Расскажу на примере моего "Огонька"...
Техническое задание и расчёты
Лёгкая парусная лодка вполне годится для автономных походов продолжительностью от нескольких дней до нескольких недель. Мой «Огонёк» — швертбот-двойка, значит, расчёт нужно делать для двоих. Удобная продолжительность похода — неделя (сложно найти попутчика на больший срок). Исходя из этого, формулирую главное требование: электрооборудование должно обеспечивать энергобаланс для двух человек в течение 7 дней.
Основные функции
- зарядка устройств связи, фонарей, фото и видеокамер;
- электропитание измерительных, навигационных приборов, экшен-камеры;
- силовое питание подвесного лодочного электромотора;
- автоматическая зарядка АКБ от солнечной панели с измерением напряжения, тока и учетом энергии, поступившей от панели;
- автоматическое отключение АКБ при коротком замыкании в нагрузке;
- измерение напряжения бортовой сети 12 В.
Суточный энергобаланс
- Ежедневная зарядка мобильного телефона: 3000 мА*ч при 4.3 В = 13 Вт*ч. Для двоих человек: 26 Вт*ч.
- Питание экшен-камеры 2 часа в сутки: 1000 мА * 4.3 В * 2 ч = 9 Вт*ч.
- Приборы, включенные круглые сутки: вольтметр (8 мА), контроллер солнечной панели (10 мА), преобразователи USB 2 шт (2*8=16 мА). 14.5 В * 34 мА * 24 ч = 12 Вт*ч.
- Электротяга: максимальная мощность подвесного лодочного электромотора: 360 Вт. Для движения будут использоваться излишки электроэнергии.
- Поступление энергии от солнечной панели номиналом 50 Вт: 17.6 В * 5 А*ч = 88 Вт*ч (5 А*ч - среднее значение электрического заряда, полученное на ходовых испытаниях; 17.6 В - рабочее напряжение панели).
- Аккумуляторная батарея низкого разряда в качестве накопителя энергии и источника питания (ёмкость батареи подлежит расчёту).
Итого: тратим: 47 Вт*ч, получаем 88 Вт*ч. Резерв: 88-47 = 41 Вт*ч.
Примечание: для простоты расчёта принимаю, что АКБ и контроллер заряда имеют КПД=1, поэтому представленные значения - слегка оптимистичные :)
Ёмкость аккумуляторной батареи
Исходя из суточной потребности 47 Вт*ч и продолжительности похода 7 дней, получаем минимальную ёмкость батареи 329 Вт*ч. С двукратным запасом это составит 658 Вт*ч. Переводя в ампер*часы, получим: 658 В*ч / 12 В = 55 А*ч. Таким образом, два человека будут обеспечены электрической энергией в течение двух недель без восполнения энергии от Солнца.Если перевести мобильные устройства в режим энергосбережения, то значительно дольше. В итоге я выбрал и купил тяговую батарею RuTrike 6-EVF-52, изготовленную по технологии AGM VRLA.
Электрический подвесной мотор (ПЛМ)
Несколькими способами вычислил буксировочное сопротивление лодки, сравнил полученные значения с данными для лодок схожей конструкции и составил таблицу:
В таблице представлена полезная мощность, поэтому для получения реальной мощности ПЛМ её следует поделить на КПД системы, который составляет, экспертно, около 50%. Тогда для движения лодки со скоростью 7 км/ч понадобится ПЛМ на 180/0,5 = 360 Вт. Мне этой скорости хватит: выбираю мотор HDX 36L. Цифра 36 указывает максимальную силу тяги в 36 фунтов, то есть 16.3 кгс. Но не спешите подставлять это значение в табличку и делать вывод о максимальной скорости лодки более 9 км/ч - штатный гребной винт выбранного мотора обеспечивает хороший упор, но для скорости более 7 км/ч не хватит мощности.
Принципиальная схема
Схема максимально упрощена. Автоматический предохранитель одновременно является главным выключателем. При перевороте лодки его желательно выключить, чтобы предотвратить разрушающие электрохимические процессы. Преобразователи USB и разъемы прикуривателя размещены в кормовой части кокпита и в "конуре" под палубой в носовой части. Подключение ПЛМ выполнено через силовые разъемы Андерсона на 50 А.
Солнечная панель заряжает батарею через контроллер заряда. При выходе контроллера из строя сохраняется возможность заряжать аккумуляторную батарею от солнечной панели напрямую (с меньшей эффективностью).
Особая роль вольтметра
Считаю вольтметр очень важным прибором: он необходим для контроля глубины разряда АКБ и для ручного управления зарядкой при отказе контроллера заряда. Желательно иметь резервный.
Реализация и оценка рисков
Электромонтаж выполнен открытым способом без каких-либо герметичных блоков. В случае погружения в воду основные элементы схемы должны сохранить работоспособность, это: солнечная панель, автоматический выключатель, АКБ, силовые разъемы, разъемы прикуривателя, блок предохранителей, вольтметр. С высокой вероятностью выйдут из строя: контроллер заряда, преобразователи USB. В этом случае зарядка АКБ возможна напрямую от солнечной панели. Также предусмотрен аварийный USB-преобразователь (хранящийся в гермопакете), подключаемый к бортовой сети через разъем прикуривателя для питания уцелевших гаджетов.
Практические результаты
Эффективность солнечной панели
За 6 дней ходовых испытаний было установлено, что моя солнечная панель номинальной мощностью 50 Вт выдаёт около 5 А*ч в сутки. Усреднённо это 0,8 А в течение 6 часов. То есть, при рабочем напряжении панели 17.6 В она показывала фактическую мощность 14–18 Вт. Давайте оценим, это много или мало?
На экваторе (0° широты): мгновенная мощность солнечной энергии составляет до 1000 Вт/м². Среднесуточная мощность: 250 - 300 Вт/м². Производители обычно указывают мощность солнечных панелей для идеальных условий экватора.
Под «среднесуточной мощностью» здесь и далее понимается средняя мощность за сутки в ясную погоду.
Под «мгновенной мощностью» понимается кратковременное пиковое значение мощности в ясную погоду в полдень.
На широте Москвы (~55.75° с.ш.): мгновенная мощность до 600 Вт/м² летом. Зимой около 70-100 Вт/м² из-за низкого положения солнца над горизонтом. Большая длина пути лучей через атмосферу ведет к значительным потерям энергии. Среднесуточная годовая мощность: 100 - 120 Вт/м². Среднесуточная летняя мощность: 150 - 200 Вт/м².
Характеристики моей панели: гибкая монокристаллическая солнечная панель E-Power 50Вт (технология PERC), размером 650*540, с эффективной площадью 0,3 м². Заявленный КПД 18,5%. Рассчитаем, чего следует ожидать от этой панели на широте Москвы:
- Мгновенная мощность: 600 Вт/м² * 0,3 м² * 0.185 = 33 Вт. При токе: 33 Вт / 17.6 В = 1.87 А.
- Среднесуточная мощность в ясную погоду: 150 Вт/м² * 0,3 м² * 0.185 = 8.3 Вт.
- Среднесуточная энергия в ясную погоду: 8.3 Вт * 24 ч = 199 Вт*ч.
Как видим, фактические значения в 2.3 раза ниже расчётных. В чём же дело? А вот в чём:
- Солнце светит не всегда;
- панель размещена на палубе бака под стакселем и может периодически затеняться парусом, рангоутом, деревьями, растущими вдоль берега;
- угол и направление установки панели не корректируются по положению Солнца.
Вывод: фактический результат хорошо соответствует заявленным характеристиками солнечной панели и условиям её эксплуатации. Не стоит надеяться получить существенно больше этого :)
Движение под электромотором
Итак, положительный энергобаланс ежесуточно оставляет в резерве 41 Вт*ч, которые будут направлены на подзарядку АКБ или движение под электромотором. При средней мощности электромотора в 300 Вт можно позволить себе двигаться на электротяге целых 8 минут! Или тихонько ползти, сохраняя скорость и управляемость, в течение получаса. Вроде пустяк? Но это важный пустяк. Когда вам не будет хватать собственных сил, электромотор поможет: преодолеть место с быстрым течением (стремнину, пролёт моста и тд), оперативно убраться с судового хода, иметь скорость и управляемость при постановке парусов. На реке с малоинтенсивным судоходством этого вполне достаточно (не каждому, но фанатику парусов, который никуда не торопится и дружит с вёслами). Если вам нужно двигаться по реке с предсказуемой скоростью длительное время - выбирайте ТОЛЬКО двигатель внутреннего сгорания.
Ходовые испытания показали, что лодка на первой скорости электромотора в штиль и при отсутствии волны развивает скорость относительно воды около 3 км/ч. На пятой скорости в тех же условиях около 6...7 км/ч.
Практика выявила ещё один один приятный момент: бережливое использование энергии позволяет сохранить бОльшую часть заряда АКБ до последнего дня похода и совершить полуторачасовой рывок под электромотором к финишу.
Сколько это стоило (в мае 2024)?
- Монокристаллическая солнечная панель E-Power 50Вт: 4 743 руб
- Тяговый AGM аккумулятор RuTrike 6-EVF-52 (12V52A/H C3): 11 457 руб
- Лодочный электромотор HDX 36L: 15 429 руб
- Панель с разъемом Андерсена 50A 600W, USB, розеткой прикуривателя, огнестойкая, для яхт, автодомов: 711 руб
- Солнечный кабель двухжильный сечением 4 кв.мм с коннектором МС4, длина 4 метра: 1 108 руб
- Блок предохранителей для лодки на 6 потребителей: 908 руб
- Предохранитель 7,5А NORMA "VOLTON" 10 шт: 155 руб
- Водонепроницаемая термоусадочная трубка диаметром 12 мм с клеевым слоем, соотношение термоусадочных свойств 4:1, черная, 1,22 метра: 224 руб
- 4-клавишная панель переключателей со светодиодным цифровым вольтметром 1224 В, 2 зарядными устройствами USB: 1 728 руб
- Провод электрический ПуГВнг(A)-LS 1х10 мм2 Красный 4м: 944 руб
- Провод электрический ПуГВнг(A)-LS 1х10 мм2 Синий 4м: 944 руб
- Автоматический предохранитель 100А, главный выключатель: 628 руб
- Провод электрический ПуГВ 1х2.5 красный ГОСТ 10 м: 453 руб
- Провод электрический ПуГВ 1х2.5 черный ГОСТ 10 м: 466 руб
- Разъем Андерсона силовой 50A (красный, комплект, 2 шт.) 253 руб (учтите, красные подходят только к красным, а серые к серым)
ВСЕГО: 39165 руб (всякую мелочь, вроде наконечников, я брал из запасов).
Спасибо за внимание!
Пожимаю руку героям, пробившимся через море цифр до этой строчки!
Следующая статья: Какой профиль выбрать для шверта и пера руля?