Vehículo terrestre basado en energías híbridas

Un sistema fotovoltaico y un sistema de almacenamiento en la parte superior, en conjunto con un motor eléctrico y un diseño aerodinámico, caracterizan al vehículo terrestre híbrido solar desarrollado por la Unidad de Energías Renovables del Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY), uno de los primeros prototipos de su tipo a nivel nacional.

Entrevistado por la Agencia Informativa Conacyt, Víctor Manuel Ramírez Rivera, investigador de la Unidad de Energía Renovable del CICY, señaló que el propósito principal del desarrollo era emplear energías renovables en vehículos terrestres, pues a pesar de que existen muchas iniciativas para generar este tipo de vehículos, hasta el momento no hay ninguno que haya salido al mercado.

“Está la posibilidad de los vehículos eléctricos, que utilizan baterías, pero no hay un vehículo que   energías renovables con sistemas de transporte. Hay bastantes bosquejos, incluso de vehículos que funcionan con celdas de hidrógeno, pero comercialmente no ha salido ninguno”, describió.

De acuerdo con Ramírez Rivera, el sistema fotovoltaico es el que provee un porcentaje de energía de consumo del vehículo, lo que permite obtener un mejor rendimiento que un vehículo eléctrico tradicional.

“La competencia de este vehículo son los vehículos eléctricos que ya existen, pero estos únicamente tienen los sistemas de almacenamiento, que son los que dan la energía a los motores eléctricos. En ese caso, también utilizamos motores eléctricos, pero un porcentaje es por baterías y otro porcentaje es por el sistema fotovoltaico”, apuntó.

Diseño aerodinámico y material reciclado en carrocería

El vehículo cuenta con un diseño en proceso de solicitud de patente, pues fue desarrollado de manera especializada para que sea lo más aerodinámico posible. De acuerdo con Ramírez Rivera, se consideraron dos prioridades importantes en el diseño. La primera residía en la distribución de los sistemas fotovoltaicos, pues era necesario cubrir una capacidad de potencia instalada dentro del vehículo. Esa distribución se encuentra en el área superior del vehículo.

“La otra parte es que el vehículo no detuviera tanto el aire, si tenemos un perfil plano en la parte frontal, eso detiene bastante el aire y resta energía. La intención era cortar el viento, precisamente en el punto adecuado para que fuera aerodinámico”.

La estructura se elaboró con aluminio para que sea lo más ligero posible, pues entre menos peso tenga el vehículo, menos energía consume. El revestimiento del vehículo contará con el material TrialUM^®, desarrollado por el Grupo de Reciclado del CICY, que consiste en un laminado integrado por un núcleo de material reciclado y caras externas metálicas.

La tecnología de laminados particulados está conformada por material de desecho con alta resistencia al impacto de baja velocidad y alta capacidad para posformarse en frío, por lo que puede emplearse para usos múltiples como revestimiento de paredes, fachadas y muebles.

“Por el momento, se está usando para el panel de control, pero en realidad ese material va a estar en toda la carrocería. También cuenta con un sistema de aislamiento térmico para no tener directamente la transferencia de calor que reciben los paneles fotovoltaicos”, apuntó el investigador.

Desarrollo

Inicialmente se propusieron tres alternativas para el desarrollo del vehículo: celdas de hidrógeno, un sistema fotovoltaico o un sistema a propulsión vía compresión de aire. Después de evaluar los tres sistemas, los investigadores decidieron que el más económico y el que podía tener mejor auge en la comunidad podía ser el sistema fotovoltaico.

Tras esto, los investigadores empezaron a trabajar en la construcción de la estructura, la aerodinámica y la instalación de los sistemas fotovoltaicos, así como los sistemas de potencia y la electrónica que conlleva el vehículo.

Más adelante, integraron los sistemas de gestión, de aislamiento térmico y actualmente se enfocan en la construcción de la carrocería a partir del TrialUM^®. “Hemos conjuntado un área multidisciplinaria entre todo el CICY con varios participantes y hemos fusionado en el prototipo práctico todas esas investigaciones que hacemos aquí”.

Potencia del vehículo

Una parte de gran importancia para el sistema está resguardada en una caja gris dentro del vehículo y corresponde al sistema de potencia. “No se puede ver ni fotografiar. Es un sistema que nos ha dado mucho dolor de cabeza, porque es complejo y porque tenemos que pensar cómo generar todos los algoritmos a partir de un sistema que, además, es dinámico”.

A diferencia del sistema fotovoltaico de una casa, que se encuentra en un punto fijo y recibe energía desde un cierto ángulo, el vehículo se mueve en todas direcciones continuamente, lo que incrementa la complejidad en cuanto a la extracción de energía.

“También tenemos el problema de la nubosidad, conforme esté nublado o no, también podemos o no extraer la mayor cantidad de energía. Esos son ciertos inconvenientes que ya tiene un vehículo solar de entrada”, describió Ramírez Rivera.

Sistemas de almacenamiento, gestión y control

El sistema de almacenamiento de energía fue desarrollado en la Unidad de Energía Renovable, es el encargado de resolver todos esos problemas. Por ejemplo, si está nublado y no hay energía fotovoltaica, el sistema de almacenamiento lo compensa, pues tiene la alternativa de conectarse a la electricidad si se desea cargar solamente el sistema de almacenamiento.

“Un vehículo eléctrico consume la energía únicamente de las baterías. La alternativa de este es que consume de las baterías y también de los sistemas fotovoltaicos, y la prioridad del sistema de gestión es consumir primero de los sistemas fotovoltaicos y después de las baterías, para que el rendimiento sea mayor”.

Dado que las celdas solares de circulación comercial que se adquirieron son particularmente delicadas —pueden dañarse en caso de no contar con el suficiente nivel de carga y, por consiguiente, dañar el dispositivo completo—, fue necesario desarrollar un sistema de gestión y control directo para cada una de las celdas. “Ahí también es donde metemos más programación sobre las baterías”.

“El vehículo tiene un sistema de gestión de energía que nosotros desarrollamos en el laboratorio, que también está en proceso de patente. Este sistema nos puede predecir la cantidad de energía que va a dar el panel solar, la cantidad de energía que van a dar las baterías y hacer funcionar el vehículo en conjunto con ambas fuentes”.

El sistema de gestión es un sistema electrónico de potencia que, mediante consignas programadas previamente, indica cuándo debe funcionar el panel fotovoltaico o la batería, lo que depende de las condiciones ambientales. Esto se complementa con un sistema de control sobre los sistemas de potencia.

“También tenemos la lectura de cada una de las celdas, que son importantes, podemos ver la carga de cada una de las celdas en un display y esas celdas nos sirven para hacer un balance. Al cargar las celdas se debe hacer uniformemente porque sino podríamos dañar el sistema de almacenamiento”.

Usos científicos, prácticos y visión a futuro

El sistema se desarrolló con el interés de hacer un vehículo todoterreno para funciones de exploración científica, pero también se considera enfocar su uso en fines prácticos, como andar en caminos de difícil tránsito como la playa y la selva. “Una de esas necesidades era que se podía utilizar para turismo en lugares donde no hay accesibilidad a los combustibles”, indicó el investigador.

“El vehículo puede mojarse, de hecho esa es la característica más importante porque el aluminio que utiliza es anodizado, eso quiere decir que no se oxida ante cualquier fenómeno de agua, y si llega a caer agua sobre los sistemas fotovoltaicos, también existe un aislamiento total en cuanto a la parte eléctrica, por lo que no habría ningún problema”.

El proyecto se ha desarrollado en los últimos dos años a través de la realización de seis tesis. Entre los integrantes del equipo, se encuentran Carlos Sánchez, quien trabajó principalmente en el área de mecánica, Juan Méndez, en el área de potencia del sistema de gestión, y Fernando Fun, en el área de carrocería.

De acuerdo con el investigador, la proyección a futuro de este vehículo es dotarlo de autonomía en cuanto a conducción. En la actualidad, un estudiante de Ramírez Rivera de la ESTIA: Ecole Supérieure des Technologies Industrielles Avancées, en Francia, desarrolla los algoritmos de visión para un proyecto particular, y se pretende colaborar nuevamente con este para el desarrollo de la robótica para el vehículo terrestre.

Hasta el presente, la conducción de vehículos eléctricos e híbridos no cuenta con normas oficiales para su libre circulación, por lo que el desarrollo de este prototipo podría contribuir a la creación e implementación de las mismas en México.

Ventajas del motor eléctrico frente al de combustión interna

Los motores de combustión interna son motores térmicos que, a partir de una explosión de los cilindros del vehículo, comienzan a mover el árbol de levas y el eje de rotación. Esa explosión genera mucho ruido, lo que origina un problema de contaminación sonora.

“En un vehículo eléctrico no, porque como utiliza devanados o bobinas para hacer la rotación con campos electromagnéticos, no hay ninguna explosión y no genera ningún tipo de ruido. No contamina en cuanto a ruido”.

La otra gran ventaja de un motor eléctrico con respecto al de combustión interna es que es altamente eficiente. Del 100 por ciento de energía que se le inyecta al vehículo de combustión interna, solamente se logra utilizar 30 o 10 por ciento; mientras que en el caso del motor eléctrico, del 100 por ciento, alrededor de 99 por ciento es aprovechado.

“Esto es porque mucha energía en los de combustión interna se pierde en forma de calor y no se transforma directamente en trabajo, esa energía prácticamente la desechamos, por eso son tan deficientes esos motores”, apuntó.

Fuente: CONACYT.