O grande objetivo de todas as temporadas do TSB é conseguir o melhor resultado na competição ‘Monaco Solar & Energy Boat Challenge’. É nesta prova que o trabalho desenvolvido durante meses é colocado à prova.

A estreia do TSB nesta competição foi na temporada de 2016/2017, ano em que a equipa finalizou o seu primeiro protótipo solar, o SR01. Na época seguinte, 2017/2018, pegando no protótipo existente, implementaram-se várias melhorias, sendo que o grande destaque foi a implementação do dual-motor, a fim de poder participar novamente nas competições que, desde então, passaram a ser um dos principais objetivos de cada temporada do TSB.

No ano seguinte, desenvolveu-se e construiu-se o SR02, mais ágil, mais leve e mais eficiente do que o protótipo anterior. Desta forma, o SR02 seguiu para o Monaco e bateu-se com 34 equipas, de 14 nacionalidades. Durante vários dias, a sexta edição do ‘Monaco Solar & Energy Boat Challenge’ foi disputada em quatro provas, duas das quais vencidas pelo SR02, e conquistando nas outras duas um 2º e um 4º lugar. No final, o TSB sagrou-se vice-campeão do mundo, tendo obtido a melhor classificação de sempre da história do projeto!

Na época passada, a competição realizou-se com contornos distintos, devido à pandemia. Realizou-se em formato virtual, onde a equipa teve a oportunidade de discutir os novos conceitos implementados nos seus processos de trabalho, tais como a produção de hidrogénio verde e da sua própria fuel cell. A equipa portuguesa arrecadou o prémio de inovação, destacando-se entre as onze equipas, de todo o mundo, em competição.

Esta época, a competição irá ocorrer no Mónaco entre os dias 6 a 10 de julho, sendo que o TSB tem como objetivo alcançar a melhor classificação de sempre na classe Solar com o SR03. A outra grande novidade é a participação, pela primeira vez, do nosso protótipo movido a hidrogénio, o SM01! Estamos ansiosos e expectantes para colocar à prova todo o trabalho desenvolvido nos últimos meses!

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Nas rubricas anteriores estivemos a explicar os vários sistemas integrados nos dois protótipos em desenvolvimento, o SR03, movido a energia solar, e o SM01, movido a hidrogénio. Nesta peça e na próxima rubrica vamos abordar dois dos eventos que ocorrem na temporada TSB: Odisseia TSB e ‘Monaco Solar & Energy Boat Challenge’.

O evento Odisseia TSB nasceu da vontade de mostrar o trabalho desenvolvido e todas as otimizações feitas ao longo da época 19/20 e da enorme vontade de promovermos as energias renováveis e a mobilidade elétrica e verde, uma vez que, devido à pandemia, não tivemos oportunidade de competir a nível internacional.

Desta forma, a primeira edição da Odisseia TSB , que decorreu no verão de 2020, consistiu no conjunto de travessias de Norte a Sul de Portugal que colocaram o protótipo SR02 em diversos ambientes. Começámos por descer as calmas águas do rio Douro, desde Entre-os-Rios até à cidade do Porto, num total de 24 milhas náuticas. Seguiu-se a etapa de Lisboa, saindo de Algés, passando pelo o Terreiro do Paço, de onde depois navegámos até à Marina de Cascais. Na terceira etapa, cruzámos o Parque Natural da Arrábida, numa travessia que se verificou mais difícil do que o esperado devido ao nevoeiro no início da etapa. Por fim, chegou o Algarve, onde enfrentamos águas agitadas mas que, mesmo assim, não nos impossibilitaram de navegar 16 milhas náuticas entre Lagos e Portimão.

A primeira edição foi um grande sucesso e neste momento encontramo-nos a planear a Odisseia 2021, mais ambiciosa e onde queremos testar e desafiar as nossas embarcações O evento terá o mesmo molde do seu antecessor, sendo composto por travessias em Portugal e/ou passará por uma travessia ou record internacional.

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Esta semana vamos olhar para o trabalho desenvolvido na área de Propulsão de Hidrogénio, nomeadamente para o processo de dimensionamento da PEM Fuel Cell, sistema de admissão do hidrogénio e do ar e do sistema de cooling, o ‘Balance of Plant’, ou BoP.

Como já referimos no artigo anterior, o dimensionamento da PEM Fuel Cell foi desenvolvido de forma a garantir uma potência suficiente para superar a força de arrasto dos flutuadores e de forma a produzir uma potência próxima de 5 kWh. Várias iterações foram realizadas em Ansys com o objetivo de obter dados do efeito do arrasto, o mais próximo possível da realidade. Os principais valores estudados foram o calado (área de arrasto) e o CD para diferentes valores de velocidade.

Para a FuelCell produzir energia é necessário que seja introduzido no sistema hidrogénio e oxigénio. Para tal foi dimensionado um sistema de admissão de hidrogénio e de ar. Para começar, o hidrogénio encontra-se armazenado numa botija de 20 l geométricos a 200 bar. Daí, um regulador de pressão baixa a pressão do hidrogénio para 10 bar. Trata-se do troço de high pressure, HP, onde o hidrogénio flui por entre válvulas de retenção, alívio de pressão e shut down. Este troço pretende garantir que o gás chega com o caudal desejado à PEM Fuel Cell sem que existam grandes perdas. De seguida, o troço low pressure, LP, ou working pressure, baixa a pressão através de outro regulador de pressão para 1–1.5 bar, sendo o hidrogénio finalmente injetado na PEM Fuel Cell.

Por fim, o sistema de cooling tem como função garantir que a PEM Fuel Cell funciona na temperatura de rendimento máximo, 65ºC.

O próximo grande passo será juntar os vários sistemas e efetuar diversos testes de forma a garantir o bom funcionamento, quando estes estiverem integrados no barco.

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Um dos grandes objetivos para o Técnico Solar Boat na época corrente é a construção do primeiro protótipo movido a hidrogénio, o São Miguel 01. Esta nova tecnologia necessita hidrogénio e oxigénio e através de uma reação separa os átomos de hidrogénio, sendo que os electrões que ficam soltos geram uma corrente elétrica.

O interesse do TSB nesta tecnologia começou a ganhar forma quando a organização da competição “Monaco Solar & Energy Boat Challenge” incentivou várias equipas a participarem na “Energy Class” . O TSB agarrou este desafio e começou a investigar, acabando por, em fevereiro de 2019, abrir a área de Propulsão a Hidrogénio. Desde dessa altura, a área de Propulsão a Hidrogénio tem vindo a crescer e conta com alunos de diversos cursos, desde engenharia mecânica até engenharia química.

O SM01 começou a ser dimensionado ainda em 2019, exigindo participação de todas as áreas já presentes no projeto. Com o apoio fundamental da Nedstack , inicialmente foi dimensionado a PEM Fuel Cell, de forma a produzir potência suficiente para superar a força de arrasto produzida pelos flutuadores e superar as potências produzidas pelas restantes equipas de 5 kW. De seguida, foi necessário dimensionar o sistema de cooling, a admissão do hidrogénio e do ar que controlam e garantem o correto funcionamento da PEM Fuel Cell.

Em termos de embarcação, o SM01 será composto por dois flutuadores(fornecidos pela organização da competição) e um monocoque. De forma a ser um processo mais sustentável possível, reparámos um molde antigo da FST (Formula Student Team Lisboa) e a sua laminação foi feita por infusão. Utilizámos materiais sustentáveis como a fibra de linho, o core PET e resinas epóxi com elevada percentagem biológica. Desta forma, o monocoque do SM01 já se encontra praticamente finalizado, faltando só aplicar uma camada uma camada de resina e verniz!

Na próxima semana vamos explicar os sistemas dimensionados dentro do SM01 e os próximos passos e testes que serão feitos até finalizarmos este protótipo!

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Depois do design e dimensionamento do casco final do SR03, chegou a altura de dar início à construção! O primeiro passo foi a maquinação do molde macho para o casco. Com este molde, fizemos a laminação do molde fêmea, e é deste último que vamos obter o casco final.

Fizemos a maquinação do molde macho com a ajuda da Composite Solutions, que nos permitiu realizar esta tarefa com um braço robótico de seis eixos! Este braço robótico ofereceu-nos inúmeras possibilidades, uma vez que tornou possível maquinar todas as superfícies de curvatura complexa do nosso casco, dividindo o molde em apenas duas partes. Começámos por definir as ferramentas a utilizar e por desenvolver os percursos do robô, de maneira a obter os códigos para as várias operações que o robô iria fazer. Primeiramente, foram maquinados blocos de esferovite com o formato do casco, que funcionam como base do molde. Depois, aplicou-se resina epóxi em toda a superfície, sendo esta resina também maquinada posteriormente, de modo a obtermos uma superfície de epóxi. A superfície do molde foi então tratada de modo a ficar o mais perfeita possível para a laminação do molde fêmea.

Com o molde macho pronto, chegou o momento de o trazer para a Trimarine, com a colaboração da TMS Transportes, e começar a construção do molde fêmea. A utilização de um molde fêmea para o casco permite-nos obter uma ótima superfície exterior, ficando assim com muito melhor acabamento e permitindo um casco mais leve! Começámos por aplicar desmoldante em toda a superfície, para que, depois de laminado, fosse possível separar o molde fêmea do molde macho. De seguida, foi a altura da aplicação de gelcoat em toda a superfície do molde, essencial para termos um ótimo acabamento da superfície exterior do casco. Fizemos então a laminação wet lay-up do molde fêmea, que foi dividida em duas partes. Na primeira colocaram-se seis camadas, e na segunda quatro camadas de fibra de carbono, com várias orientações e gramagens, o que nos permitiu obter um molde fêmea com 5 mm de espessura de fibra de carbono monolítica. Este tipo de laminação é realizado impregnando cada camada de fibra com resina epóxi e depois colocando-a no molde na posição adequada, sendo, por fim, utilizado vácuo durante a cura da resina. Paralelamente, na fresadora CNC que temos disponível no Instituto Superior Técnico, maquinámos as longarinas e anteparas que constituem a estrutura externa no molde fêmea, isto é, as peças para a estrutura que irá suportar o molde enquanto estivermos a construir o casco.

O molde fêmea está praticamente pronto e o próximo grande passo na construção do SR03 é o casco em si, que vai ser constituído por um laminado sandwich de fibra de carbono pré-impregnada (prepreg ) da Gurit e núcleo (core) de espuma de PVC da Diab

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O nosso terceiro protótipo a energia solar tem como objetivo ser mais robusto, eficiente e mais rápido que a sua versão anterior. Para tal, todas as nossas áreas procuram otimizar os seus sistemas, e a área de Sistemas Mecânicos não é excepção. Assim, vamos explicar o processo de dimensionamento dos hydrofoils, da gearbox e das hélices do SR03!

Os hydrofoils são os componentes que fazem o casco do barco subir para fora de água, permitindo reduzir a resistência hidrodinâmica e melhorando assim a eficiência geral da embarcação. Decidiu-se que, para o novo barco, o SR03, os hydrofoils seriam construídos em compósito de fibra de carbono. Isto possibilita a produção de novas unidades em pouco tempo. Em relação ao seu dimensionamento, a equipa desenvolveu um programa que calcula todas as forças aplicadas no barco em movimento. Este programa permite assim determinar facilmente a dimensão do foil, que será mais eficiente a uma determinada velocidade. Por fim, foi usado CFD (Computer Fluid Dynamics) para analisar em maior detalhe se o resultado do programa está correto.

Para esta nova embarcação decidiu-se usar dois motores de diferentes potências, para otimizar a eficiência para a corrida de endurance, sendo um motor menos potente mas mais eficiente à potência que será usada na prova de endurance, e um segundo motor mais potente para usar na prova de velocidade. A gearbox tem a funcionalidade de adicionar o torque destes dois motores, podendo-se assim usar os dois em conjunto, combinando a sua potência. Para dimensionar as engrenagens usou-se o programa Kisssoft, programa muito usado na indústria e que permite gerar geometrias bastante precisas e eficientes.

As hélices são um dos componentes mais críticos para o barco ser eficiente e produzir a força suficiente para se mover pela água. Usando um programa do MIT, especializado para o dimensionamento de hélices, e juntando-o ao nosso programa que determina as forças aplicadas, conseguimos gerar a geometria necessária para definir a forma da hélice.

Estamos agora na fase de construção do SR03: estamos a trabalhar com várias empresas nacionais para tornar este barco uma realidade. Uma vez acabado a construção e a fase de testes iniciais, iremos passar a divulgar, em formato open source e em detalhe, todo o processo de design e dimensionamento dos vários sistemas aqui mencionados, e a forma como foram integrados no SR03.

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A laminação dos nossos próprios painéis é um desejo que já nos acompanha desde cedo. No entanto, devido à falta de recursos, nunca foi possível concretizarmos esse desejo. Uma vez que pretendemos ser uma equipa cada vez mais autónoma e independente, na temporada passada desenvolvemos um laminador, fazendo com o desejo de termos painéis solares laminados pela equipa fosse possível.

Deste modo, a nossa área de Sistemas Elétricos desenvolveu um laminador composto por uma mesa com as seguintes camadas: isolante, manta térmica e placa de alumínio. A dimensão do laminador é limitada pela dimensão da manta térmica, que é de 1 x 1,5 m, apresenta uma potência de 7.000 W e uma temperatura máxima de 170ºC.

O processo de desenvolvimento dos painéis solares é constituído, essencialmente, por duas etapas:

– a disposição e soldadura das células

– laminação do painel

Deste modo, começa-se por dispor as células nas posições pretendidas, definindo o tamanho que o painel terá. Posteriormente, procede-se à laminação de todo o painel. Este é constituído por 5 camadas: backsheet, encapsulante (POE), células, encapsulante e frontsheet. O encapsulante é o material que vai permitir a adesão entre a backsheet/frontsheet e as células.

O processo de laminação envolve altas temperaturas e vácuo sobre o painel. De forma a testar o laminador, procedeu-se pela primeira vez à laminação de uma só célula. Durante o processo utilizaram-se temperaturas de 120ºC.

Devido ao facto de a laminação ter corrido da melhor forma, o próximo passo será a laminação de um pequeno conjunto de células. Só depois deste teste é que passaremos à laminação dos nossos painéis, a colocar no barco São Rafael 03!

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Um dos primeiros passos no dimensionamento de um novo protótipo solar é o design do casco. Para tal, a nossa área de Design e Compósitos teve em consideração todo o conhecimento que adquirimos no design e construção dos antigos protótipos solares, o SR01 e o SR02.

Inicialmente, foi feita alguma pesquisa teórica para determinar o tipo de casco mais adequado para as nossas competições. Com a implementação dos hydrofoils, concluímos que um casco de deslocamento é o mais eficiente, considerando as velocidades que pretendemos atingir com o casco na água.

Para o dimensionamento do casco, foi também necessário definir alguns objetivos para este protótipo. Temos o intuito de reutilizar o atrelado construído por nós, de forma a conseguirmos circular com os nossos barcos na via pública. Assim sendo, tivemos que ter em consideração as dimensões do atrelado: o SR03 não poderia ter mais do que 6,3m de comprimento, nem 2m de largura (considerando o convés).

Para além disso, outro objetivo deste protótipo é a sua acessibilidade ao resto dos sistemas elétricos e mecânicos. Certos compartimentos do casco, como é o caso do compartimento estanque a ré do piloto, são utilizados com muita frequência para a implementação dos sistemas do barco – portanto, a popa do protótipo nunca poderia ser muito larga, para que o acesso ao compartimento seja facilitado. No entanto, o convés tem de ter área suficiente para implementar os painéis solares necessários.

Adicionalmente, temos também a obrigatoriedade de seguir as normas impostas pelo regulamento das competições em que pretendemos competir. Estas definem alguns parâmetros da estabilidade do barco e também o dimensionamento dos componentes que vão estar equipados no protótipo, como é o caso dos painéis solares.

Por fim, o último fator que influencia bastante o design do protótipo – a sua construção! Para este protótipo, tivemos a possibilidade de ter o molde macho do casco maquinado numa CNC com 7 eixos na Composite Solutions, o que tornou possível a modelação de uma geometria mais complexa para este protótipo. O mesmo não seria possível caso o molde tivesse que ser maquinado por nós, na CNC de 3 eixos existente no Instituto Superior Técnico, como foi o caso do protótipo anterior, o SR02.

Por fim, a última fase foi a otimização da geometria do casco e das suas superfícies. Foram feitas algumas análises CFD para otimizar as mesmas e também análises hidrostáticas para obter estimativas prévias da estabilidade do protótipo tendo em conta os pesos inseridos do barco. Após várias iterações, concluímos o design final pretendido!

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O planeamento da época 20/21 do TSB foi baseado em dois grandes objetivos: a conclusão do primeiro protótipo a hidrogénio, SM01, e a construção do SR03, com o objetivo de alcançar a melhor classificação de sempre no “Monaco Solar & Energy Boat Challenge” , que se realizará em Julho.

O SM01 começou a ser dimensionado ainda em 2019, exigindo um grande trabalho de pesquisa por parte do departamento de Propulsão a Hidrogênio. O primeiro objectivo foi dimensionar a PEM Fuel Cell, que deveria ser capaz de produzir potência suficiente para vencer a força de arrasto produzida pelos flutuadores e superar a potência produzida pelas restantes equipas, 5kW. O segundo objectivo, mais difícil de concretizar, prendeu-se com dimensionar todos os sistemas que garantem o controlo e o correto funcionamento da PEM Fuel Cell, como são o sistema de cooling, a admissão do hidrogénio e do ar, ou seja, o Balance Of Plant. Para esta nova temporada pretendemos dois grandes avanços tecnológicos: a construção de uma Fuel Cell e a construção de uma estação de produção de hidrogénio.

O outro grande objetivo deste ano é a construção do SR03 com vista a ser mais robusto, eficiente e mais rápido que o SR02. Para tal, o planeamento da sua construção começou na época 19/20, com o dimensionamento do casco e a realização de testes em computador para otimizar o seu rendimento. Para obtermos a robustez desejada, optámos por modificar o design do casco face ao SR02, sendo agora mais forte e que permitirá obter velocidades maiores. À semelhança do protótipo anterior, este também terá implementado os hydrofoils (pequenas asas que permitem que o casco não esteja em contacto com a água, diminuindo o atrito e aumentando o rendimento), com a alteração de serem em fibra de carbono em vez de alumínio.

Posto isto, fizemos o planeamento da temporada, desde o dimensionamento de protótipos, até a angariação de patrocinadores que nos possam ajudar a crescer. Durante o processo de planeamento teve-se em consideração as condicionantes da pandemia, que apesar de nos limitarem de estarmos a trabalhar presencialmente, não nos limita a ambição e o desejo de melhorar! Planeamos um recrutamento maior e mais intenso, onde procuramos novos membros motivados para aprender e dar o seu contributo ao projeto.

Nas próximas rubricas vamos partilhar ao detalhe as várias fases da concepção tanto do SR03 como do SM01!

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O Técnico Solar Boat foi fundado em 2015 e atualmente é constituído por cerca de 50 estudantes, maioritariamente do Instituto Superior Técnico, cujo objetivo passa por desenvolver embarcações de competição movidas a energias renováveis.

Desde da sua data de fundação, o TSB já desenvolveu dois protótipos movidos a energia solar, designados por São Rafael 01 e 02, e encontra-se nesta época focado e empenhado na construção da terceira embarcação solar, SR03, com a ambição de alcançar cada vez melhores resultados.

Além disso, o TSB decidiu agarrar um grande desafio e começou a desenvolver o seu primeiro protótipo movido a hidrogénio, o São Miguel 01.

Estes protótipos têm como principal objetivo a participação em competições internacionais, que têm lugar no Mónaco e na Holanda. Durante as várias temporadas, o TSB participou em diversas edições sendo de realçar que em 2019 alcançou a sua melhor classificação de sempre com o incrível segundo lugar na competição ‘Monaco Solar & Energy Boat Challenge’.

Na época passada, a competição realizou-se com contornos distintos, de forma virtual onde a equipa teve a oportunidade de discutir os novos conceitos implementados nos seus processos de trabalho, tais como: a produção de hidrogénio verde e da sua própria fuel cell. A equipa portuguesa arrecadou o prémio inovação, destacando-se por entre as onze equipas de todo o mundo em competição.

Sem a possibilidade de demonstrar o trabalho feito ao longo da época numa competição, o TSB teve-se que adaptar e organizou a primeira edição do evento ‘Odisseia TSB’. Assim, a equipa percorreu o país de Norte a Sul, tendo realizado várias travessias desde do Douro até ao Algarve, cada uma com a sua particularidade. Acredita-se que este será um marco bastante importante na história do TSB e certamente haverá uma segunda edição mais ambiciosa!

Para esta época, 2020/2021, o grande objectivo é levar as duas embarcações, a solar e a movida a hidrogénio, às competições no Mónaco, procurando o melhor resultado de sempre e organizar a segunda edição da Odisseia TSB, onde se vai desafiar e testar ao limite!

É com enorme alegria que a nossa equipa inicia este espaço em parceria com o Green Future AutoMagazine! Nas próximas edições será possível acompanhar de perto o trabalho que desenvolvemos!

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