas
(Phonovoltaic solar cells) que tienen el potencial teórico de poder llegar a
eficiencias superiores al 70%, por lo cual a futuro también se pueda sobrepasar
en algún momento el 50% de eficiencia que consideraremos para los cálculos en
este trabajo.
Figura 3. Para usos de
largas distancias y altas velocidades el uso conjunto de los propulsores debajo
del agua y de hélices aéreas podrán mejorar significativamente la eficiencia
total de propulsión de la embarcación.
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 alta velocidad 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
que se recarguen con sistemas de recarga externos a la embarcación en los
muelles o en los lugares de fondeo de la misma.
En
el caso de que esta embarcación se utilice para el transporte de cargas o de
personas en largas distancias y a altas velocidades, puede ser conveniente el
uso conjunto de propulsores de agua junto con hélices aéreas tanto abiertas o
estandars o con envoltura o de flujo guiado, ya que los propulsores de agua
cuando deben trabajar a medianas o altas velocidades empiezan a perder eficiencia
de propulsión debido al aumento de las pérdidas de eficiencia debido a la
cavitación.
En
este caso el uso conjunto de propulsores debajo del agua con las hélices aéreas mejorara la eficiencia total de esta embarcación cuando navegue a altas velocidades
y los propulsores debajo del agua le darán mayor fuerza de empuje cuando la
embarcación navegue a bajas velocidades o cuando tenga que navegar por zonas de
vientos y oleajes intermedios donde la embarcación empiece a desestabilizarse y
los propulsores debajo del agua mejoren tanto la estabilidad como la fuerza de
propulsión en esos momentos.
Figura
4. 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.
Para
que cuando esta embarcación funcione a alta velocidad las alas de la misma no
tiendan a elevarla y a darla vuelta hacia atrás podrá ser conveniente el uso de
sus sistemas de propulsión tanto en la popa como en la proa de su casco. Siendo
lo más conveniente el uso de propulsores en pares, para que el sentido de giro
de sus hélices sea contrario entre si y aumentar la eficiencia de propulsión de
los mismos.
Figura
5. Las alas podrán achicarse hacia los costados para mejorar su eficiencia aerodinámica
y darle mayor estabilidad a alta velocidad.
Tipos de aplicaciones y
zonas apropiadas para el uso de este tipo de buques.
Figura
6. 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. Quizás en estos casos
la embarcación tenga que navegar con la estructura de alas rebatibles en una
posición semiplegada para mejorar su estabilidad lateral y disminuir el impacto
que pueda tener el oleaje sobre la misma.
Para la carga y descarga de personas y de cargas de
este buque, debido al sistema de alas rebatibles en la parte lateral de su
casco, los más conveniente es que se haga por la parte de adelante o por la
parte de atrás del buque. Y en general, este tipo de barco será conveniente
utilizarlo para el transporte de cargas livianas o medianas y no para el
transporte de cargas muy pesadas como pueden ser los grandes buques de cargas
actuales.
Los tres tipos de aplicaciones que puede ser más
conveniente el uso de este tipo de embarcaciones son:
1_ En yates de recreo o esparcimiento y barcos deportivos o de pesca con una eslora
mayor a los 6 o 8 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 podrá hacerlo a mayor velocidad que estas embarcaciones en la actualidad. Además cuando
estén fondeados o sin movimiento podrán aprovechar con la energía solar a recargar las baterías eléctricas
que lleve.
2_ En barcos policiales o militares de patrullaje de
zonas costeras. En este casos cuando las embarcaciones estén patrullando a baja
velocidad podrán hacerlo en un 100% a energía solar y si necesita mayor
velocidad para su desplazamiento o para una persecución también podrá hacerlo a
una mayor velocidad que los barcos patrulleros actuales.
3_ En Ferrys para el transporte de personas o de cargas desde cortas hasta largas distancias.
En el caso del transporte de cargas pesadas a velocidades bajas o intermedias, este tipo de Ekranobarco solar seguramente se usará en forma conjunta o superpuesta con otros tipos de sistemas de propulsión como son los barcos a baterías o los barcos solares con el sistema porta paneles solares de tipo telescópico.
En el caso del transporte de personas o de cargas livianas o intermedias a altas velocidades, el uso de este tipo de Ekranobarco solar también seguramente se usara en forma conjunta o superpuesta con otros sistemas de propulsión como son los barcos actuales de alta velocidad propulsados con baterías eléctricas o bien por el uso de los Ekranoplanos o vehículos aéreos de efecto suelo donde el uso de los Ekranoplanos empezará a ser mas conveniente que el uso nuestros Ekranobarcos solares a medida que las distancias sean mayores y que necesiten despegar o aterrizar desde aeropuertos terrestres en zonas del interior del país.
Los Ekranoplanos en general están mas limitados en su tamaño y en el transporte de cargas mas pesadas que nuestros Ekranobarcos solares pero gracias a la mayor velocidad que pueden llegar de 400 a 450 Km/h respecto de los Ekranobarcos solares que en general estarán limitados a velocidades máximas de entre 100 y 150 Km/h, hará que en los trayectos de largas distancias (Mayores a los 1.000 Km) pueda empezar a ser mas conveniente el uso de los Ekranoplanos cuando en el futuro se logren hacer mas seguros sus vuelos a altas velocidades, ya que hoy por hoy, los Ekranoplanos tampoco están totalmente desarrollados y muchas veces les resulta difícil o imposible volar en forma segura y sin accidentes en vuelos rasantes a alturas respecto del agua no mayores a los 3 metros y a sus velocidades máximas de 400 a 450 Km/h.
Figura 7. Los flaps en la parte trasera del ala podrán controlar la altura final entre el ala y el agua para aumentar el efecto suelo y la fuerza de sustentación debajo del ala.
Estimación del consumo
Cómo la relación máxima de los coeficientes de sustentación Cl y de resistencia al avance Cd es de 65, para el perfil alar elegido y teniendo en cuenta la disminución de este valor por la resistencia al avance extra generada por el casco y demás componentes de la embarcación, pero considerando que el efecto suelo logrado por está embarcación puede llegar a ser igual o mayor a los logrados por los Ekranoplanos y poder llegar a duplicar la relación final entre la fuerza de sustentación L y la fuerza de resistencia al avance D. Es que por estos motivos 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.
Además en estos cálculos estimamos que el motor del Ekranobarco serrá un motor Diesel con una eficiencia del 30% y que la eficiencia del conjunto de los propulsores de hélices de agua supercavitantes y hélices aéreas de flujo guiado será en torno al 75%.
Los cálculos del consumo de energía se harán para el caso de un peso de 1 Tonelada o 9.800 Newton y una distancia de 100 Km o 100.000 metros.
En estos resultados podemos ver que el consumo estimado para el Ekranobarco 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.
Por lo tanto, en principio, según los resultados obtenidos el Ekranobarco solo se justificaría como uso para el transporte de cargas livianas o de personas en distancias cortas o intermedias (hasta unos 1.000 Km), y no tanto para el transporte de cargas intermedias como pueden ser cargas de tipo frigoríficas como carnes o alimentos que necesiten ser refrigerados en trayectos de distancias intermedias y largas (superiores a los 1.000 Km) como sería uno de los objetivos de la utilización de estos Ekranoplanos solares.
Igualmente este tipo de embarcación, si bien estaría acotado su uso como Ferry de transporte de cargas intermedias o pesadas, si se podría usar como Yate o embarcación para usos deportivos o de esparcimiento, o como barco de patrullaje costero propulsados total o parcialmente a energía solar.
Estado de avance del proyecto
En
este momento este proyecto de barco solar con el sistema de alas rebatibles
para aplicaciones de alta velocidad lo presente como solicitud de patente para
su fabricación aquí en Argentina y estoy buscando interesados en llevar
adelante y poder aplicar este proyecto tanto en Argentina como en otros países.
Si
está interesado en este proyecto puede contactarse con migo al email:
Martín-Giordano@hotmail.com.
Martín-Giordano@hotmail.com.
