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Ideas
Toda la enegía (excepto un pack de 4 pilas para la parte de control) debe salir del panel solar. Sus características teóricas (habrá que estudia las reales) son las siguientes:
- Potencia: 100W
- Medidas: 1060 x 540 x 3 mm
- Características típicas (en condiciones de test: 1000 Wtts/m^2; 25ºC):
- tensión circuito abierto: 21V
- corriente de cortocircuito: 6.3A
- Tensión a máxima potencia: 17.5V
- Corriente a máxima potencia: 5.7A
La alimentación la proporcionan el panel y el pack de pilas, que se utiliza para alimentar la parte de control.
Con el panel, la idea es obtener una tensión constante con la que se pueda contar en todo momento. Para ello se puede poner un circuito step-down que nos dé una tensión de 15v, a partir de los 17-21v del panel. Tiene que ser suficiente para proporcionar la corriente para los motores (5-6A).
El control se realiza con el receptor del radiocontrol. Si es necesario realizar funciones autónomas (control de estabilidad, orientación del panel, etc.) habría que poner un microcontrolador embarcado.
Se necesitan los drivers de los motores, alimentados con la energía del panel.
El barco tendrá uno o dos motores, dependiendo de las características del casco (monocasco o catamarán). Los motores deberían consumir prácticamente toda la potencia que dé el panel. Por lo tanto, sus características deben ser 15v 5A (si es un único motor) o 15v 2.8A (si son dos motores).
Son los motores preferidos. Presentan las siguientes ventajas:
- son los de más rendimiento
- al no tener escobillas, se pueden sumergir.
Como inconvenientes se puede señalar:
- Tienen la limitación de que los drivers (ESC) suelen ser unidireccionales, por lo que la maniobrabilidad del barco estará limitada.
- Normalmente los motores son de tensiones bajas y corrientes muy altas. Será complicado encontrar unos que se adapten a los requisitos eléctricos
- Normalmente giran muy rápido. En el agua, una velocidad excesiva de la hélice puede ocasionar cavitación, lo que reducirá el rendimiento y degradará la hélice.
La opción de motores DC presenta la siguientes ventajas:
- son más baratos y accesibles (reutilizar motores antiguos)
- los drivers son más sencillos y baratos, y pueden ser bidireccionales
- son más lentos, pero suelen tener más par a bajas revoluciones
Las desventajas son:
- tienen menos rendimiento
- no se pueden sumergir, lo que complica el diseño. Puede haber dos soluciones:
- hacer un compartimento estanco para el motor, con retén en el eje de la hélice. En este caso puede entrar algo de agua, y hay que prever la forma de sacarla
- colocar el motor en una posición elevada, por encima del nivel del agua. Esto se suele hacer con un ele de hélice bastante largo situado en diagonal, lo que reduce la eficiencia de la hélice al no empujar exactamente en el sentido del movimiento. Se puede mejorar poniendo un eje dividido en dos secciones unidas por un cardan, con la parte final horizontal.
Este es uno de los aspectos fundamentales del diseño. Las posibilidades son muchas:
- Monocasco: la más sencilla e inmediata. El típico barquito.
- Multicasco:
- catamarán: dos patines a los lados. Menos resistencia al agua y mayor estabilidad que el monocasco
- trimarán: un casco central que contiene casi todo el peso y un patín a cada lado para darle más estabilidad.
El barco será muy ligero, por lo que hay que evitar que se lo lleve el viento. La estabilidad es fundamental, por lo que se desecha la opción del monocasco. El trimarán proporciona mayor habitabilidad en los barcos, pero aquí no necesitamos esto. Por lo tanto la opción preferente será la del catamarán.
Los patines deben ser finos, para minimizar la resistencia al agua.
Esta es una opción muy interesante, aunque no sé si será viable con la potencia disponible. Se trata en realidad de un avión que vuela por debajo del agua, propulsado por los motores, que soporta la estructura exterior a cierta altura sobre el agua. Esto minimiza la resistencia al agua y, al reducir al mínimo la superficie en la interfaz agua-aire, evita la pérdida de energía por la formación de olas.
En esa parte exterior estará el panel, la electrónica de control y potencia y los servos necesarios. Los motores irían sumergidos si es posible, o en la parte exterior con un eje largo hasta el agua.
La parte sumergida (foil) debe hacer muy poca resistencia al agua, y debe proporcionar una fuerza de sustentación suficiente para mantener "en el aire" la parte externa.
Se me ocurren dos posibilidades de funcionamiento:
- en parado, el foil está sumergido y es el casco del barco el que proporciona flotación. Cuando coge velocidad, la sustentación del foil saca del agua el casco y lo eleva sobre la superficie. Al parar, el casco cae al agua.
- el parado, el foil está justo flotando en la superficie. Cuando coge velocidad, se sumerge a cierta profundidad. Al parar, el foil sale a la superficie.
La opción 1 es la que siempre he visto. El barco flota con su casco hasta que la velocidad es suficiente para elevarlo del agua. El problema es que hace falta bastante energía para separar el casco del agua.
La opción 2 me la he inventado. Nunca he visto ningún barco que haga esto. Sólo los submarinos, que no tienen parte exterior cuando se sumergen. Pero aquí estamos obligados, porque el panel tiene que ir fuera. Así la parte sumergida es más sencilla, porque no hay que hacer una zona estanca para meter elementos que no se puedan mojar, ni pasacables, ni nada así.
Normalmente los hidrofoil son elementos pasivos: un ala fija que proporciona sustentación al caso. Según la velocidad, se eleva más o menos. Para hacer un giro, se inclina el ala como en un avión.
El control de la altura no acabo de entender. No sé por qué no se sale del agua. Supongo que llega a un punto en el que la sustentación se iguala con el peso del barco y no sube más. Si se acerca a la superficie, pierde velocidad y por tanto sustentación y baja. Pero son suposiciones.
También se puede controlar la altura (o lo que es lo mismo, la profundidad del foil) activamente. Se necesita un sensor, que mida la altura sobre el agua, y un actuador que puede ser un alerón movido por un servo.