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:

Giordano.Martin@gmail.com

Barco solar para grandes cargas

Barco propulsado a energía solar para grandes cargas

"Large-Scale Solar Ship Project"  in English

Figura 1:  Los paneles solares horizontales capturan la energía solar directa del sol y los paneles solares verticales capturan la energía solar reflejada en la superficie del agua del mar.

Introducción

Los barcos propulsados a energía solar se presentan como una alternativa a la propulsión de los buques a futuro ante el cada vez mayor encarecimiento y agotamiento de los combustibles fósiles tradicionales y tiene como finalidad disminuir el costo de la energía que gastan los barcos actuales en su desplazamiento como así mejorar la navegabilidad en los buques sobre todo en mar abierto donde existe una gran cantidad de energía solar que no se aprovecharía de otra manera, por lo tanto con los barcos solares en un futuro se aprovecharía la energía solar que irradia sobre el mar y lo océanos y se aprovecharía para generar el desplazamiento de los buques de cargas actuales.

La superficie de paneles solares que necesita un barco de carga para captar la energía solar necesaria para su funcionamiento tiene que ser de unas 6 a 8 veces o mas de la superficie del casco de los barco actuales para que el barco navegue en forma autónoma durante el día y la noche a la misma velocidad que navegan los barcos de cargas actuales hoy en día, por lo tanto se necesita un sistema que permita poner más paneles solares en el barco de la superficie propia del barco, y para esto se presento la actual solicitud de patente que consta en una estructura telescópica que puede ampliar y disminuir su tamaño según se necesite, o sea, cuando el barco navegue sobre mar abierto y en condiciones de mar calmo navegara con la estructura extendida para poder captar la energía solar para su funcionamiento y cuando tenga que estar amarrado a un puerto o navegar por ríos estrechos o canales tipo el canal de Panamá se podrá achicar esta estructura con los paneles solares como si fueran las medidas de un barco actual.

Figura 2: Los paneles solares irán colocados sobre una estructura telescópica que permite ampliar su tamaño cuando el barco navegue sobre el mar abierto y permitirá reducir su tamaño cuando el barco tenga que estar amarrado en un Puerto o navegue por ríos o canales de navegación estrechos.

Para poder ampliar y disminuir el tamaño de la estructura que porta los paneles solares es que se diseño una estructura de tipo telescópica que tiene paneles solares dispuestos horizontalmente como verticalmente, los paneles solares dispuestos horizontalmente como se puede observar en las figurasen general captarían la energía directa del sol mientras que los paneles solares que van dispuestos verticalmente permitirían captar la componente de la energía solar difusa y reflejada en el agua del mar donde la cantidad de esta energía solar reflejada en mar abierto puede ser una cantidad de energía importante (Nosotros consideramos que esta energía puede ser del orden del 50% de la energía solar directa del sol en mar abierto) y que se sumaría a la energía solar directa del sol aprovechada en principio por los paneles dispuestos horizontalmente.

Este tipo de barco también tiene como opcional llevar, si la estructura de soporte de los paneles solares es muy grande, dos flotadores a los laterales del barco para soportar el peso propio de la estructura tomando la forma de una especie de Trimarán, pero donde los flotadores laterales solo cumplen la función de soportar el peso de la estructura de los paneles solares y no se llevan cargas en dichos flotadores, pero también dichos flotadores si bien aumentan la resistencia al avance del buque en una posición semiplegada le mejoraría la estabilidad lateral del barco pudiendo navegar mejor en momentos de tormentas en alta mar o sobre pocas profundidades del agua como puede ser en zonas rio arriba de nuestros ríos Paraná y Uruguay aquí en Argentina o en ríos similares en los demás países del mundo.

Eficiencia de los paneles solares

En este momento la eficiencia máxima de los paneles solares de uso comercial esta 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 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 tratando de desarrollar 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 cercanas al Limite de Carnot del 95%, por lo cual a futuro también se pueda sobrepasar en algún momento el 50% de eficiencia que consideraremos para los cálculos en este trabajo con algunos de estos nuevos tipos de células solares que se están desarrollando e investigando continuamente en todo el mundo.

Figura 3: Paneles solares cuando la estructura telescópica esta completamente plegada

Velocidad y características de este tipo de buques

Consideraremos como ejemplo de aplicación de este sistema de propulsión a energía solar con esta forma de estructura porta paneles solares a un buque tipo Panamax de 50.000 TPM con una eslora máxima total de unos 250 metros, una manga máxima de 32 metros y un calado de 12 metros, pero este tipo de sistema telescópico de bastidor de los paneles solares de los buques solares también podrá aplicarse a buques de mayor tamaño tipo los buques PostPanamax o buques de menores tamaños donde se justifique hacer este tipo de estructuras telescópicas que en general se justificaran de implementar por la complejidad de su funcionamiento en buques de medianos o grandes portes.

Calculo de las velocidades del buque de ejemplo para un día de verano e invierno en Argentina

Si consideramos que la estructura de soporte de los paneles solares tiene unas 8 veces la manga máxima del barco o sea de 256 metros y una altura de los paneles solares verticales de la mitad del ancho de los paneles solares horizontales o sea de 128 metros con un largo de los paneles solares igual a la eslora máxima del barco de 250 metros y además si consideramos que las horas de sol por día para la radiación estándar de 1.000 W/m2 es de 6,5 hs/día para un día de verano promedio y de 2,5 hs/día para un día de invierno en condiciones de mar abierto y para la posición en la que esta la ciudad de Buenos Aires en Argentina o de la Ciudad del Cabo en Sudáfrica de 35° de latitud sur.

Y considerando que los paneles solares utilizados tienen una eficiencia máxima de un 50% y que los paneles solares verticales que captan la energía solar difusa y reflejada en la superficie del mar y que esta componente es de aproximadamente el 50% que la energía solar directa del sol, o sea, que los paneles solares dispuestos verticalmente generan en su conjunto el 50% de la energía solar generada por los paneles dispuestos horizontalmente para una situación general del barco ya que el valor de esta componente de energía solar difusa y reflejada dependerá de la posición que tenga el barco y los paneles solares verticales respecto de la posición que tenga el sol en cada momento pero en términos generales, y aproximadamente, consideraremos que la energía solar difusa y reflejada en la superficie del mar será del 50% de la energía solar directa del sol en mar abierto.

Por estas consideraciones para un día de verano tendremos una potencia generada por los paneles solares de 13.000 Kw y para un día de invierno una potencia generada de 5.000 Kw.

Y considerando también que:

• El barco solar tendrá una la resistencia al avance extra debido a los pontones laterales del buque y la resistencia del velamen de los paneles solares verticales y la estructura de los paneles solares horizontales.
• Este buque solar estará construido con dos motores eléctricos acoplados a dos hélices con sentido de giros distintos, lo que genera una mejora en la eficiencia de propulsión respecto del uso de una sola hélice de un 5 al 8 %.
• Este buque y sus pontones estarán revestidos con pinturas de silicona de menor fricción con el agua en un orden del 4 al 8 % que las pinturas convencionales que se usan mayormente en la actualidad.
• La eficiencia general del sistema eléctrico tanto de los motores como de las baterías eléctricas es del orden del 80%.

Tendremos una velocidad promedio de este buque en un día de verano de:  16,5 Nudos (= 30,55 Km/h)

y una velocidad promedio de este buque en un día de invierno de:  12,5 Nudos (=23,15 Km/h)

Este cálculo es solo para saber cuales pueden ser las mejores performances que podría tener este barco con las eficiencias de las células solares consideradas del orden del 50% aunque las eficiencias de las células solares marinas hoy en día son inferiores a los valores considerados en estos cálculos.

Operación de este tipo de buques a mayores velocidades

Como este tipo de buques propulsados a energía solar tendrá que llevar acumuladores eléctricos para almacenar la energía solar generada por los paneles solares durante el día para la noche y además una cantidad suficiente de baterías eléctricas que le garantice al barco tener energía almacenada por lo menos para 4 o 5 días de funcionamiento por si el barco tiene que atravesar una zona de tormentas o de días nublados;  si es necesario darle mayor velocidad a estos buques se podrán recargar las baterías que lleve el buque si es un buque portacontenedores por ejemplo en los puertos que vaya tocando el buque por lo que para su funcionamiento tendrá la energía que generen los paneles solares mas la energía que puedan darles los acumuladores eléctricos lo cual podrá obtener una mayor velocidad que la que pueda obtener solo utilizando la energía generada por los paneles solares.

Además, una aplicación interesante que pueden tener estos mismos buques a energía solar es la generación de energía eléctrica mar adentro para luego utilizarla como barcos de recarga de energía eléctrica del resto de los buques de transportes de cargas que necesiten mayor energía eléctrica para su funcionamiento, ya sea porque son días de invierno con poca radiación solar en el mar o porque necesitan mayor velocidad de transporte de las cargas que las que le puede dar el buque con los paneles solares que lleva con este tipo de estructuras porta paneles solares.

Carga y descarga del buque

En este tipo de barco solar, cuando la estructura que sostiene los paneles solares se pliega, la estructura telescópica y sus paneles solares se plegaran en la parte superior del barco y encima de las cargas que se colocarán en el casco del barco, ya sean cargas a granel o cargas en contenedores.

Para poder cargar y descargar este tipo de cargas se necesitara un puente grúa telescópico especial ya que las grúas pórticos que están en los puertos en la actualidad no podrán realizar esta tarea de carga y descarga del buque correctamente porque la parte superior del barco estará cubierta por la estructura telescópica de soporte de los paneles solares y cuando la misma este plegada.

Este puente de la grúa telescópico tendrá un carro principal que se movería longitudinalmente a lo largo del casco del barco y transversalmente a lo ancho. Se puede ver en forma esquemática en la Figura 4, ilustrando cómo se cargará y descargará el puente de la grúa mientras el barco solar esté amarrado a un puerto.

Figura 4: Funcionamiento esquemático del puente grúa telescópico

Construcción de los primeros buques propulsados en forma parcial a energía solar 

Desde otro punto de vista, mirando hacia el futuro, una posibilidad es que los barcos propulsados con energía solar se empiecen a utilizar después de que se empiecen a fabricar los barcos propulsados en forma eléctrica mediante baterías eléctricas recargables, ya que estos tipos de barcos son menos complejos de fabricar que los barcos propulsados totalmente a energía solar como proponemos en este artículo. Los barcos que actualmente se están empezando a fabricar propulsados en forma eléctrica mediante baterías de litio y recargandose en los propios puertos donde son utilizados como se recargan los autos eléctricos actuales, tienen un costo de la energía de recarga comprada por el barco a los sistemas de recarga a un precio que ronda entre los 120 a 150 u$s/MWh, pero si tenemos en cuenta que hoy por hoy el costo de producción mayorista de la energía solar en un parque fotovoltaico en una zona soleada de un desierto no supera los 15 a 30 u$s/MWh y si bien en mar abierto la radiación solar directa es un poco inferior que en un desierto en el futuro seguramente convendrá que a los barcos eléctricos que se están fabricando actualmente se le agregue la mayor cantidad de paneles solares posibles para autoconsumir su propia energía generada y poder disminuir así los costos de la energía comprada para su propulsión a las fuentes de energía eléctrica externas al barco, comenzandose de a poco a fabricar así los barcos propulsados a energía solar que proponemos en el presente artículo.

Una forma de empezar a construir este tipo de buques con los paneles solares que existen en la actualidad, que como dijimos tienen una menor eficiencia que los considerados en los cálculos que hicimos, es hacer un buque solar con una estructura de soporte menor de los paneles solares sin los flotadores laterales que son los que mas complicaciones de navegabilidad le generan a este tipo de barcos, disminuyendo la energía solar generada por el buque pero también disminuyendo la complejidad de construcción y funcionamiento de la estructura telescópica y haciendo una propulsión a energía solar parcial, o sea, propulsado parcialmente a energía solar y el resto de la energía necesaria para mover al buque sería recargando las baterías eléctricas con fuentes de recarga externas al barco.

Este tipo de buques propulsados en forma parcial a energía solar podría empezar a construir en la forma que indica la figura de abajo donde se ve que la superficie de los paneles solares es menor que el buque pensado para funcionar en un 100% a energía solar pero también seguramente mas fácil de construir y de probar en los primeros buques que se quieran fabricar con este sistema telescópico horizontal y vertical de soporte de los paneles solares.

Figura 5: Diseño que tendrían los primeros barcos solares construidos en forma parcial a energía solar sin una gran estructura horizontal y sin sus flotadores laterales.

Conclusión

El aumento del costo de los combustibles fósiles de estos últimos años debido al cada vez mayor agotamiento de sus reservas mundiales, nos obliga a buscar combustibles alternativos, donde la energía solar, debido a la abundancia de su obtención sobre todo en los mares y océanos abiertos, y a su cada vez mayor abaratamiento y mejoras en la eficiencia y en los tiempo de vida útil de sus equipos de captación y acumulación de la energía eléctrica generada, puede ser una alternativa muy importante a tener en cuenta. 

Si bien la utilización de la energía solar en los buques de transportes de cargas tiene ciertas dificultades técnicas como el agregado de la estructura telescópica aquí propuesta para aumentar la superficie de captación de la energía solar que necesitará el buque para su funcionamiento y que puede agregar inconvenientes a la navegación de estos buques respecto de los barcos tradicionales; pero dado el alto costo de los combustibles fósiles actuales nos permite pensar que con la utilización de la energía solar en la propulsión de los buques se podrá reemplazar el uso de los combustibles tradicionales eficazmente, y además, disminuir de forma significativa el costo de operación y del costo final del flete de las cargas transportadas.

Además, considerando a las otras alternativas que se están estudiando actualmente para reemplazar a los combustibles fósiles en las embarcaciones que son principalmente el uso de baterías eléctricas y de hidrógeno, que se recargarían en los buques como actualmente se recargan los autos eléctricos; también creemos que el uso directo de los paneles solares en los propios barcos le otorgaran una mayor autonomía para alcanzar mayores distancias recorridas sin la necesidad de recargas de energía y un menor costo en su funcionamiento ya que consume la energía producida por sus propios paneles solares y no es necesaria la compra de energía eléctrica de fuentes externas al buque.

Por lo tanto, creemos que la estructura telescópica porta paneles solares que proponemos en este proyecto para que los buques puedan ser propulsados a energía solar podrá tener una gran implementación en los buques de transportes de grandes cargas tanto en el presente como en el futuro y si bien creemos que su implementación probablemente será progresiva en el tiempo, comenzandose a usar estructuras pequeñas y medianas y a medida que se vayan mejorando los problemas de navegabilidad y el peso que esta estructura genera, se irán implementando estructuras cada vez mas grandes hasta tratar de generar el 100% de la energía que consumen estos barcos con sus propios paneles solares para disminuir lo mas posible la compra de energía de fuentes externas al buque y disminuir el costo y el valor de los fletes de las cargas transportadas.

Publicaciones Internacionales de este Proyecto

Este proyecto de Barco propulsado a Energía Solar de Grandes Cargas fue publicado por la prestigiosa revista de ingeniería naval "The Naval Architect" en enero del 2020 que es editada por la Real Institución de Arquitectos Navales ( R.I.N.A.) de Inglaterra.

Estado de avance del proyecto

 

 

En este momento este proyecto se encuentra en fase de buscar interesados en la industria naval tanto en la Argentina, donde se presento la solicitud de patente de dicha estructura telescópica porta paneles solares del buque, como en el resto de los países del mundo para poder llevar adelante este proyecto y poder concretarlo.

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

Giordano.Martin@gmail.com