Vehículo solar

Los coches solares son coches eléctricos que utilizan células fotovoltaicas (FV) para convertir la luz solar en energía eléctrica, con la que cargan la batería del coche y alimentan sus motores eléctricos.

Los coches solares se han diseñado para carreras y para uso público. Para aprovechar al máximo la energía solar disponible, los vehículos solares deben ser ligeros y eficientes. Los vehículos de 1400 kg o incluso de 1000 kg serían menos prácticos, ya que la energía solar disponible no les permitiría recorrer grandes distancias. La mayoría de los coches solares construidos por estudiantes carecen de las características de seguridad y comodidad de los vehículos convencionales y, por lo tanto , no están homologados para circular por la vía pública.    

El primer coche familiar solar, Stella, fue construido en 2013 por estudiantes en los Países Bajos. ^{[ 3 ]} Este vehículo tiene una autonomía de 890 km (550 millas) con una sola carga durante las horas de luz solar. Pesa 390 kg (850 libras) y cuenta con un sistema de paneles solares de 1,5 kWh.     

Stella Lux , sucesora de Stella, batió un récord con una autonomía de 1500 km (932 millas) con una sola carga. En competición, Stella Lux alcanza los 1100 km (700 millas) durante el día. A 72 km/h (45 mph), Stella Lux tiene autonomía infinita. Esto se debe, una vez más, a su alta eficiencia, que incluye un coeficiente de resistencia aerodinámica de 0,16.      

Una familia promedio que nunca conduce más de 320 km (200 millas) al día nunca necesitaría cargar su vehículo desde la red eléctrica. Solo lo enchufarían si quisieran devolver energía a la red. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}  

Los coches de carreras solares suelen estar equipados con indicadores y/o telemetría inalámbrica para monitorizar con precisión el consumo energético, la captación de energía solar y otros parámetros. La telemetría inalámbrica es la preferida, ya que permite al conductor concentrarse en la conducción, algo peligroso en un vehículo sin sistemas de seguridad. El sistema de vehículo eléctrico solar se diseñó como un sistema de accesorios integrado de fácil instalación (de 2 a 3 horas) con un módulo solar de perfil bajo moldeado a medida, un paquete de baterías suplementario y un sistema de control de carga.

Algunos de los estudiantes que construyeron Stella Lux fundaron una empresa, Lightyear , para comercializar esta tecnología.

También se ha fundado una empresa estadounidense, Aptera Motors , para fabricar coches eléctricos solares eficientes para el público. A partir de enero de 2023, se espera que estén disponibles para los primeros clientes en 2024. ^{[ 8 ]}

En Alemania, la empresa Sono Motors estaba trabajando en un vehículo eléctrico solar, el Sono Motors Sion , que debía salir al mercado en 2023. Sin embargo, en febrero de 2023, Sono Motors canceló el programa Sion y anunció que se centraría exclusivamente en ser una empresa de tecnología solar.

Cabe destacar que todos los vehículos eléctricos a batería también pueden recargarse utilizando electricidad procedente de paneles solares externos. Dichos paneles pueden conectarse a la red eléctrica general.

Squad Solar es un vehículo eléctrico todoterreno de barrio con techo solar y se puede cargar relativamente rápido desde una toma de corriente normal. ^{[ 9 ]}

Los autobuses solares se impulsan mediante energía solar, total o parcialmente recolectada de instalaciones fijas de paneles solares. El autobús Tindo es un autobús 100% solar que opera como servicio de transporte público gratuito en la ciudad de Adelaida , por iniciativa del Ayuntamiento. ^{[ 10 ]} En China se han implementado servicios de autobuses eléctricos alimentados parcialmente por paneles solares instalados en el techo, con el objetivo de reducir el consumo de energía y prolongar la vida útil de la batería recargable del autobús. ^{[ 11 ]}

Los autobuses solares se distinguen de los autobuses convencionales en que las funciones eléctricas, como la iluminación, la calefacción o el aire acondicionado, pero no la propulsión en sí, se alimentan de energía solar. Estos sistemas están más extendidos, ya que permiten a las compañías de autobuses cumplir con normativas específicas, como las leyes contra el ralentí que están vigentes en varios estados de EE. UU., y pueden adaptarse a las baterías de los vehículos existentes sin necesidad de cambiar el motor convencional.

Se han realizado pruebas con paneles solares en semirremolques. Un semirremolque de caja de 53 pies cuenta con más de 100 metros cuadrados o más de 1000 pies cuadrados de superficie para paneles solares, tanto en la parte superior como en los laterales. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Los primeros "coches" solares eran en realidad triciclos o cuadriciclos construidos con tecnología de bicicleta. Se les denominó solaresmóviles en la primera carrera solar, el Tour de Sol en Suiza en 1985. Con 72 participantes, la mitad utilizó exclusivamente energía solar, mientras que la otra mitad utilizó vehículos híbridos de energía solar y humana. También se construyeron algunas bicicletas solares propiamente dichas, ya sea con un gran techo solar, un pequeño panel trasero o un remolque con panel solar.

Posteriormente se construyeron bicicletas solares más prácticas con paneles plegables que se desplegaban solo al estacionar. Más tarde, los paneles se dejaban en casa, conectados a la red eléctrica, y las bicicletas se cargaban desde la red. Hoy en día existen bicicletas eléctricas muy avanzadas que consumen tan poca energía que resulta económico comprar la misma cantidad de electricidad solar. El concepto de "solar" ha evolucionado desde el hardware físico hasta un sistema de contabilidad indirecto. Este mismo sistema también funciona para las motocicletas eléctricas, que también se desarrollaron inicialmente para el Tour de Sol .

El Venturi Astrolab de 2006 fue el primer automóvil híbrido electro-solar comercial del mundo, y originalmente estaba previsto que se lanzara en enero de 2008. ^{[ 14 ]}

En mayo de 2007, una asociación de empresas canadienses liderada por Hymotion modificó un Toyota Prius para utilizar células solares y generar hasta 240 vatios de energía eléctrica a plena luz del sol. Se informó que esto permitía una  autonomía adicional de hasta 15 km en un día soleado de verano ^{[ 15 ]} utilizando únicamente los motores eléctricos.

Un inventor de Michigan, EE. UU., construyó en 2005 un patinete eléctrico legal para circular por la calle, con licencia, asegurado y cargado con energía solar. Alcanzaba una velocidad máxima controlada de poco más de 48  km/h y utilizaba paneles solares plegables para cargar las baterías mientras estaba aparcado. ^{[ 16 ]}

Los módulos fotovoltaicos se utilizan comercialmente como unidades de energía auxiliar en automóviles de pasajeros ^{[ 17 ]} para ventilar el vehículo, reduciendo la temperatura del habitáculo mientras está estacionado al sol. Vehículos como el Prius 2010 , el Aptera 2 , el Audi A8 y el Mazda 929 han ofrecido opciones de techo solar para la ventilación.

La superficie de módulos fotovoltaicos necesaria para alimentar un automóvil de diseño convencional es demasiado grande para transportarla a bordo. Se ha construido un prototipo de automóvil y remolque llamado Solar Taxi. Según su sitio web, es capaz de recorrer 100  km/día utilizando 6  m² de células de silicio cristalino estándar. La electricidad se almacena mediante una batería de níquel-sal . Sin embargo, se puede utilizar un sistema estacionario ^, como un panel solar en el techo, para cargar vehículos eléctricos convencionales.

También es posible utilizar paneles solares para ampliar la autonomía de un coche híbrido o eléctrico, como se incorpora en el Fisker Karma , disponible como opción en el Chevy Volt , en el capó y el techo de las modificaciones "Destiny 2000" de los Pontiac Fiero , Italdesign Quaranta , Free Drive EV Solar Bug y muchos otros vehículos eléctricos, tanto prototipos como de producción. En mayo de 2007, una asociación de empresas canadienses liderada por Hymotion añadió células fotovoltaicas a un Toyota Prius para ampliar la autonomía. ^{[ 18 ]} SEV afirma 32 km (20 mi) por día con su módulo combinado de 215 Wh montado en el techo del coche y una batería adicional de 3 kWh.    

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 automóviles equipados con tecnologías «aún no consideradas durante el ciclo de medición estándar de las emisiones de un automóvil». ^{[ 19 ]} Esto ha generado especulaciones sobre una posible adopción generalizada de paneles fotovoltaicos en automóviles en un futuro próximo. ^{[ 20 ]}

También es técnicamente posible utilizar tecnología fotovoltaica (específicamente tecnología termofotovoltaica (TPV)) para proporcionar energía motriz a un automóvil. Se utiliza combustible para calentar un emisor. La radiación infrarroja generada se convierte en electricidad mediante una célula fotovoltaica de baja banda prohibida (por ejemplo, GaSb). Incluso se construyó un prototipo de automóvil híbrido TPV. El "Viking 29" ^{[ 21 ]} fue el primer automóvil del mundo propulsado por tecnología termofotovoltaica (TPV), diseñado y construido por el Vehicle Research Institute (VRI) de la Western Washington University. Sería necesario aumentar la eficiencia y reducir el costo para que la tecnología TPV sea competitiva con las pilas de combustible o los motores de combustión interna.

Varios conceptos de transporte rápido personal (PRT, por sus siglas en inglés) incorporan paneles fotovoltaicos.

Los ferrocarriles presentan una opción de baja resistencia a la rodadura que sería beneficiosa para viajes y paradas planificadas. ^{[ 22 ]} Se probaron paneles fotovoltaicos como APU en material rodante italiano en el marco del proyecto europeo PVTRAIN. La alimentación directa a una red de CC evita las pérdidas por conversión de CC a CA. ^{[ 23 ]} 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 (CA) de la red causaba un desperdicio de alrededor del 3 % de la electricidad. ^{[ 24 ]}

PVTrain concluyó que el mayor interés por la energía fotovoltaica en el transporte ferroviario se encontraba en los vagones de mercancías, donde la energía eléctrica a bordo permitiría nuevas funcionalidades:

• Dispositivos GPS u otros dispositivos de posicionamiento, con el fin de mejorar su uso en la gestión y la eficiencia de la flota.
• Cerraduras eléctricas, un sistema de videovigilancia y control remoto para automóviles con puertas corredizas, con el fin de reducir el riesgo de robo de objetos de valor.
• Los frenos ABS aumentarían la velocidad máxima de los vagones de carga a 160  km/h, mejorando la productividad.

La línea de vía estrecha Kismaros – Királyrét, cerca de Budapest, ha construido un automotor solar llamado «Vili». Con una velocidad máxima de 25  km/h, «Vili» es impulsado por dos  motores de 7 kW con frenado regenerativo y alimentado por 9,9 m² de paneles fotovoltaicos. La electricidad se almacena en baterías a bordo. ^{[ 25 ]} Además de los paneles solares a bordo, existe la posibilidad de utilizar paneles estacionarios (externos) para generar electricidad específicamente para su uso en el transporte. ^{[ 23 ]}

También se han construido algunos proyectos piloto en el marco del proyecto "Heliotram", como los depósitos de tranvías en Hannover Leinhausen ^{[ 26 ]} y Ginebra (Bachet de Pesay). ^{[ 27 ]} El sitio de Ginebra de 150  kW _p inyectaba 600 V CC directamente en la red eléctrica de tranvías/trolebuses y proporcionaba aproximadamente el 1 % de la electricidad utilizada por la red de transporte de Ginebra en su inauguración en 1999. El 16 de diciembre de 2017 se lanzó un tren totalmente alimentado por energía solar en Nueva Gales del Sur, Australia. ^{[ 28 ]} El tren se alimenta mediante paneles solares a bordo y baterías recargables a bordo. Tiene capacidad para 100 pasajeros sentados para un  viaje de 3 km.

Recientemente, Imperial College London y la organización benéfica ambiental 10:10 anunciaron el proyecto Renewable Traction Power para investigar el uso de paneles solares en las vías para alimentar trenes. ^{[ 29 ]} Mientras tanto, los ferrocarriles indios anunciaron su intención de usar energía fotovoltaica a bordo para alimentar los sistemas de aire acondicionado en los vagones de tren. ^{[ 30 ]} Además, los ferrocarriles indios anunciaron que realizarán una prueba a finales de mayo de 2016. ^{[ 31 ]} Esperan que se ahorren un promedio de 90 800 litros de diésel por tren anualmente, lo que a su vez resulta en una reducción de 239 toneladas de CO ₂ .

• Pingüino de telaraña
• El Solar Challenger : este avión voló 262 kilómetros (163 millas) desde París, Francia, hasta Inglaterra utilizando energía solar. 
• Dúo buscador de sol
• Solar Impulse : dos aeronaves monoplaza, la segunda de las cuales circunnavegó la Tierra. La primera aeronave completó un vuelo de prueba de 26 horas en Suiza del 8 al 9 de julio de 2010. La aeronave fue pilotada a una altura de casi 8500 m (27 900 pies) por André Borschberg . Voló durante la noche utilizando energía de batería. ^{[ 43 ]} La segunda aeronave, ligeramente más grande y potente, despegó de Abu Dabi en 2015, voló hacia la India y luego hacia el este a través de Asia. Sin embargo, después de experimentar un sobrecalentamiento de la batería, se vio obligada a detenerse en Hawái durante el invierno. En abril de 2016, reanudó su viaje, ^{[ 44 ]} y completó su circunnavegación del globo, regresando a Abu Dabi el 26 de julio de 2016.  
• SolarStratos , un avión solar suizo de dos plazas para la estratosfera, pretende ascender hasta ella.
• Solair : Solair I y Solair II son dos aviones eléctricos de diseño alemán.

Una empresa con sede en Australia está trabajando en un proyecto para desarrollar una grúa aérea llamada SkyLifter, capaz de levantar hasta 150 toneladas. ^{[ 45 ]}

Una empresa emergente canadiense, Solar Ship, Inc. , está desarrollando dirigibles híbridos propulsados ​​por energía solar que pueden funcionar exclusivamente con energía solar. La idea es crear una plataforma viable que pueda viajar a cualquier parte del mundo entregando suministros médicos refrigerados y otros artículos de primera necesidad a lugares de África y el norte de Canadá sin necesidad de combustible ni infraestructura. Se espera que los avances tecnológicos en células solares y la gran superficie que ofrece el dirigible híbrido sean suficientes para crear una aeronave práctica propulsada por energía solar. Algunas características clave del Solarship son que puede volar solo con sustentación aerodinámica sin ningún gas de sustentación, y las células solares, junto con el gran volumen de la envoltura, permiten que el dirigible híbrido se reconfigure como un refugio móvil que puede recargar baterías y otros equipos. ^{[ 46 ]}

El Hunt GravityPlane (que no debe confundirse con el avión de gravedad terrestre ) es un planeador propulsado por gravedad propuesto por Hunt Aviation en los EE. UU. ^{[ 47 ]} También tiene alas de perfil aerodinámico, lo que mejora su relación sustentación-resistencia y lo hace más eficiente. El GravityPlane requiere un gran tamaño para obtener una relación volumen-peso suficientemente grande para soportar esta estructura de ala, y aún no se ha construido ningún ejemplo. ^{[ 48 ]} A diferencia de un planeador motorizado , el GravityPlane no consume energía durante la fase de ascenso del vuelo. Sin embargo, sí consume energía en los puntos donde cambia su flotabilidad entre valores positivos y negativos. Hunt afirma que esto puede mejorar la eficiencia energética de la aeronave, de manera similar a la eficiencia energética mejorada de los planeadores submarinos sobre los métodos de propulsión convencionales. ^{[ 48 ]} Hunt sugiere que el bajo consumo de energía debería permitir que la aeronave recoja suficiente energía para mantenerse en el aire indefinidamente. El enfoque convencional para este requisito es el uso de paneles solares en una aeronave de energía solar . Hunt ha propuesto dos enfoques alternativos. Una opción es utilizar una turbina eólica y aprovechar la energía del flujo de aire generado por el movimiento de planeo; la otra es un ciclo térmico para extraer energía de las diferencias de temperatura del aire a diferentes altitudes. ^{[ 48 ]}

• Pathfinder y Pathfinder-Plus : este vehículo aéreo no tripulado demostró que un avión podía mantenerse en el aire durante un período prolongado alimentándose exclusivamente con energía solar.
• Helios – Derivado del Pathfinder-Plus, este UAV propulsado por células solares y pilas de combustible estableció un récord mundial de vuelo a 29.524 m (96.864 pies) .  
• Qinetiq Zephyr ^{[ 49 ]} – construido por Qinetiq, este UAV estableció el récord mundial no oficial de mayor duración de vuelo no tripulado con más de 82 horas el 31 de julio de 2008. Tan solo 15 días después del vuelo del Solar Impulse mencionado anteriormente, el 23 de julio de 2010, el Zephyr, un vehículo aéreo no tripulado ligero diseñado por la empresa 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 ha ascendido a ( 21 562 m (70 741 pies) . ^{[ 50 ] [ 51 ]}  
• El UAV diseñado y fabricado en China alcanzó con éxito una altitud de 20.000 metros (66.000 pies) durante un vuelo de prueba en las regiones del noroeste del país. Bautizado como "Caihong" (CH), o "Arcoíris" en inglés, fue desarrollado por un equipo de investigación de CASC . 
• El BAE Systems PHASA-35 ^{[ 52 ]} fue desarrollado por BAE Systems y la empresa de tecnología aeroespacial Prismatic. ^{[ 53 ]}

• Titan Aerospace, adquirida por Google, tenía como objetivo desarrollar el UAV solar; sin embargo, el proyecto parece haber sido abandonado ^{[ 54 ].}
• Sky-Sailor (dirigido a vuelos a Marte)
• Diversos proyectos de dirigibles solares, como el "Dirigible de Gran Altitud" de Lockheed Martin.

La energía solar se utiliza a menudo para alimentar satélites y naves espaciales que operan en el sistema solar interior, ya que puede suministrar energía durante mucho tiempo sin necesidad de combustible adicional. Un satélite de comunicaciones contiene múltiples transmisores de radio que operan continuamente durante toda su vida útil. No sería rentable operar un vehículo de este tipo (que puede permanecer en órbita durante años) con baterías primarias o pilas de combustible , y el reabastecimiento de combustible en órbita no es práctico. Sin embargo, la energía solar no se suele utilizar para ajustar la posición del satélite, y la vida útil de un satélite de comunicaciones estará limitada por el combustible a bordo necesario para su mantenimiento de posición.

Algunas naves espaciales que operan en la órbita de Marte han utilizado la energía solar como fuente de energía para su sistema de propulsión.

Todas las naves espaciales actuales que funcionan con energía solar utilizan paneles solares junto con propulsión eléctrica , generalmente mediante motores iónicos , ya que esto proporciona una velocidad de escape muy alta y reduce la cantidad de propelente en comparación con un cohete en más de un factor de diez. Dado que el propelente suele ser la mayor masa en muchas naves espaciales, esto reduce los costos de lanzamiento.

Otras propuestas para naves espaciales solares incluyen el calentamiento solar térmico del propulsor, generalmente hidrógeno o, en ocasiones, agua. Se puede utilizar un cable electrodinámico para cambiar la orientación de un satélite o ajustar su órbita.

Otro concepto para la propulsión solar en el espacio es la vela solar ; esta no requiere la conversión de la luz en energía eléctrica, sino que se basa directamente en la pequeña pero persistente presión de radiación de la luz.

Quizás los vehículos de propulsión solar más exitosos hayan sido los rovers utilizados para explorar las superficies de la Luna y Marte. El programa Lunokhod de 1977 y el Mars Pathfinder de 1997 utilizaron energía solar para propulsar vehículos teledirigidos. La vida útil de estos rovers superó con creces los límites de resistencia que se les habrían impuesto si hubieran funcionado con combustibles convencionales. Los dos Mars Exploration Rovers también utilizaron energía solar.

Una variante interesante del vehículo eléctrico es el vehículo híbrido triple ( PHEV , por sus siglas en inglés), que además cuenta con paneles solares como ayuda.

El modelo Toyota Prius 2010 tiene la opción de instalar paneles solares en el techo. Estos alimentan un sistema de ventilación mientras está estacionado para ayudar a proporcionar refrigeración. ^{[ 60 ]} Hay muchas aplicaciones de la energía fotovoltaica en el transporte , ya sea para la propulsión o como unidades de energía auxiliar , particularmente donde los requisitos de combustible, mantenimiento, emisiones o ruido excluyen los motores de combustión interna o las pilas de combustible. Debido al espacio limitado disponible en cada vehículo, la velocidad o la autonomía, o ambas, se ven limitadas cuando se utiliza para la propulsión.