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Proyecto de barco propulsado a energía solar de alta velocidad

Figura 1. WIG Hidrodinámico 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 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.

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 WIGs Hidrodinámicos 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 WIGs Aéreos 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 WIGs aéreos 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 WIGs Hidrodinámicos respecto de los WIGs aéreos 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, como con envoltura o de flujo guiado, ya que los propulsores de agua cuando deben trabajara 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.

 

 

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 WIG Hidrodinámico 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 WIG Hidrodinámico 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 WIGs aéreos o vehículos aéreos de efecto suelo donde el uso de los WIGs aéreos empezará a ser más conveniente que el uso nuestros WIGs Hidrodinámicos solares a medida que las distancias sean mayores y que necesiten despegar o aterrizar desde aeropuertos terrestres en zonas del interior del país.

Pero, en general, este tipo de barcos de alta velocidad tienen como aplicación más interesante la posibilidad de poder alcanzar velocidades de alrededor de 200 a 230 Km/h en embarcaciones navales sobre el agua, las cuales no pueden ser alcanzadas por ningún otro tipo de embarcaciones como los Catamaranes, los Cascos de Planeo o los Barcos con Hidroalas y probablemente se utilizarán sobre todo en embarcaciones de cortas y medianas distancias que generalmente no superen los 1.000 o 2.000 Km de autonomía navegando a alta velocidad.

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.

 

 

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 tenía como velocidad de diseño 125 Nudos (231,5 Km/h) y podía transportar 800 Personas y 100 Automóviles.

 

Figura 8:  Embarcación de efecto suelo propulsada con motores eléctricos y hélices supercavitantes con hidroalas.

 

Una forma de disminuir el efecto nocivo de la acción de los vientos cruzados contrala estabilidad lateral de la embarcación cuando se desplaza a altas velocidades es utilizando múltiples sistemas de propulsión formados cada uno de ellos por un motores eléctricos, una hélice supercavitante y su correspondiente hidroala en forma de “V”, donde cada uno de ellos tenga la posibilidad de cambiar la dirección de su propulsión en forma independiente el uno de los otros y en general sobre todo las unidades propulsoras de la proa respecto de las unidades propulsoras de la popa de la embarcación.

 

Figura 9:  Embarcación de efecto suelo con las hélices supercavitantes y las hidroalas orientadas para desplazarse en la misma dirección a la 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, la hélice y la hidroala estarán todas orientadas en la misma dirección que la dirección del desplazamiento de la embarcación.

 

 

Figura 10:  Direcciones de los vientos que actúan sobre la estructura alar de la embarcación.

 

 

En este caso del ejemplo, como vemos, el ángulo entre las diferencias de direcciones 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 y a la maniobrabilidad de la embarcación es de 8°, por lo tanto si nosotros rotamos “todas” las unidades propulsoras independientes formadas por las hélices acuáticas y las hidroalas y sus respectivos motores eléctricos ese mismo ángulo y tanto los propulsores de la proa como los de la popa (Como muestra la Figura 11), el viento resultante coincidirá con la dirección de la estructura alar de la embarcación por lo que se minimizaran los efectos nocivos de desestabilización del viento cruzado sobre la embarcación pudiendo mejorar de forma importante la estabilidad de la estructura alar de la embarcación y mejorará su maniobrabilidad y el aumento del valor de la resistencia al avance generada por el viento y el oleaje cruzado.

 

 

Figura 11:  Embarcación de efecto suelo con las hélices supercavitantes y las hidroalas orientadas para desplazarse en una dirección distinta a la dirección del viento y del oleaje.

 

Con este sistema de rotación independiente de los sistemas propulsores para alinear la estructura alar de la embarcación con el viento resultante que actúa sobre dicha estructura cuando la embarcación se mueve a la velocidad crucero disminuiremos los efectos nocivos del viento sobre la embarcación pero no disminuiremos del todo los efectos nocivos que también tendrá el oleaje cruzado sobre las hidroalas y los sistemas propulsores subacuáticos de la embarcación, pero como las hélices y las hidroalas son en general de pequeñas dimensiones y se desplazan debajo del agua, la desestabilización que genere el oleaje cruzado sobre estas partes de la embarcación probablemente sea muy inferior a la que genera la acción del viento cruzado sobre la amplia estructura alar, y 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 superficie 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 y los oleajes cruzados con los que podrá funcionar esta embarcación tampoco deberán superar ciertas alturas a la que le sea imposible navegar a la embarcación con una altura de olas elevadas que también se dará con el viento o el oleaje en la misma dirección de la embarcación.

Por lo tanto creo que puede ser interesante y necesario estudiar e investigar nuevamente con 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 bajo consumo de energía que podría 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 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, como en embarcaciones de patrullaje guardacostas.

 

 

 

Estimación del consumo de energía del WIG Hidrodinámico a alta velocidad

 

 

 

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 necesitaría 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.


 

 


 

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 el resto de los países del mundo.

 

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

 

Martín-Giordano@hotmail.com

 

 


Ruta 51, Km 5 - Villa Ramallo - Pcia. de Bs. As. - Argentina - Celular:  03407 15417654 - Email:  Martin-Giordano@hotmail.com

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