Energia elektryczna na jachcie

 Postanowiłem odetchnąć trochę od budowy kadłuba i pomyśleć, jak zorganizować sprawę energii elektrycznej na jachcie. Oczywiście jest na to jeszcze sporo czasu, ale dla higieny umysłu przyda się zrobić kilka obliczeń.

Ograniczenia w regulaminie regat mówią o mocy panelu fotowoltaicznego, który nie może przekraczać 50W. Czy to dużo, czy mało? - jak zwykle odpowiedzią najbardziej pasującą jest  "To zależy...". Zależy oczywiście od zapotrzebowania na energię, ale ponieważ to moc panelu jest z góry określona, to zapotrzebowanie na energię należy dostosować właśnie do niego.

Na początku może policzmy (chociaż lepszym słowem byłoby "oszacujmy"), ile tej energii jesteśmy w stanie pozyskać.

Produkcja energii.

1. Nominalna moc panelu pv - 50W

2. Efektywność, czyli sprawność po odjęciu strat systemowych

• straty w panelu PV -  strata wynosi 0,4% na każdy stopień powyżej 25 st. C. Panel może osiągnąć temperaturę 50 - 60 stopni więc przyjmijmy, że jest to 12%,
• strata w przetwarzaniu napięcia przez kontroler MPPT: 3%,
• strata na przewodach 6mm^2: 1,2%,
• straty w akumulatorze AGM: 10%, LiFePO4: 2%.

Sumaryczna efektywność systemu:

• dla akumulatora AGM: 100 - 26,2 = 73,8%,
• dla akumulatora LiFePO4: 100 - 18,2 = 81,8%.

3. Nasłonecznienie

Efektywność nasłonecznienia w dni pochmurne: 20%

Trasa pierwszego etapu regat Portugalia - Teneryfa w listopadzie:

• średnia liczba godzin efektywnego nasłonecznienia: 4h
• dni pochmurne: 30%

Trasa drugiego etapu regat Teneryfa - Martynika w grudniu:

• średnia liczba godzin efektywnego nasłonecznienia: 5h
• dni pochmurne: 20%

średni czas nasłonecznienia z uwzględnieniem dni pochmurnych: 

• I etap: 0,7 * 4 + 0,3 * 0,2 * 4 =  2,8 + 0,24 = 3,04h
• II etap: 0,8 * 5 + 0,2 * 0,2 * 5 =  4 + 0,2 = 4,2h

4. Średnia ilość produkowanej energii 

Mając powyższe dane, można łatwo policzyć średni dobowy uzysk energii na każdym etapie.

pierwszy etap:

- AGM: 3,04 * 0,738 * 50 ~ 112 Wh

- LiFePO4: 3,04 * 0,818 * 50 ~ 124 Wh

drugi etap:

- AGM: 4,2 * 0,738 * 50 ~ 155 Wh

- LiFePO4: 4,2 * 0,818 * 50 ~ 172 Wh

Zużycie energii

Gdy już mamy oszacowaną produkcję, wiemy na ile możemy sobie pozwolić. Widać od razu, że więcej urządzeń zasilimy na drugim etapie i w sytuacji, gdy mamy akumulator LiFePO4. Policzmy teraz zużycie energii. Urządzenia, które przewiduję na jachcie:

1. Oświetlenie nawigacyjne topowe 3W - 0,25A, czas pracy: 10h/dobę,
2. AIS klasy B: 0,25 A, czas pracy 12h/dobę,
3. Radio VHF (głównie słuchanie, nadawanie sporadyczne): 0,1A, czas pracy 12h/dobę,
4. Oświetlenie wewnętrzne 1W: 0,08, czas pracy 3h/dobę.

Dodatkowo będę miał:

1. Głośnik bt Clip5 - pojemność baterii  5,2 Wh, ładowanie codziennie,
2. Smartfon - pojemność baterii  17,33 Wh, ładowanie codziennie,
3. Tablet - pojemność baterii 25 Wh, ładowanie co 3 dni,
4. Laptop - pojemność baterii 50 Wh, ładowanie co 3 dni,
5. Kamera GoPro - pojemność baterii 6,6 Wh, ładowanie codziennie.

Na tej podstawie policzyłem dobowe zużycie energii [A * V * h = Wh]:

1. Oświetlenie nawigacyjne: 0,25 * 12 * 10 = 30 Wh,
2. AIS: 0,25 * 12 * 12 = 36 Wh,
3. Radio VHF: 0,1 * 12 * 12 = 14,4 Wh,
4. Oświetlenie wewnętrzne: 0,08 * 12 * 3 = 2,88 Wh,
5. Głośnik bt: 5,2 Wh,
6. Smartfon: 17,33 Wh,
7. Tablet: 8,3 Wh,
8. Laptop: 16,7 Wh,
9. Kamera GoPro: 6,6 Wh.
   

Sumaryczne zużycie energii jest w zaokrągleniu równe 138 Wh, co oznacza, że na pierwszym etapie nie można sobie na to pozwolić! Albo zmniejszę zużycie energii, albo będę coraz mocniej rozładowywał akumulator. Ja rozwiążę to tak, że na pierwszym etapie zrezygnuję z laptopa i tableta. 

Oczywiście, może się zdarzyć, że wszystkie dni będą słoneczne lub wszystkie będą pochmurne i wówczas będę wdrażał tryby oszczędzania energii w zależności od potrzeb.

Pojemność akumulatora

Pozostała jeszcze jedna rzecz do policzenia - pojemność akumulatora. Do tego zakładam, że mogą wystąpić trzy dni bez słońca z rzędu - dla uproszczenia zakładam całkowity brak ładowania. Pojemność akumulatora powinna zabezpieczyć wyliczone zapotrzebowanie na ten okres. Policzmy:

138 Wh * 3 = 414 Wh

Przeliczmy to na Ah dla ułatwienia obliczeń:

414 / 12 = 34,5 Ah

Tyle energii wyciągnę z akumulatora przez trzy dni. Żeby akumulator się nie uszkodził na skutek zbyt głębokiego rozładowania, nie można rozładowywać głębiej niż:

• dla kwasowych (w tym AGM): 50% pojemności,
• dla LiFePO4: nawet do 100%, ale dla większej żywotności przyjmijmy 90%

Tak więc docelowa pojemność akumulatorów nie powinna być mniejsza niż:

• dla AGM: 34,5 / 0,5 = 69 Ah,
• dla LiFePO4:  34,5 / 0,9 = 38,3 Ah.

I to by było na tyle. Mam nadzieję, że komuś przydadzą się te moje wywody. Jest to szablon, dzięki któremu można zrobić bilans energetyczny, podstawiając swoje dane. 

PS. Na koniec mała porada

Przeglądając różne oferty paneli fotowoltaicznych, szczególnie na chińskich portalach, normą jest, że sprzedawcy zawyżają moc paneli. Na szczęscie łatwo to zweryfikować, licząc powierzchnię panelu. 

Wydajność paneli słonecznych jest zróżnicowana w zależnośći od technologii i obecnie najbardziej sprawne są panele monokrystaliczne (czarne), które mają sprawność 20 do maksymalnie 22%. Jeśli chcemy kupić panel o mocy 50W, to musimy policzyć, jaka powinna być jego powierzchnia. Obliczenia wyglądają tak:

Standardowe natężenie promieniowania słonecznego: 1000 W/m2.

Przy maksymalnej sprawności 22% oznacza to, że z każdego metra kwadratowego panelu możemy uzyskać 220 W. Aby uzyskać 50 W, powierzchnia panelu powinna wynosić:

50W / (1000 W/m2 * 0,22) = 0,227 m2

Dla porównania, panel o wymiarach 50 cm × 45 cm ma powierzchnię 0,225 m2, co jest bardzo bliskie tej wartości. W rzeczywistości oprócz samego ogniwa jest jeszcze ramka, co dodatkowo powiększa rozmiar. 

Jeżeli w ofercie widzimy "panel 50 W", ale jego wymiary są znacząco mniejsze (np. 30 cm × 30 cm = 0,09 m2), to oznacza, że jego realna moc jest zawyżona i faktycznie może mieć jedynie około 20 W.

I ostatnia rzecz - regulator. Mamy tanie regulatory PWM i droższe MPPT.

Regulator MPPT ma sprawność na poziomie 97-98%, ponieważ dynamicznie dopasowuje napięcie i prąd, aby maksymalnie wykorzystać moc paneli.

Regulator PWM działa mniej efektywnie, ponieważ obniża napięcie paneli do poziomu akumulatora, co powoduje straty energii. Sprawność regulatora PWM zależy od różnicy między napięciem paneli a napięciem akumulatora, ale zazwyczaj wynosi około 75-80%.

To oznacza, że MPPT może dostarczyć nawet 30% więcej energii do akumulatora niż regulator PWM w typowych warunkach. Warto wziąć to pod uwagę, projektując instalację na jacht.

Ja póki co mam zakupiony regulator i panel.