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Proyecto de barco propulsado a energía solar para grandes cargas

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 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.

 

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.

 

Figura 2: Los paneles solares irán colocados sobre una estructura telescopic que permite ampliar su tamaño cuando el barco navegue sobre el mar abierto y permitira reducer su tamaño cuando el barco tenga que estar amarrado en un Puerto o navegue por rios o canals de navegación estrechos.

 

 

 

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 Límite 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:

 

 

 

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 los buques propulsados a energía solar es la generación de energía eléctrica en el mar para luego utilizarla en las zonas costeras en tierra firme, o sea, en vez de utilizar parques solares flotantes como se están construyendo hoy en día, que pueden ser difíciles de amarrar al suelo marino cuando el mar donde estén los parques solares tenga una profundidad importante o bien que el mismo pueda resistir el oleaje de una tormenta fuerte; si usamos un barco solar para generar energía con la energía solar que irradia sobre los mares o los océanos mar adentro será mas fácil y mas conveniente que hacerlo con parque solares flotantes.

 

Además estos barcos generadores de energía en su funcionamiento mar adentro podrán también funcionar como estaciones de recarga de energía eléctrica de los buques 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 0,12 a 0,15 u$s/KWh, pero si tenemos en cuenta que hoy por hoy el costo de producción mayorista de la energía solar en un parque fotovoltaico en una zona soleada de un desierto no supera los 0,02 o 0,03 u$s/KWh 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 pontones laterales y sin los paneles solares verticales, disminuyendo la energía solar generada por el buque pero también disminuyendo la complejidad de construcción de dicha estructura y haciendo una propulsión a energía solar parcial, o sea, parcialmente a energía solar con los paneles actuales que tienen una eficiencia del orden del 20-21% y el resto de la energía necesaria para mover al buque sería recargando las baterías eléctricas del buque 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 de soporte de los paneles solares.

 

Figura 6: Diseño que tendrían los primeros barcos solares construidos en forma híbrida.

 

 

 

 

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, puede agregar inconvenientes en la navegación de estos buques respecto de los barcos tradicionales; 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.

 

 

 

 

 

Estado de avance del proyecto

 

En este momento a este proyecto le presente una solicitud de patente de dicha estructura telescópica porta paneles solares del buque aquí en Argentina y estoy en fase de buscar interesados en la industria naval tanto en la Argentina, como en el resto de los países del mundo para poder llevar adelante este proyecto, poder construir este tipo de estructuras y poder concretar el proyecto.

 

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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