18 de febrero de 2021

Barco solar de alta velocidad

Barco propulsado a energía solar de alta velocidad





Figura 1. WIG Hidrodinámico solar con la estructura porta paneles solares totalmente extendida.





WIG Hidrodinámico 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.



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. 



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 también aprovechado por los WIG (Wings In Ground effect) o vehículos de efecto suelo que funcionan como si fuera un avión en vuelo rasante.

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.



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.







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


Figura 5. 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. 

Ademas, este tipo de WIG que son propulsados desde el agua pueden sufrir una importante desestabilización y dificultades en su maniobrabilidad cuando el viento y el oleaje es cruzado y no coincide con la dirección del movimiento del WIG propulsado desde el agua. Para esto es necesario hacer que tanto sus propulsores de agua como sus hélices aéreas sean "Orientables" para acomodar la estructura alar a cada condición de viento que haya en cada momento.



Tipos de aplicaciones de esta embarcación:


1_ En yates de recreo o esparcimiento y 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 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. Pudiendo navegar tanto a baja como a lata velocidad según se necesite durante sus patrullajes o persecusiones.


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


Este tipo de barco de alta velocidad tiene como aplicación más interesante la posibilidad de poder alcanzar velocidades de alrededor de 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 con recorridos de cortas y medianas distancias que generalmente no superen los 1.000 o 2.000 Km de autonomía navegando a alta velocidad.


Figura 6. 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




El consumo de combustible por tonelada transportada y la relación de carga transportada respecto del peso total del WIG 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 el WIG 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 el peso propio de la embarcación y la carga transportada puede ser de un 50%, y si el viaje es de larga distancia, donde se necesitaria llevar mucho peso en baterías eléctricas o combustible o bien si el peso propio del WIG es alto el porcentaje de la carga transportada puede caer a un valor estimado del 40%. 












En estos resultados podemos ver que el consumo estimado para el WIG 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.

En principio, según los resultados obtenidos este tipo de WIG se justificaría como uso para el transporte de cargas livianas o intermedias, o de personas en distancias cortas, intermedias o largas. Y lo que también sería interesante sobre todo que se pueda utilizar en cargas frigoríficas para distancias intermedias o largas.





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