Del 2 al 9 de julio se celebra en Holanda la Dutch Solar Challenge, World Cup for solar powered boats (la “Copa del Mundo para embarcaciones propulsadas con energía solar”). Es ya la 6ª edición de esta competición de carácter bienal, sobre un recorrido de unos 180 km a través de canales y ríos del norte de Holanda.

(El recorrido se ha acortado respecto a anteriores ediciones, en que se navegaban 207 km en 5 días, pasando por 11 ciudades históricas frisias. Este recorrido emulaba el de la conocida Elfstedentocht, una carrera de patinaje que se celebra desde hace más de 100 años, solo los inviernos en que la capa de hielo en los canales es como mínimo de 15 cm de grosor. Las mejores marcas de esta prueba están alrededor de las 7 horas, patinando a unos 29 km/h. Para comparar, el tiempo medio real de navegación de los barcos de la Solar Challenge está sobre las 17 horas, resultando una media de 13 km/h (7 nudos), la misma velocidad que el primer ganador de la Elfstedentocht en 1909.)

 

Los objetivos de la competición son, en palabras de la organización:

1. Promover las tecnologías sostenibles entre los jóvenes en general, y entre los estudiantes y las universidades politécnicas y colegios de formación profesional, con el apoyo de empresas relacionadas con la tecnología en la náutica
2. Estimular la promoción y el desarrollo de embarcaciones sostenibles, en particular en la aplicación de la energía solar

De ahí que la mayoría de equipos sean estudiantes de universidades de varios países (Holanda y Bélgica sobre todo, pero los hay turcos, indonesios, brasileños, de Bahrein…).

Características de las lanchas

La carrera tiene 4 categorías:

  • Clase A: embarcaciones con 4 paneles solares y un solo tripulante
  • Clase B: embarcaciones con 5 paneles solares y dos tripulantes o más
  • Clase “Top”: clase open sin límite de tripulación, y capacidad de paneles solares limitada a 1,75 kWp (y a que no sobrepasen las medidas establecidas para el barco)
  • Clase V20
Clase Eslora
máx. (m)
Manga
máx. (m)
Nº de paneles
solares
Tripulación Velocidad mínima
exigida (nudos)
A 6,00 2,40 4 1 4,3
B 8,00 2,40 5 2 o más 4,3
Top 8,00 2,40 Sin límite Sin límite 6,5
V20 5,80 2,30 Sin límite 1 No definida

 

No hay limitaciones de calado ni de puntal, pero algunos canales por los que se navega tienen calado restringido, y también se pasa por debajo de algunos puentes. Sí se exige un francobordo mínimo; 25 cm a proa, 20 cm a popa.

Honeywell (patrocinador oficial de la prueba) presta los paneles a utilizar en las clases A y B (los mismos para todos los equipos). En cambio, en la clase Top los equipos tienen total libertad de diseño, y pueden usar el tipo y cantidad de paneles que quieran (respetando la potencia máxima y las medidas máximas del barco).

Cada una de las categorías, además, incluye una sub-categoría de “Jóvenes”, destinada principalmente a estudiantes de instituto.

Dado que las potencias de las que hablamos son pequeñas, el peso es un factor importante para optimizar la velocidad y la autonomía. Por eso la mayoría de las lanchas se construyen en fibra de carbono.

Otras características a tener en cuenta en el diseño de las lanchas son:

  • Los paneles solares deben quedar horizontales (inclinación máxima: 10º)
  • No pueden instalarse velas ni similares
  • El puesto de gobierno no puede ser cerrado
  • La anchura mínima del asiento en el puesto de gobierno es de 50 cm
  • Estabilidad: un momento escorante de 150 kgxm debe provocar una escora menor de 12,5º (escora media de todos los balances medidos durante 5 seg)
  • Puede instalarse lastre fijo
  • Se exige una reserva de flotabilidad, como mínimo, igual al desplazamiento a plena carga
  • Debe instalarse una bomba de achique eléctrica, de 25 litros/min

Se pueden usar mecanismos eléctricos que mejoren las prestaciones del barco (p.ej. orientación de los paneles, o trim tabs), pero cualquier equipo a bordo debe funcionar con la batería principal del barco (lo cual restaría potencia para la propulsión).

Se establecen además requerimientos varios para la seguridad del barco y la tripulación, relativos a aspectos como la evacuación, instalación en proa de un punto fuerte para remolque, instalación de una bocina de señales, protección frente a elementos móviles, bloqueo de tuercas y otras uniones, equipos de seguridad a llevar, etc. (El reglamento completo puede leerse aquí.)

La mayoría de lanchas de la clase Top son hidrofoils. Por ello deben instalar un sistema de control en los foils, para que el calado sea el ideal (que la barca no esté ni demasiado alta ni demasiado cerca del agua) y para un asiento nulo cuando el barco navega sustentado. Este sistema es electrónico y funciona de la siguiente manera:

  • Una serie de sensores (ultrasonidos, GPS) miden la posición del barco cada cierto intervalo: altura sobre el agua, aceleración y velocidad
  • Usando esos datos, un procesador establece el estado de navegación en cada momento
  • Ese estado se compara con el teórico (que se ha introducido previamente en un programa de simulación); las desviaciones respecto a lo que dicte el simulador hacen que el sistema envíe señales a los actuadores
  • Los actuadores, en cada foil, mueven sus respectivos flaps para que pueda variar el empuje de cada foil, y por tanto la posición del barco

(Los actuadores pueden ser eléctricos o manuales.)

La clase V20

Los V20 son monotipos diseñados por Vripack para la edición de 2014. Se trata también de un hidrofoil. Sus características son:

  • Velocidad máxima: 16 nudos
  • Potencia de los paneles solares: 1,86 kWp
  • Baterías de iones de litio
  • Potencia del propulsor: 4 kW (5,4 CV)
  • Construido con fibra de carbono
  • Calado en fase de sustentación: 0,15 m
  • Peso aproximado: 170 kg
Clase V20, imagen cortesía de Vripack
Clase V20, en modo sustentación; imagen cortesía de Vripack

Los paneles solares son flexibles. Así se ha podido dar a la cubierta una sección longitudinal con perfil NACA que genera cierto efecto suelo, creando una sustentación adicional a la de los foils (los diseñadores han estimado esta sustentación adicional en 15 kg, a la máxima velocidad). La lancha empieza a levantarse a los 6,5 nudos.

El propulsor es un fueraborda Torqeedo Cruise 4.0 R (instalado dentro de una caja en la popa). El diámetro de la hélice está limitado a 320 mm.

En esta clase de la Solar Challenge, el único componente que los equipos pueden personalizar es el sistema electrónico. Este sistema realiza la regulación y control de carga/descarga de las baterías, pero también de la tensión y corriente que se genera en la matriz de células solares que conforman todos los paneles, de manera que en cada momento se obtenga la máxima potencia de salida, y esta se transmita de manera adecuada al propulsor o a las baterías.

Toda la gestión de la energía se maneja desde una pantalla táctil en el puesto de gobierno. La información se comparte en tiempo real, vía 4G, con el equipo de tierra. De esta manera, el equipo de tierra se convierte en pieza fundamental para monitorizar el comportamiento del barco y definir, p. ej., la velocidad a la que el patrón debe navegar en cada momento.

La clase se creó con la idea de establecer un circuito de regatas en el que los equipos tengan que aplicar la I+D para mejorar el sistema de foils y el propulsor – los únicos aspectos que deja abiertos el reglamento general de la clase. Aquí puedes ver un interesante vídeo sobre su concepción:

La propulsión solar

Evidentemente la competición trata sobre diseñar un sistema de propulsión eficiente que aproveche la energía solar generada por los paneles. Generalmente el panel cargará un banco de baterías, que se usarán para mover un motor eléctrico, que a su vez mueva la hélice (o el propulsor instalado). Pero se pueden usar otros elementos para almacenar energía (básicamente las otras opciones serían supercapacitores o acumuladores de inercia). De no existir ese elemento para almacenar energía, el equipo se arriesgaría a que en un día de lluvia la placa solar no diera suficiente energía como para mover el barco.

Las características técnicas de cada panel solar (este es el estándar para las clases A y B) son:

  • Potencia máxima: 260 Wp [^1]
  • Medidas: 1.636 x 992 x 35 mm
  • Peso: 18 kg

[^1] La potencia nominal de una placa fotovoltaica es la que daría en condiciones ideales; es decir, su potencia máxima. Por eso se le llama también “potencia pico”, y se suele denotar en Wp (“vatios pico”) o kWp – son unidades no oficiales. En la práctica, la potencia entregada por la placa será como mínimo un 15% menor que la nominal, debido principalmente a la cantidad de radiación solar, el ángulo de incidencia sobre la placa y el calentamiento de la propia placa.

Al tener las embarcaciones el mismo número de paneles solares (por tanto la misma potencia instalada; y en el caso de la “Top Class”, limitarse la potencia a 1,72kW), se consigue que sean el diseño y la estrategia del equipo lo que marque las diferencias en la clasificación.

Clase V20, imagen cortesía de Vripack
Clase V20, imagen cortesía de Vripack

Las baterías deben tener una capacidad máxima de 1,5 kWh. (Capacidad real de uso. Esto quiere decir que, en el caso de baterías de plomo, deben haber dado esa capacidad al llegar al 70% de descarga – ya que, si se descarga más, la batería se estropea. Aunque la mayoría de equipos usan baterías de iones de litio, mucho más ligeras.) Además las baterías no se pueden recargar de manera externa.

El sistema eléctrico debe funcionar a una tensión máxima de 48 V. Evidentemente, y dado que al fin y al cabo se trata de barcos eléctricos, el reglamento se ocupa de manera amplia de las especificaciones del sistema eléctrico. También las relativas a seguridad; p.ej. las baterías no pueden estar a menos de 1 m de distancia de la tripulación, y deben estar en un compartimento con ventilación forzada.

Es importante navegar rápido (al fin y al cabo es una carrera). Pero sobre todo es importante que las baterías duren lo suficiente como para terminar cada etapa, a una velocidad elevada de manera sostenida (esto es, durante unas 2 horas). Esta velocidad de crucero está en torno a los 13 nudos para las clases Top y V20, y 6 nudos para las clases A y B.

Para lograr un buen sistema de propulsión no basta con acoplar una hélice eficiente al motor eléctrico. Hay que optimizar el conjunto analizando 4 parámetros:

  • Velocidad de rotación del motor
  • Par entregado a la hélice
  • Tensión en el motor
  • Intensidad de corriente

(El equipo de la Universidad de Delft lo explican brevemente en este artículo. En este otro explican un poco qué es el sistema de gestión de cargas.)

En un sistema de propulsión convencional hay que casar la curva de potencia del motor diésel (potencia vs. rpm) con la curva de la hélice, para encontrar el punto óptimo de funcionamiento del conjunto. En el caso de nuestras lanchas solares sucede exactamente lo mismo, pero además hay que asegurarse de que al motor le llegan la tensión y corriente adecuadas. Esto es relativamente fácil cuando funciona con las baterías, pero no tanto cuando la corriente viene directamente de los paneles solares. De ahí la importancia, otra vez, del sistema electrónico de gestión de cargas.

Este sistema de gestión, además, debe poder dar la velocidad ideal en función de tres parámetros:

  • Las condiciones de sol (por tanto, en función del rendimiento de los paneles en cada momento)
  • La condición de carga de las baterías
  • La autonomía que queramos alcanzar

Un sistema de gestión bien diseñado permite, en un buen día de sol, navegar a la velocidad de crucero solo con la potencia que generan los paneles, a la vez que se recargan las baterías.

Los equipos

De los 24 y 28 equipos inscritos en las 2 primeras ediciones, en las siguientes se han estabilizado alrededor de la cuarentena. Puedes verlos todos aquí.

Los campeones absolutos de la edición de 2014 (cuando todavía se llamaba Dong Energy Solar Challenge) fueron el equipo holandés Stichting Furia One, con un tiempo total de 7h 3min. Los ganadores en la Clase A y Clase B emplearon respectivamente 14h 29min y 15h 24min.

Una de las webs más interesantes de los equipos es la del Sunflare holandés. Explican algunas partes del proceso de construcción, entre ellas cómo han creado su propio banco de baterías usando 300 baterías tipo AA y un Arduino.

Si estás interesado, para poder participar en la prueba, antes de construir la embarcación hay que presentar un proyecto que incluya aspectos tales como:

  • Plano de formas
  • Sistema de propulsión
  • Sistema de fijación de los paneles solares
  • Localización y sistema de fijación del contenedor de baterías
  • Localización y sistema de fijación del motor
  • Cálculos estructurales de dichos sistemas de fijación
  • Cálculo de la potencia generada
  • Diseño del sistema eléctrico, desde el panel solar al motor

Los derechos de inscripción cuestan 2.000 euros. Luego ya cada cual dispondrá de su presupuesto para el diseño y la construcción del barco.


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