¿Pueden los vehículos eléctricos solares (sEV) convertirse realmente en una realidad?

A fines del año pasado, la empresa Aptera Motors, con sede en San Diego, anunció el llamado "primer vehículo eléctrico solar (sEV) que no requiere carga". Este vehículo, dicen, puede llevar a los ocupantes hasta 1,000 millas con una carga completa y es adecuado para la mayoría del uso diario.

Prototipo del sEV "sin carga" de Aptera Motors. Imagen utilizada por cortesía de Aptera Motors

A medida que disminuye el costo de la tecnología de células solares y aumenta la eficiencia, la noción de vehículos con paneles solares incluso ha ganado fuerza entre los fabricantes de automóviles de renombre. Por ejemplo, Hyundai ofrece una versión de su híbrido Sonata con paneles solares integrados. Toyota también se asoció con el fabricante de energía solar Panasonic para equipar el "Prius Prime" con paneles solares.
Si bien las células solares de película delgada y la energía fotovoltaica integrada en vehículos han avanzado significativamente en los últimos años para hacer posibles estos primeros prototipos, varios desafíos de diseño obstaculizan el "rango solar" de los sEV y, posteriormente, su adopción generalizada.

¿Qué es VIPV?

El avance de la tecnología de módulos y células solares de película delgada ha dado lugar al concepto de energía fotovoltaica integrada en el vehículo (VIPV), donde las células solares montadas en el vehículo se utilizan para alimentar algunos de los equipos electrónicos del vehículo. La energía generada se puede utilizar para alimentar unidades de control electrónico, pantallas, unidades de aire acondicionado, etc.
Como se muestra a continuación, el concepto VIPV se puede aplicar a un vehículo con motor de combustión interna (ICE).

VIPV alimentando un vehículo ICE. Imagen utilizada por cortesía de Ludwig Kronthaler

Sin embargo, teniendo en cuenta la ansiedad por el alcance y la escasez de estaciones de carga de vehículos eléctricos, los desarrolladores ahora están recurriendo a módulos solares para ampliar el rango de conducción de los vehículos eléctricos tanto como sea posible.

Los (muchos) obstáculos para el alcance solar

La energía eléctrica generada por el sistema VIPV y, en consecuencia, el rango solar adicional que podemos esperar, depende de varios factores diferentes, como el patrón de conducción, el consumo de vehículos eléctricos, el área del techo, la ubicación del vehículo y las condiciones climáticas.
El patrón de conducción puede diferir significativamente entre diferentes usuarios. Por ejemplo, un vehículo eléctrico que normalmente está estacionado en un área abierta y recibe poca sombra puede generar mucha más energía en comparación con el que podría estar estacionado en un estacionamiento subterráneo durante unas horas al mediodía.

El área limitada del techo, que es la ubicación principal de las células solares, puede restringir el alcance solar. Imagen utilizada por cortesía de Energy Sage

El área del techo es la opción principal para integrar las células solares y determina cuántas células solares se pueden integrar fácilmente en el vehículo. El área del techo de los vehículos eléctricos actuales puede oscilar entre 1,7 y 2,3 m2. El consumo de energía (en términos de kWh / km) determina la eficiencia con la que el vehículo utiliza la energía disponible. Con los vehículos eléctricos de hoy, el consumo de energía está en el rango de 13 a 24 kWh / 100 km.
Algunos otros factores importantes que afectan el rango solar son la potencia máxima de los módulos solares, la eficiencia del inversor y la eficiencia de carga de la batería. Además, cuando la energía solar está disponible, la batería no debe estar completamente cargada para que pueda almacenar la energía solar capturada.

Un desglose teórico del alcance solar

Al integrar un módulo solar con una potencia máxima de 250 W / m2 en un EV con un área de techo de 2 m2, el vehículo puede acumular 500 W de potencia máxima. Con una capacidad de batería de 40 kWh, el sEV todavía necesita 80 horas para cargar completamente la batería.
Sin embargo, de manera realista, estos módulos no recibirán la luz solar máxima en todo el día. La siguiente figura muestra cómo varía la intensidad diaria de la luz solar en tres meses diferentes del año en Newark, Nueva Jersey.

Intensidad del sol en Newark durante enero, marzo y julio. Imagen utilizada por cortesía de Dunbar P. Birnie

Este gráfico ilustra la necesidad de que la intensidad de la luz solar local tenga una estimación realista del rango extendido. Hay algunos estudios de diferentes partes del mundo que toman en cuenta esta información local y evalúan el desempeño de un sistema VIPV. Según estos estudios, la energía generada por un sistema VIPV puede representar sólo alrededor del 13 al 23% de la distancia de conducción anual promedio de un usuario típico.

Lightyear se vuelve creativo con la ampliación del alcance solar

Hay dos enfoques principales para aumentar el alcance solar: integrar células solares en otras superficies de la carrocería del vehículo (además de su techo) y desarrollar nuevas tecnologías de células solares con una mayor eficiencia.
Por ejemplo, Lightyear One, un prototipo de automóvil solar totalmente eléctrico, integra la tecnología de células de contacto posterior solar tanto en el techo como en el capó del automóvil. Esto proporciona un área total de 5 m2, un aumento de más de dos veces en comparación con un EV convencional.

Características clave del Lightyear One. Imagen utilizada por cortesía de Lightyear

La compañía afirma que Lightyear One es de dos a tres veces más eficiente energéticamente (83 Wh / km) que los vehículos eléctricos actualmente en el mercado y sus grandes paneles solares son capaces de agregar un rango de 12 kilómetros por hora para que los usuarios no necesiten para cargar a diario.

Otros métodos para estirar el poder del sol

Aunque los lados de Lightyear One no incluyen ninguna celda solar, es posible usar estas áreas para extender aún más el rango solar de un EV. Lightyear optó por no incluir puertas solares porque esto podría aumentar la complejidad de producción del automóvil. Además, con puertas solares, sería necesario agregar cables y vidrios a los lados del automóvil, haciéndolo más pesado.
Tenga en cuenta que el rendimiento energético de las puertas solares es relativamente limitado porque estas celdas son verticales y no tienen una orientación favorable para la máxima exposición a la luz solar. Además, solo un lado del automóvil está expuesto a la luz solar en cada momento.
Curiosamente, existen tipos especiales de células solares orgánicas que se pueden integrar en las superficies transparentes de un EV. Estas celdas son parcialmente transparentes pero aún capaces de capturar energía. Los fabricantes de vehículos también deben considerar que, además de ser altamente eficientes, los paneles integrados en la carrocería deben ser duraderos y estéticamente agradables.

Los desafíos de los paneles solares curvos

Cabe señalar que los paneles solares integrados en la carrocería de un vehículo son necesariamente curvos. Con un panel curvo, las células no experimentan una irradiancia uniforme. Este sombreado parcial conduce a un desajuste eléctrico entre las células y degrada la eficiencia de la matriz fotovoltaica.
Con un módulo curvo, se requiere una investigación cuidadosa del rendimiento eléctrico para optimizar el rendimiento. Esto puede complicar aún más el diseño de la carrocería del vehículo. Es posible que incluso se requieran controles avanzados y predicciones solares en futuros vehículos eléctricos con energía solar.

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Si ha diseñado sistemas de vehículos eléctricos en el pasado, ¿qué otros problemas prevé con el diseño y la adopción de vehículos eléctricos? Comparta sus pensamientos en los comentarios a continuación.