Un vehículo solar es un vehículo eléctrico alimentado completamente o significativamente por energía solar directa. Por lo general, las células fotovoltaicas (PV) contenidas en los paneles solares convierten la energía del sol directamente en energía eléctrica. El término «vehículo solar» generalmente implica que la energía solar se utiliza para impulsar toda o parte de la propulsión de un vehículo. La energía solar también puede usarse para proporcionar energía para comunicaciones o controles u otras funciones auxiliares.
En la actualidad, los vehículos solares no se venden como dispositivos prácticos de transporte diario, sino que son principalmente vehículos de demostración y ejercicios de ingeniería, a menudo patrocinados por agencias gubernamentales. Sin embargo, los vehículos indirectamente cargados con energía solar están muy extendidos y los barcos solares están disponibles comercialmente.
Tierra
Coches solares
Los autos solares dependen de las celdas fotovoltaicas para convertir la luz solar en electricidad para conducir motores eléctricos. A diferencia de la energía solar térmica que convierte la energía solar en calor, las células fotovoltaicas convierten directamente la luz solar en electricidad.
El diseño de un automóvil solar está severamente limitado por la cantidad de energía que ingresa al automóvil. Los autos solares están diseñados para carreras de autos solares y también para uso público. Lista de prototipos de autos a energía solar. Incluso las mejores células solares solo pueden recolectar energía y energía limitadas sobre el área de la superficie de un automóvil. Esto limita los autos solares a cuerpos compuestos ultraligeros para ahorrar peso. Los automóviles solares carecen de las características de seguridad y comodidad de los vehículos convencionales. El primer automóvil familiar solar fue construido en 2013 por estudiantes en los Países Bajos. Este vehículo es capaz de 550 millas con una carga durante la luz solar. Pesa 850 libras y tiene una matriz solar de 1.5kw. Los vehículos solares deben ser livianos y eficientes. 3.000 libras o incluso 2.000 libras de vehículos son menos prácticos. Stella Lux, predecesora de Stella, rompió un récord con un alcance de carga única de 932 millas. Los holandeses están tratando de comercializar esta tecnología. Durante las carreras, Stella Lux tiene capacidad para 700 millas durante el día. A 45 mph Stella Lux tiene un alcance infinito. Esto se debe una vez más a la alta eficiencia, incluido un coeficiente de arrastre de .16. La familia promedio que nunca conduce más de 200 millas por día nunca tendrá que cargar desde la red eléctrica. Solo se conectaban si querían devolver energía a la red. Los automóviles solares a menudo están equipados con medidores y / o telemetría inalámbrica, para monitorear cuidadosamente el consumo de energía del automóvil, la captura de energía solar y otros parámetros. Generalmente, se prefiere la telemetría inalámbrica, ya que libera al conductor para concentrarse en la conducción, lo que puede ser peligroso en un automóvil pequeño y liviano. El sistema de vehículo eléctrico solar fue diseñado y diseñado como un sistema de accesorio integrado fácil de instalar (2 a 3 horas) con un módulo solar moldeado de bajo perfil, un paquete de baterías suplementarias y un sistema comprobado de control de carga.
Como alternativa, un vehículo eléctrico a batería puede usar una matriz solar para recargar; la matriz puede estar conectada a la red general de distribución eléctrica.
Autobuses solares
Los autobuses solares son propulsados por energía solar, la totalidad o parte de la cual se obtiene de instalaciones estacionarias de paneles solares. El autobús Tindo es un autobús 100% solar que opera como servicio de transporte público gratuito en la ciudad de Adelaide como una iniciativa del Ayuntamiento. Los servicios de autobuses que utilizan autobuses eléctricos que son parcialmente alimentados por paneles solares instalados en el techo del autobús, destinados a reducir el consumo de energía y prolongar el ciclo de vida de la batería recargable del autobús eléctrico, se han puesto en marcha en China.
Los autobuses solares se distinguen de los autobuses convencionales en los que las funciones eléctricas del autobús, como la iluminación, la calefacción o el aire acondicionado, pero no la propulsión en sí, se alimentan con energía solar. Dichos sistemas están más extendidos ya que permiten que las compañías de autobuses cumplan con regulaciones específicas, por ejemplo, las leyes anti-ralentí vigentes en varios estados de EE. UU., Y pueden readaptarse a las baterías de vehículos existentes sin cambiar el motor convencional.
Vehículos de una sola vía
Los primeros «autos» solares eran en realidad triciclos o cuadraciclos construidos con tecnología para bicicletas. Estos fueron llamados móviles solares en la primera carrera solar, el Tour de Sol en Suiza en 1985. Con 72 participantes, la mitad utilizó energía solar exclusivamente, mientras que la otra mitad utilizó híbridos con energía solar-humana. Se construyeron algunas verdaderas bicicletas solares, ya sea con un gran techo solar, un pequeño panel trasero o un remolque con un panel solar. Más tarde se construyeron bicicletas solares más prácticas con paneles plegables que se instalarán solo durante el estacionamiento. Incluso más tarde, los paneles se dejaron en casa, se alimentaron en la red eléctrica y las bicicletas se cargaron desde la red eléctrica. En la actualidad, existen bicicletas eléctricas altamente desarrolladas que utilizan tan poca energía que cuesta poco comprar la cantidad equivalente de electricidad solar. El «solar» ha evolucionado del hardware real a un sistema de contabilidad indirecta. El mismo sistema también funciona para motocicletas eléctricas, que también se desarrollaron primero para el Tour de Sol.
Aplicaciones
El Venturi Astrolab en 2006 fue el primer automóvil híbrido electro-solar comercial del mundo, y originalmente debía ser lanzado en enero de 2008.
En mayo de 2007, una asociación de compañías canadienses lideradas por Hymotion modificó un Toyota Prius para usar celdas solares para generar hasta 240 vatios de energía eléctrica a pleno sol. Se informa que esto permite un alcance adicional de hasta 15 km en un día soleado de verano mientras se usan solo los motores eléctricos.
Un inventor de Michigan, EE. UU. Construyó un scooter eléctrico con licencia solar, con licencia, asegurado y con carga solar en 2005. Tenía una velocidad máxima controlada a poco más de 30 mph y utilizaba paneles solares desplegables para cargar las baterías mientras estaba estacionado.
Fuente auxiliar
Los módulos fotovoltaicos se utilizan comercialmente como unidades de potencia auxiliar en los turismos para ventilar el automóvil, reduciendo la temperatura del compartimiento de pasajeros mientras está estacionado al sol. Vehículos como el 2010 Prius, Aptera 2, Audi A8 y Mazda 929 han tenido opciones de techo solar para ventilación.
El área de los módulos fotovoltaicos necesarios para alimentar un automóvil con un diseño convencional es demasiado grande para llevarla a bordo. Se construyó un prototipo de automóvil y remolque Solar Taxi. Según el sitio web, es capaz de 100 km / día usando 6m2 de células de silicio cristalino estándar. La electricidad se almacena usando una batería de níquel / sal. Sin embargo, un sistema estacionario como un panel solar en la azotea puede usarse para cargar vehículos eléctricos convencionales.
También es posible utilizar paneles solares para ampliar el alcance de un automóvil híbrido o eléctrico, como se incorpora en el Fisker Karma, disponible como una opción en el Chevy Volt, en la capota y el techo de las modificaciones «Destiny 2000» de Pontiac Fieros, Italdesign Quaranta, Free Drive EV Solar Bug y muchos otros vehículos eléctricos, tanto conceptuales como de producción. En mayo de 2007, una asociación de compañías canadienses lideradas por Hymotion añadió celdas fotovoltaicas a un Toyota Prius para ampliar el alcance. SEV reclama 20 millas por día de su módulo combinado de 215W montado en el techo del automóvil y una batería adicional de 3kWh.
El 9 de junio de 2008, los presidentes alemán y francés anunciaron un plan para ofrecer un crédito de 6 a 8 g / km de emisiones de CO2 para los vehículos equipados con tecnologías «aún no tomadas en consideración durante el ciclo de medición estándar de las emisiones de un automóvil». Esto ha dado lugar a la especulación de que los paneles fotovoltaicos podrían ser ampliamente adoptados en los automóviles en el futuro cercano
También es técnicamente posible utilizar tecnología fotovoltaica (específicamente tecnología termo-fotovoltaica (TPV)) para proporcionar energía motriz para un automóvil. El combustible se usa para calentar un emisor. La radiación infrarroja generada se convierte en electricidad mediante una celda PV de banda baja (por ejemplo, GaSb). Incluso se construyó un prototipo de automóvil híbrido TPV. El «Viking 29» fue el primer automóvil impulsado termovoltaicamente (TPV) del mundo, diseñado y construido por Vehicle Research Institute (VRI) en la Western Washington University. Debería aumentarse la eficiencia y disminuir los costos para hacer que el TPV sea competitivo con las pilas de combustible o los motores de combustión interna.
Tránsito rápido personal
Varios conceptos de tránsito rápido personal (PRT) incorporan paneles fotovoltaicos.
Carril
El ferrocarril presenta una baja resistencia a la rodadura que sería beneficiosa para los viajes y paradas planificados. Los paneles fotovoltaicos se probaron como APU en material rodante italiano en el marco del proyecto de la UE.PVTRAIN. La alimentación directa a una red de CC evita pérdidas a través de la conversión de CC a CA. Las redes de CC solo se encuentran en el transporte eléctrico: ferrocarriles, tranvías y trolebuses. Se estimó que la conversión de CC de paneles fotovoltaicos a corriente alterna de red causó alrededor del 3% de la electricidad desperdiciada.
PVTrain concluyó que el mayor interés para PV en el transporte ferroviario era en vagones de carga donde la energía eléctrica a bordo permitiría una nueva funcionalidad:
GPS u otros dispositivos de posicionamiento, a fin de mejorar su uso en la gestión y eficiencia de la flota.
Cerraduras eléctricas, un monitor de video y sistema de control remoto para automóviles con puertas correderas, para reducir el riesgo de robo de bienes valiosos.
Frenos ABS, que aumentarían la velocidad máxima de los vagones de mercancías a 160 km / h, mejorando la productividad.
La línea Kismaros – Királyrét de vía estrecha cerca de Budapest ha construido un vagón de energía solar llamado ‘Vili’. Con una velocidad máxima de 25 km / h, ‘Vili’ es impulsado por dos motores de 7 kW capaces de frenado regenerativo y alimentados por paneles fotovoltaicos de 9,9 m2. La electricidad se almacena en las baterías de a bordo. Además de los paneles solares de a bordo, existe la posibilidad de utilizar paneles estacionarios (fuera de placa) para generar electricidad específicamente para su uso en el transporte.
También se han construido algunos proyectos piloto en el marco del proyecto «Heliotram», como los depósitos de tranvías en Hannover Leinhausen y Ginebra (Bachet de Pesay). El sitio de Ginebra de 150 kWp inyectó 600V DC directamente en la red eléctrica de tranvía / trolebús proporcionó aproximadamente el 1% de la electricidad utilizada por la red de transporte de Ginebra en su apertura en 1999. El 16 de diciembre de 2017 se lanzó un tren completamente solar en Nueva York. Gales del Sur, Australia. El tren funciona con paneles solares a bordo y baterías recargables a bordo. Tiene una capacidad para 100 pasajeros sentados para un viaje de 3 km.
Recientemente, el Imperial College de Londres y la organización benéfica ambiental 10:10 han anunciado el proyecto Renewable Traction Power para investigar el uso de paneles solares de vía para alimentar trenes. Mientras tanto, los ferrocarriles indios anunciaron su intención de utilizar a bordo de PV para ejecutar sistemas de aire acondicionado en los vagones de tren. Además, Indian Railways anunció que realizará una prueba a finales de mayo de 2016. Espera que un promedio de 90.800 litros de el diesel por tren se ahorrará anualmente, lo que a su vez generará una reducción de 239 toneladas de CO2.
Agua
Los barcos de energía solar se han limitado principalmente a ríos y canales, pero en 2007 un catamarán experimental de 14 m, el Sun21 navegó el Atlántico desde Sevilla a Miami, y de allí a Nueva York. Fue el primer cruce del Atlántico con energía solar.
La mayor empresa naviera de Japón, Nippon Yusen KK y Nippon Oil Corporation, dijo que los paneles solares capaces de generar 40 kilovatios de electricidad se colocarían encima de una nave portadora de 60,213 toneladas para ser utilizada por Toyota Motor Corporation.
En 2010, se inauguró el Tûranor PlanetSolar, un yate catamarán de 30 metros de eslora y 15,2 metros de ancho con 470 metros cuadrados de paneles solares. Es, hasta ahora, el bote de energía solar más grande jamás construido. En 2012, PlanetSolar se convirtió en el primer vehículo eléctrico solar en circunnavegar el globo.
Varios sistemas de demostración han sido hechos. Curiosamente, ninguno aún aprovecha la gran ganancia de potencia que aportaría la refrigeración por agua.
La baja densidad de potencia de los paneles solares actuales limita el uso de embarcaciones propulsadas por energía solar; sin embargo, los barcos que usan velas (que no generan electricidad a diferencia de los motores de combustión) dependen de la energía de la batería para aparatos eléctricos (como refrigeración, iluminación y comunicaciones). Aquí los paneles solares se han vuelto populares para recargar baterías, ya que no crean ruido, requieren combustible y, a menudo, se pueden agregar sin problemas al espacio de la cubierta existente.
Aire
Las naves solares pueden referirse a dirigibles con energía solar o dirigibles híbridos.
Existe un considerable interés militar en los vehículos aéreos no tripulados (UAV); la energía solar les permitiría mantenerse en alto durante meses, convirtiéndose en un medio mucho más barato de hacer algunas tareas que hoy hacen los satélites. En septiembre de 2007, se informó el primer vuelo exitoso durante 48 horas bajo la potencia constante de un UAV. Es probable que sea el primer uso comercial de energía fotovoltaica en vuelo.
Se han construido muchas aeronaves solares de demostración, algunas de las más conocidas por AeroVironment.
Avión solar tripulado
Gossamer Penguin,
Solar Challenger – Este avión voló 163 millas (262 km) desde París, Francia a Inglaterra con energía solar.
Sunseeker
Solar Impulse: dos aviones de un solo asiento, el segundo de los cuales circunnavegó la Tierra. El primer avión completó un vuelo de prueba de 26 horas en Suiza los días 8 y 9 de julio de 2010. El avión fue volado a una altura de casi 28,000 pies (8,500 metros) por Andre Borschberg. Voló durante la noche usando la energía de la batería. El segundo avión, un poco más grande y más potente, despegó de Abu Dhabi en 2015, voló hacia la India y luego hacia el este a través de Asia. Sin embargo, después de experimentar sobrecalentamiento de la batería, se vio obligado a detenerse en Hawaii durante el invierno. En abril de 2016, reanudó su viaje y completó su circunnavegación del globo, regresando a Abu Dhabi el 26 de julio de 2016.
SolarStratos: el avión solar estratosférico suizo de 2 plazas pretende escalar al espacio.
Dirigibles híbridos
Una empresa con sede en Australia está trabajando en un proyecto para desarrollar una grúa neumática llamada SkyLifter, una «aeronave de recogida y entrega vertical» capaz de levantar hasta 150 toneladas.
Una empresa emergente canadiense, Solar Ship Inc, está desarrollando aeronaves híbridas que funcionan con energía solar y que pueden funcionar solo con energía solar. La idea es crear una plataforma viable que pueda viajar a cualquier parte del mundo que suministre suministros médicos fríos y otra que requiera a ubicaciones en África y el norte de Canadá sin necesidad de ningún tipo de combustible o infraestructura. La esperanza es que los desarrollos tecnológicos en células solares y la gran superficie proporcionada por el dirigible híbrido sean suficientes para hacer un avión con energía solar práctica. Algunas características clave de la Solarship son que puede volar en ascensor aerodinámico solo sin ningún gas de elevación, [no se menciona en la cita] y las células solares junto con el gran volumen del sobre permiten que la aeronave híbrida se reconfigure en un refugio móvil que puede recargar baterías y otros equipos.
El Hunt GravityPlane (que no debe confundirse con el plano de gravedad terrestre) es un planeador propulsado por gravedad propuesto por Hunt Aviation en los EE. UU. También tiene alas aerodinámicas, mejorando su relación de sustentación y resistencia y haciéndola más eficiente. El GravityPlane requiere un tamaño grande para obtener una relación volumen / peso lo suficientemente grande como para soportar esta estructura de ala, y aún no se ha creado ningún ejemplo. A diferencia de un planeador con motor, el GravityPlane no consume energía durante la fase de ascenso del vuelo. Sin embargo, consume energía en los puntos donde cambia su flotabilidad entre valores positivos y negativos. Hunt afirma que esto no obstante puede mejorar la eficiencia energética de la nave, similar a la eficiencia energética mejorada de los planeadores submarinos sobre los métodos convencionales de propulsión. Hunt sugiere que el bajo consumo de energía debería permitir a la nave cosechar energía suficiente para mantenerse en el aire indefinidamente. El enfoque convencional para este requisito es el uso de paneles solares en un avión con energía solar. Hunt ha propuesto dos enfoques alternativos. Uno es usar una turbina eólica y cosechar energía del flujo de aire generado por el movimiento de deslizamiento, el otro es un ciclo térmico para extraer energía de las diferencias en la temperatura del aire a diferentes altitudes.
Vehículos aéreos no tripulados
Pathfinder y Pathfinder-Plus: este UAV demostró que un avión podría permanecer en el aire durante un período prolongado de tiempo impulsado exclusivamente por energía solar.
Helios – Derivado del Pathfinder-Plus, este UAV con células solares y células de combustible estableció un récord mundial de vuelo a 96,863 pies (29,524 m).
Zephyr: construido por Qinetiq, este UAV estableció el récord mundial extraoficial de vuelo no tripulado de más larga duración en más de 82 horas el 31 de julio de 2008. Tan solo 15 días después del vuelo Solar Impulse mencionado anteriormente, el 23 de julio de 2010, el Zephyr, un vehículo aéreo ligero no tripulado diseñado por la firma de defensa del Reino Unido QinetiQ, reclamó el récord de resistencia para un vehículo aéreo no tripulado. Voló en los cielos de Arizona durante más de dos semanas (336 horas). También se ha disparado a más de 70,700 pies (21,5 km).
El UAV diseñado y fabricado de China alcanzó con éxito una altitud de 20,000 metros durante un vuelo de prueba en las regiones del noroeste del país. Nombrado «Caihong» (CH) o «Rainbow» en inglés, fue desarrollado por un equipo de investigación de CASC.
Proyectos futuros
El avión solar Persistent High Altitude Phasa-35 está siendo desarrollado por BAE Systems y la firma de tecnología aeroespacial Prismatic para vuelos de prueba en 2019.
Titan Aerospace adquirido por Google para desarrollar el UAV Solar, sin embargo, el proyecto parece estar abandonado
Sky-Sailor (dirigido al vuelo marciano)
Varios proyectos de dirigibles solares, como «High Altitude Airship» de Lockheed Martin
Espacio
Nave espacial con energía solar
La energía solar a menudo se utiliza para suministrar energía a los satélites y naves espaciales que operan en el sistema solar interior, ya que puede suministrar energía durante un largo tiempo sin exceso de masa de combustible. Un satélite de comunicaciones contiene múltiples transmisores de radio que operan continuamente durante su vida útil. Sería antieconómico operar un vehículo de este tipo (que puede estar en órbita durante años) a partir de baterías primarias o pilas de combustible, y el reabastecimiento en órbita no es práctico. Sin embargo, la energía solar no se usa generalmente para ajustar la posición del satélite, y la vida útil de un satélite de comunicaciones estará limitada por el suministro de combustible para el mantenimiento de la estación de a bordo.
Nave espacial propulsada solar
Unas pocas naves espaciales que operan dentro de la órbita de Marte han utilizado la energía solar como fuente de energía para su sistema de propulsión.
Todas las naves espaciales alimentadas con energía solar utilizan paneles solares junto con la propulsión eléctrica, generalmente unidades de iones ya que esto proporciona una velocidad de escape muy alta y reduce el propulsor a un cohete en más de un factor de diez. Dado que el propelente suele ser la masa más grande en muchas naves espaciales, esto reduce los costos de lanzamiento.
Otras propuestas para la nave espacial solar incluyen el calentamiento térmico solar del propelente, típicamente hidrógeno o, a veces, se propone agua. Una atadura electrodinámica se puede utilizar para cambiar la orientación de un satélite o ajustar su órbita.
Otro concepto para la propulsión solar en el espacio es la vela ligera; esto no requiere conversión de luz a energía eléctrica, sino que depende directamente de la diminuta pero persistente presión de radiación de la luz.
Exploración planetaria
Tal vez los vehículos propulsados por energía solar más exitosos hayan sido los «exploradores» utilizados para explorar las superficies de la Luna y Marte. El programa Lunokhod de 1977 y el Pathfinder de Marte de 1997 usaron energía solar para propulsar vehículos controlados a distancia. La vida operativa de estos rovers superó con creces los límites de resistencia que se habrían impuesto si hubieran sido operados con combustibles convencionales.
Vehículo eléctrico con asistencia solar
Un proyecto suizo, llamado «Solartaxi», ha circunnavegado el mundo. Esta es la primera vez en la historia que un vehículo eléctrico (vehículo solar no autosuficiente) recorre el mundo, cubriendo 50000 km en 18 meses y atravesando 40 países. Es un vehículo eléctrico digno de la carretera que arrastra un remolque con paneles solares, que lleva una matriz solar de 6 m². El Solartaxi tiene baterías Zebra, que permiten un alcance de 400 km sin recargar. El auto también puede correr durante 200 km sin el remolque. Su velocidad máxima es de 90 km / h. El automóvil pesa 500 kg y el remolque pesa 200 kg. Según el iniciador y director de gira Louis Palmer, el automóvil en producción masiva podría producirse por 16000 euros. Solartaxi recorrió el mundo desde julio de 2007 hasta diciembre de 2008 para demostrar que las soluciones para detener el calentamiento global están disponibles y para alentar a las personas a buscar alternativas al combustible fósil. Palmer sugiere que la ubicación más económica para paneles solares para un automóvil eléctrico está en la construcción de techos, comparándola con poner dinero en un banco en un lugar y retirarlo en otro.
Solar Electrical Vehicles está agregando células solares convexas al techo de vehículos eléctricos híbridos.
Plug-in híbrido y vehículos solares
Una variante interesante del vehículo eléctrico es el vehículo híbrido triple: el PHEV que también tiene paneles solares para ayudar.
El modelo Toyota Prius 2010 tiene una opción para montar paneles solares en el techo. Alimentan un sistema de ventilación mientras están estacionados para ayudar a proporcionar refrigeración. Existen muchas aplicaciones de la energía fotovoltaica en el transporte, ya sea por potencia motriz o como unidades de potencia auxiliares, particularmente cuando los requisitos de combustible, mantenimiento, emisiones o ruido excluyen los motores de combustión interna o las pilas de combustible. Debido al área limitada disponible en cada vehículo, tanto la velocidad como el alcance, o ambos, son limitados cuando se usan para potencia motriz.
Limitaciones
Existen límites para usar celdas fotovoltaicas (PV) para vehículos:
Densidad de potencia: la potencia de un conjunto solar está limitada por el tamaño del vehículo y el área que puede estar expuesta a la luz solar. Esto también se puede superar agregando una plataforma y conectándola al automóvil, lo que brinda más área para los paneles para alimentar el automóvil. Si bien la energía se puede acumular en baterías para reducir la demanda pico en la matriz y proporcionar una operación en condiciones sin sol, la batería agrega peso y costo al vehículo. El límite de potencia puede mitigarse mediante el uso de automóviles eléctricos convencionales alimentados por energía solar (u otra) que se recargan de la red eléctrica.
Costo: si bien la luz solar es libre, la creación de células fotovoltaicas para capturar esa luz solar es costosa. Los costos de los paneles solares están disminuyendo de forma constante (22% de reducción de costos por duplicar el volumen de producción).
Consideraciones de diseño: aunque la luz del sol no tiene vida útil, las células fotovoltaicas sí lo tienen. La vida útil de un módulo solar es de aproximadamente 30 años. La energía fotovoltaica estándar a menudo viene con una garantía del 90% (de la potencia nominal) después de 10 años y del 80% después de 25 años. Es poco probable que las aplicaciones móviles requieran vidas mientras construyan parques solares y fotovoltaicos integrados. Los paneles fotovoltaicos actuales están diseñados principalmente para instalaciones estacionarias. Sin embargo, para tener éxito en aplicaciones móviles, los paneles fotovoltaicos deben estar diseñados para resistir las vibraciones. Además, los paneles solares, especialmente los que incorporan vidrio, tienen un peso significativo. Para que su adición sea valiosa, un panel solar debe proporcionar una energía equivalente o superior a la energía consumida para propulsar su peso.