Jak naładować akumulatory na jachcie morskim w czasie rejsu?

Na jachcie morskim bardzo przydatny, albo w dzisiejszych czasach nawet niezbędny okazuje się prąd. Jednak podczas długich morskich rejsów nie wystarczy nam prądu zmagazynowanego w akumulatorach. Zużywany prąd trzeba uzupełniać. Rozwiązanie tego problemu staje się coraz popularniejsze i wszechobecne.


ROZWIĄZANIE:

Trzeba mieć na jachcie własne źródło prądu. Taką "prądnicą" może być moduł fotowoltaiczny i/lub wiatrak. W dzień moduł produkuje prąd, który ładuje akumulator, natomiast wiatrak wtedy gdy wieje wiatr. Oczywistym jest, że moduł fotowoltaiczny tego prądu produkuje najwięcej w dzień słoneczny, co szczegółowiej omówiono w temacie "jacht śródlądowy".

Energia kinetyczna wiatru zależy od 3-ciej potęgi jego prędkości. Czyli jeśli prędkość wiatru wzrośnie 2-krotnie, to energia jaką on niesie wzrośnie 8-krotnie. Ponieważ wiatrak zamienia energię kinetyczną wiatru na prąd elektryczny, to sens stosowania wiatraka jest tam, gdzie wieją wiatry z odpowiednią prędkością (energią) i najlepiej w dzień i w nocy. Tu chodzi o prędkości wiatru od 3 st B, czyli powyżej 15 km/godz.

Są różne morza i różne warunki i dlatego nie ma rozwiązań uniwersalnych. Ponadto, praktycznie każdy jacht morski ma silnik i prądnicę, a więc wszystkie te elektrownie powinny poprawnie ze sobą współpracować. Przedstawione poniżej zestawy mają posłużyć do zaprojektowania własnej, ekologicznej - bo nie produkującej spalin, elektrowni.

Jeśli chodzi o stosowanie modułów, to należy zwrócić uwagę na następujące warunki:

  • Powierzchnia do której zostaną one przymocowane nie musi być płaska, bo są one przeważnie elastyczne i można je w niewielkim stopniu wyginać. Jednak powierzchnia ta powinna być gładka, by osoba która stanęła na module nie uszkodziła go wgniatając występ znajdujący się pod spodem modułu. Oczywiście, miejsce mocowania należy wybrać tak, by rzadko dochodziło do wchodzenia na moduł. Na podeszwach obuwia często znajduje się piach, który będzie rysował pokrycie modułu, co znacznie zmniejsza jego przeźroczystość i w rezultacie wydajność.
  • Miejsce mocowania należy wybrać tak, by nie dochodziło do mechanicznych uszkodzeń. Chodzi o to, by przykładowo, na moduł nie mógł upaść bom. Spowoduje on pęknięcie płytki a w konsekwencji nieodwracalne zniszczenie modułu. Ponadto, miejsce mocowania powinno zapewniać jak najlepsze nasłonecznienie, czyli mało cienia. Często, ze względu na wydajność, bardziej korzystne jest zastosowanie kilku modułów w wielu miejscach niż jednego dużego.
  • Należy zwracać uwagę na zwierzęta. Pies czy kot ostrymi pazurami może zrobić głęboką rysę, tym samym niszcząc pokrycie modułu tak, że nastąpi utlenienie się płytki krzemu. W konsekwencji spowoduje to nieodwracalne zniszczenie modułu.
  • Zasadniczo moduły są tak wykonane, że nie zachodzi potrzeba ich ochrony przed śniegiem, lodem, słoną wodą, itp. a więc mogą być przymocowane trwale.
  • Aby nie przeładować akumulatora, czyli nie przekroczyć maksymalnego końcowego napięcia ładowania, stosuje się regulatory ładowania. W poniższych przykładach pominięto je, chociaż są konieczne. Ich dobór pozostawiono na etap konkretnej realizacji, gdyż o ich doborze często decydują dodatkowe czynniki, w tym współpraca z wiatrakami.

Jeśli chodzi o stosowanie wiatraków, to należy zwrócić uwagę na następujące czynniki:

  • Miejsce ustawienia wiatraka należy wybrać tak:
    • By był on zamocowany na wysokości zapewniającej bezpieczeństwo osób znajdujących się w pobliżu wiatraka, czyli tak, by stojąca pod nim osoba była z pewnym zapasem bezpieczeństwa poniżej końca łopat. Wirujące łopaty mają ogromną energię i ostre krawędzie. Dlatego należy zachować tu szczególną ostrożność.
    • By możliwość dostania się w obszar wirujących łopat lin, części takielunku, itp była minimalna. Przeważnie takim dobrym miejscem dla mniejszych jachtów jest rufa, a dla większych specjalnie przygotowana platforma na maszcie.
    • By był dostęp do wiatraka – w celu jego obsługi. Chodzi między innymi o możliwość jego zatrzymania ze względu na zbliżający się niezwykle silny wiatr.
  • Z wielkością wiatraka związane są jego gabaryty, a w tym jego masa. Wybierając typ wiatraka należy wziąć pod uwagę proporcje, tj. wielkość jachtu i wiatraka. Przykładowo, jachtowy wiatrak Rutland 913 ma masę 11,3 kg, która postawiona na maszcie na wysokości ok. 2,3 -2,5 m nad pokładem, stanowi duże obciążenie dynamiczne dla struktury nośnej. Do parcia wiatru dodaje się obciążenie dynamiczne wywołane kołysaniem się jachtu, czyli i masy wiatraka na wysięgniku.
  • Instalacja elektryczna musi być wykonana solidnie. Rozłączenie połączenia elektrycznego pomiędzy regulatorem ładowania a wiatrakiem może przy silnym wietrze doprowadzić do rozbiegania się wiatraka.

Poniżej przedstawiono 2 zestawy, oparte na dwu różnej wielkości (mocy) wiatrakach, tj. Rutland 503 i Rutland 913.

Zestaw mały oparty na wiatraku o mocy maksymalnej 60 W – Rutland 503

Zgodnie z danymi podanymi przez producenta, wiatrak ten ma poniższą wydajność.

Prędkość wiatru Prąd [A] Prąd wyprodukowany przez cały dzień [Ah]
Węzły km/godz St. Bouforta
10 18 3 0,5 12
15 27 4 1,25 30
20 36 5 2,0 48

Jak widać, aby wiatrak produkował prąd, musi wiać wiatr. Pojawia się pytanie, zamiast wiatraka jakiej mocy moduły fotowoltaiczne należało by zastosować, by wyprodukowały w lecie w Polsce, tyle samo prądu, co ten wiatrak przy 3 st. B – nie jest to silny wiatr!!.

Aby wyprodukować w ciągu dnia 12 Ah w lecie (maj-lipiec) w Polsce, w modułach ułożonych poziomo, w miejscu gdzie cienia jest mało – należałoby zastosować łączną moc modułów ok. 50W/12V.

Tu trzeba pamiętać, że podana produktywność modułu jest wartością średnią – uwzględniającą, że bywają dni pochmurne. Tak więc na morzach ciepłych, słonecznych, wydajność takiego modułu będzie znacznie wyższa, bez względu na to, czy jest wiatr czy go nie ma. Z drugiej strony, wystarczy, że prędkość wiatru wzrośnie tylko o 1 stopień Beauforta a produkcja prądu wzrasta ponad dwukrotnie. Ten przykład pokazuje, że nie ma rozwiązań uniwersalnych. Wydaje się, że do pływania po morzach "mało słonecznych" ale wietrznych, lepszym rozwiązaniem jest wiatrak, a do pływania po morzach "słonecznych" - moduł fotowoltaiczny.

Jednak, czy nie można by ich połączyć? Owszem, i tak się robi, bo tak podpowiada doświadczenie. Takie rozwiązanie przewidział producent wiatraka Rutland, firma Marlec. Wiatrak, będący samowzbudną prądnicą, aby mógł bezpiecznie ładować akumulator, musi ładować go poprzez regulator ładowania. Producent tego regulatora dopuszcza, że oprócz w.w wiatraka można do niego podłączyć moduł o mocy ok. 30W. A jeśli chce się podłączyć moduł o większej mocy? Rozwiązanie jest proste. Zastosować do modułu osobny regulator odpowiedni do jego mocy. Niestety, regulator od modułu nie nadaje się do obsługi wiatraka.

Zestaw oparty na wiatraku o mocy maksymalnej 215 W – Rutland 913

Zgodnie z danymi podanymi przez producenta, wiatrak ten ma poniższą wydajność.

Prędkość wiatru Prąd [A] Prąd wyprodukowany przez cały dzień [Ah]
Węzły km/godz St. Bouforta
7 12,6 3 0,8 19,2
12 21,6 4* 2,0 48
15 27,0 4* 3,0 72

*/ 4 st B to 20-28 km/godz.

Jak widać, już przy wiatrach ok. 4 st B., tego prądu jest całkiem dużo i aby go zmagazynować, trzeba stosować akumulatory o pojemności rzędu 200-300Ah . Akumulatory te powinny przechować wyprodukowaną energię elektryczną przez kilka dni, by była dostępna, gdy będzie słaby wiatr.

Proporcjonalnie do wydajności tego wiatraka, należałoby tu zastosować moduły fotowoltaiczne o łącznej mocy 100- 200W/12V, a więc zestawy zbudowane z wielu pojedynczych modułów. Takie zestawy są bardziej skuteczne niż pojedynczy "duży" moduł, bo szansa, że akurat wszystkie są w cieniu np. żagla jest mniejsza niż dla pojedynczego modułu. Moduły mają jeszcze jedną zaletę, układ bardzo łatwo rozbudować dodając następne moduły.

Oczywiście, można połączyć obie "prądnice". Producent regulatora do wiatraka Rutland 913 dopuszcza, że oprócz w.w wiatraka można do niego podłączyć moduł fotowoltaiczny o mocy dopuszczalnej przez ten regulator. Jeśli chce się podłączyć moduły o większej mocy, to należy zastosować osobny regulator ładowania odpowiedni do jego mocy.

Podsumowanie
W skład zestawu wchodzą:

  • "Prądnice", czyli moduły fotowoltaiczne (baterie słoneczne, panele) i /lub wiatrak
  • Akumulatory magazynujące prąd.
  • Regulatory ładowania dbające o optymalne ładowanie akumulatorów.
  • Odbiorniki prądu.

Domyślnie przyjmuje się, że instalacja na jachcie jest 12V ale jeśli jest ona 24V, to oczywiście wszystkie w. w urządzenia muszą być na 24V. W przypadku modułów i akumulatorów można to uzyskać poprzez szeregowe łączenie TAKIEGO SAMEGO TYPU urządzeń 12V, jednak w przypadku wiatraka trzeba się zdecydować na wersję 12 lub 24V

Jakie mogą pojawić się problemy

  • Dla jachtu morskiego aktualna jest większość odpowiedzi na pytania związane z instalacją modułów fotowoltaicznych na jachcie śródlądowym, gdzie zapraszam.
  • Jak ładować akumulator z prądnicy silnika lub prostownika mając instalację wiatraka i fotomodułu,

    nie rozłączając istniejącej instalacji? Każde z tych urządzeń (źródeł prądu) MUSI mieć swój regulator ładowania, by nie przeładować akumulatora. Takie rozwiązanie jest najbezpieczniejsze. Każde ze źródeł prądu łączymy równolegle do zacisków akumulatora poprzez bezpiecznik topikowy, zabezpieczający każdy z obwodów. Dobrze mieć wizualną kontrolę stanu naładowania akumulatora za pomocą woltomierza podłączonego bezpośrednio do ładowanego akumulatora. Oprócz woltomierza, bardzo dobrą kontrolę procesu ładowania stanowi amperomierz, włączony w szereg pomiędzy akumulatorem a źródłem prądu. Co prawda, regulatory ładowania automatyzują proces ładowania, jednak woltomierz i amperomierz pozwalają na szybka ocenę sytuacji, gdy coś źle funkcjonuje.
  • Jak zrobić, by opuszczając jacht można było odłączyć odbiorniki a akumulator był dalej ładowany przez fotomoduł

    ? Odbiorniki, które mają być odłączane powinny być podłączone bezpośrednio do akumulatora. Tak więc wyłączając wyłącznik główny, pozostawiamy podłączony moduł fotowoltaiczny poprzez regulator ładowania do akumulatora, który będzie go ładował.
  • Czy można ładować akumulator z wiatraka w porcie

    ? Z punktu widzenia automatyki ładowania tak, ale może być to niebezpieczne. Może się zdarzyć, że w wirujące łopaty wiatraka dostanie się np. fał, co może spowodować poważny w skutkach wypadek, szczególnie gdy nie ma nadzoru. Lepiej, opuszczając jacht, zatrzymać wiatrak podwiązując łopatę do masztu, a ładowanie pozostawić fotomodułom.
  • Jak ładować jednocześnie kilka akumulatorów?

    Oczywistym jest, że najprościej połączyć je wszystkie równolegle, to będą się zachowywały jak jeden duży akumulator. Jednak, tu może chodzić o priorytet. Jeśli chcemy ładować wszystkie, a korzystać tylko z niektórych, by mieć któryś akumulator w rezerwie np. do rozruchu silnika, to wtedy można wszystkie jednocześnie ładować poprzez diody prostownicze, separujące je wzajemnie przed rozładowaniem. Jednak na diodach występuje spadek napięcia ok. 0,7V, co może wymagać przeregulowania regulatorów, jeśli to możliwe. Można też każdy z nich ładować osobno, ręcznie przełączając ładowanie, co daje kontrolę nad sytuacją, jednak jest uciążliwe. Bardzo pomocnym będą woltomierze podłączone do każdego z akumulatorów.
  • Chętnie odpowiemy na Państwa pytania

    Niektóre z odpowiedzi przedstawimy tu innym czytelnikom.
2018  Baterie słoneczne, turbiny wiatrowe, lampy solarne GTB-SOLARIS