Solarno plovilo – baterijski pogon plovila
BN 258Koncept električnog sustava plovila “Teredo Navalis” sukladno uvjetima organizatora natjecanja temelji se na ekološkoj održivosti i energetskoj neovisnosti plovila. Zahtjev ekološke održivosti ispunjen je tako što plovilo ne ispušta CO2 u atmosferu. Zahtjev neovisnosti ispunjava se tako što je jedini dopušteni izvor energije za vrijeme natjecanja sama sunčeva energija iz fotonaponskih modula koji ne smiju zauzimati više od 6 m2 i energija pohranjena u bateriju kapaciteta do 1,5 kWh, a baterija ne smije imati veći napon od 60 V.
U više prethodnih članaka opisani su izazovi projektiranja i gradnje trupa rekreativnog plovila za utrke "TEREDO NAVALIS” nastalo u Udruzi primijenjenih tehničkih znanosti iz Rijeke (Ljubomir Pozder i PetarTopljak s članovima udruge, vanjskim suradnicima sponzorima i podupirateljima). Nakon prošlogodišnjeg uspjeha s plovilom "Delta One” ekipa se odlučila za korak dalje. Poučeni iskustvom valjanja uskog plovila na natjecanju na otvorenom moru ispred luke kneževine Monako, odlučili su se za novi „M" oblik trupa. Plovilo s M-trupom stvara pramčani val kao i svako plovilo, ali taj val odmah hvata svojim krutim bočnim rubovima, tjerajući ga da spiralno kruži kroz tunele trupa. Ondje se miješa s ulaznim zrakom kako bi se stvorio jastuk koji gura trup iznad fluida, stvarajući hidrodinamički i aerodinamički uzgon, koji pak smanjuje otpor i povećava brzinu. M-trup eliminira ograničenja brzine poludeplasmanskih plovila što je veliki napredak u dizajnu trupa jer što je veći tlak u tunelima trupa, brod se više izdiže iz vode, brže ide i ima manji gaz. Novi oblik je bio ključ inovacije za natjecanje u ovoj godini.
Plovilo je ukupne duljine 6,83 m, širine 1,3 m, izrađeno tehnologijom vakuumske infuzije u ženskom kalupu, slika 1. Vakuumska infuzija jedan je od najčešće korištenih postupaka gradnje plovila koje ima brojne prednosti pred ručnim dodirnim postupkom. Pruža mogućnost točnog održavanja omjera smole i ojačanja u laminatu. Pri klasičnom laminiranju gdje se smola nanosi ručno, količina smole ovisi o ljudskom faktoru.
Slika 1. Solarno plovilo na baterijski pogon
Pri kraju gradnje najzahtjevniji dio opremanja i gradnje plovila podrazumijeva centriranje i montažu pogonskog motora tj. azimuth propulzora i pripadajućih ojačanja strukture, sustava upravljanja, cjevovoda za hlađenje i ventilaciju i automatske kaljužne pumpe. Azimuth propulzor solarnog plovila sastoji se od sklopa strujnog tijela, nosača motora s prihvatom na strujno tijelo s utorima za hlađenje, 3D printane kape i osovine koja je zavarena na gornji prihvat strujnog tijela. Motor je potrebno ugraditi unutar nosača te ga je potrebno vijcima fiksirati unutar sklopa koji se zatvara s 3D printanom kapom koja je i nosač motora. Sustav upravljanja napravljen je sistemom Dyneema konopa debljine 3 mm, većeg kolotura montiranog na osovinu propulzora, te manjih kolotura i vodilica unutar pregrada , kliznih ležajeva, zatezača low friction ringova, zatezača konopa, pužnice za zatezanje i zakretanje propulzora. Oni su fiksirani na osovinu volana koja je oslonjena unutar dva teflonska ležaja unutar potpalubne strukture tj. ojačanja. I tu nekako „prestaje mehanika" i „počinje struja"!
Osnovna ograničenja na elektro opremu
Koncept električnog sustava plovila "Teredo Navalis” sukladno uvjetima organizatora natjecanja temelji se na ekološkoj održivosti i energetskoj neovisnosti plovila. Zahtjev ekološke održivosti ispunjen je tako što plovilo ne ispušta CO2 u atmosferu. Zahtjev neovisnosti ispunjava se tako što je jedini dopušteni izvor energije za vrijeme natjecanja sama sunčeva energija iz fotonaponskih modula koji ne smiju zauzimati više od 6 m2 i energija pohranjena u bateriju kapaciteta do 1,5 kWh. Baterija nije smjela imati napon veći od 60 V. Ova ograničenja su za sve natjecatelje jednaka. Također propisana je sklopka za isključenje napajanja u slučaju hitnosti koja mora djelovati na isključenje baterije i fotonaponskih modula iz strujnog kruga.
Slika 2. Shema povezivanja elektro opreme za baterijski pogon plovila
Fotonaponski moduli i MPPT pretvarači
Električni sustav prikazan je na slici 2. Na palubi plovila smještena su dva polja fotonaponskih modula. Fotonaponski moduli imaju sljedeće podatke: dimenzije 1170 x 520 x 2.5 mm, broj ćelija 21, Pmax 123.90 W, Vmpp 12.78 V, Impp 9.69 A, Voc 14.76 V, Icc 10.18 A. Pramčano polje serijski spojenih 6 modula daje 744 W pri Vmpp naponu 76.7 V, a krmeno polje 5 serijski spojenih modula daje 620 W pri 64 Vmpp. Zajedno je to 1364 W u radnoj točki maksimalne snage i nazivnog osunčanja. Zbog različitih izmjera pramčanog i kremenog polja, koje daje različite napone nizova modula, optimalno upotrijebiti i dva MPPT regulatora punjenja, svaki niz fotonaponskih modula spaja se s jednim MPPT regulatorom. Ova dva regulatora pri prolasku snage kroz sebe prilagođavaju se tražeći radnu točku maksimalne snage pri nekom naponu baterije. Korišteni su Victron SmartSolar 100/20 MPPT-ovi. Izlazi MPPT-ova spojeni su preko releja i rastalnih osigurača na LFP bateriju. Ovi rastalni osigurači i nemaju neki smisao budući da je struja kratkog spoja modula tek neznatno viša od nazivne struje, tako da osigurači ne mogu štititi niti od kratkog spoja niti od preopterećenja, jer se niti kratki spoja niti preopterećenje kabela od izvora fotonaponskih modula ne može razlikovati od nazivnog rada. Oni bi mogli imati smisao jedino ako bi kratki spoj bio pogonjen iz baterije, ali tada je tu i class T rastalni osigurač odmah iza baterije.
LFP baterija
LiFePO4 ćelije korištene za izradu baterijskog sloga su LithiumWerks 26650 ANR26650M1-B. Njihova najveća struja pražnjenja je 50 A. Kako je organizator propisao i napon područje i kapacitet baterija, baterijski slog je riješen kao 14 serijski povezanih baterija što pruža radno područje napona od potpuno punih baterija pri 50,4 V do potpuno praznih s 35 V. Takvih 13 slogova spojeno je u paralelu, slika 3. Punjenje i pražnjenje baterija nadzirano je preko BMS-a (engl. battery management system). I baterija i odgovarajući spoj BMS s baterijama je dokaz da se i samogradnjom može do cilja.
Slika 3. Detalji izvedbe LFP baterije
U istom kućištu s baterijom na izlazu plus pola baterijskog sloga prisutan je class T rastalni osigurač s velikom prekidnom moći. On može u sebi prekinuti i do 22 kA struje kratkog spoja izlaza baterije, a da sam ne eksplodira. To je važno kako se pri prekidanju struje kratkog spoja ne bi stvorio električni luk koji može dovesti do zapaljenja okoline osigurača. LFP baterije imaju vrlo mali unutarnji otpor i stoga velike struje kratkog spoja, reda 10 do 15 kA. U nastavku na rastalni osigurač spojen je sigurnosni relej kojime se može isključiti bateriju iz strujnog kruga i pri nazivnom radu motora. Minus sabirnica baterije spojena je preko mjernog otpornika s ostatkom razvoda. Ovaj mjerni otpornik dio je Smart shunt uređaja preko kojeg se daljinski očitava u realnom vremenu stanje baterije. Povećani detalj spojnog dijela baterije prikazan je na slici 4.
Slika 4. Spoj LFP baterije prema instalaciji plovila0
Motor i motorski izmjenjivač
Propulzijski sustav izveden je kao azimutni potisnik s „pod" motorom. Proračun propelera, geometriju brodskog vijka i otpor na mirnoj vodi prorađen je u suradnji s dipl. inženjerom brodogradnje Matijom Vasilev iz tvrtke Ocean Pro Marine Engineers. Korišten je izmjenični sinkroni motor s permanentnim magnetima bez senzora (engl. sensorless brushless direct current, sensorless BLDC). Takvi motori se još nazivaju i elektronički komutirani motori. Istosmjerni izvor, baterija, preko poluvodičkih ventila u trofaznom izmjenjivaču utiskuje struju u trofazni statorski namot motora čije su osi namota prostorno pomaknute. Prostorni pomak položaja namota i vremenski pomak struja kroz namote stvara okretno magnetsko polje koje sinkrono slijedi rotor s permanentnim magnetima. Motorski izmjenjivač pak mora stvoriti struje po iznosu i vremenskom pomaku koje utiskuje u fazne namote tako da dobije željenu brzinu vrtnje okretnog polja, a time i željeni broj okretaja rotora. Iznosom struje motor ostvaruje zakretni elektromagnetski moment koji se predaje propeleru mehanički spojenom na osovinu rotora. Motorski izmjenjivač je u stvari zamjena za kolektor u istosmjernim motorima pa od tuda i naziv motora. Motorski izmjenjivač je uređaj kojim se precizno upravlja brzinom vrtnje osovine motora. Na upravljačkom sučelju postoje upravljački kontakti kojima se može izabrati unaprijed podešena brzina vrtnje motora.
Osnovni podaci motora su:
Tip: Maytech MTI65162 100 KV, najveća struja 300 A, nazivna snaga 8,9 kW, 100 okr/V, napon 25 do 126 V.
Osnovni podaci izmjenjivača:
Tip: Trampa VESC 100/250, izmjenjivač za pogon BLDC motora, 250 A trajno, najveća struja 350 A, do nazivnog ulaznog napona 100 V DC.
Slika 5. Motor i motorski izmjenjivač0
Na slici 6. može se primijetiti kako je oprema ugrađena u vodonepropusne kutije. Naravno taj je zahvat upravo suprotan potrebama hlađenja ovih uređaja, tako da je tu potrebno dovitljivosti kako bi se uređaj ohladili, a kako bi opet bili zaštićeni od grubih, morskih uvjeta u plovilu.
Daljinsko praćenje i ostala električna oprema
Slika 6. Smještaj opreme u nepropusne ormare
Za praćenje tijeka energije iz i u bateriju u sustav je ugrađeno nadzorno računalo Cerbo GX, proizvođača Victron Energy, slika 7. Ovo računalo se napaja na baterijskih 48 VDC. Kako se ono koristi? Cerbo GX je preko VE.Direct sabirnice spojen s oba MPPT regulatora i s mjernim otpornikom ispred baterije. Tako Cerbo GX ima uvid u svu energiju koja ulazi u bateriju i u svu energiju koja izlazi iz baterije. Također ima na sebi spojene temperaturne osjetnike koji su smješteni unutar baterijskog paketa i na kućište motora koji je smješten u čahuru azipoda.
Na samom plovilu spojen je i zaslon osjetljiv na dodir preko kojeg očitavamo stanje sustava i za vrijeme vožnje u plovilu. No još je važniji spoj Cerbo GX-a na GSM modem preko kojega se sve varijable prate daljinski na besplatnom VRM portalu. Svaki uređaj ima svoje varijable i one se spremaju u zadanom vremenskom ritmu i pamte 6 mjeseci. Ovo je izuzetno svojstvo pri analizi djelovanja sustava. Za vrijeme natjecanja to može biti korisno jer tim na obali može razrađivati taktiku za vozača, naime vozač u plovilu ima pravo na radio vezu s timom za vrijeme natjecanja. Na GX modem priključena je i aktivna GPS antena pa se tako može daljinski pratiti i vožnja plovila.
Ostala električna oprema plovila su primjerice releji koji nam služe za isključenje sustava prilikom mirovanja plovila ili primjerice kaljužna pumpa pri situacijama prodora mora. U ovom sustavu postoje tri releja, a za njihovo napajanje je iskorišten DC/DC pretvarač koji snižava napon baterije 48 VDC na radni napon svitaka releja 12 VDC. Jednaki releji su postavljeni u svaki pozitivni priključak nizova solarnih modula i pritiskom „gljive" prekidaju napajanje MPPT-ova iz fotonaponskih modula, a time i punjenje baterije. Treći relej prekida pozitivni pol motora i uzrokuje njegovo isključenje. Kaljužna pumpa radi na 12 VDC i ima riješeno automatsko uključenje ili isključenje preko plovka i izmjeničnog kontakta spojenog na plovak. Smještena je u najnižoj točki u plovilu kako bi se pravovremeno izbacivalo nakupljeno more.
Slika 7. Oprema za daljinski nadzor, upravljačko mjesto i kaljužna pumpa0
Zaključak
Ovdje koristim priliku zapisati kako je rad na projektu TEREDO NAVALIS prije svega bio užitak zbog silnog entuzijazma mladih ljudi u projektu. Činjenica da smo doprinijeli ma i najmanje u poticanju ekipe da se ne boji izaći na međunarodno natjecanje inovacija u brodogradnji Monaco Energy Boat Challenge pod pokroviteljstvom Princa Alberta II, ostavlja mir i neko tiho zadovoljstvo u duši. Znanje se ipak prenosi. Mogu na kraju ponovno čestitati električarskom timu UPTZ-a, Damiru i Stefanu koji su sve odradili oko struje i tek poželjeti da se nađemo opet na nekom zajedničkom projektu! Kakva je ovo bila škola! Zamislite koliko mjesta uz našu obalu bi moglo imati svoje natjecanje – kakva bi to bila atrakcija i poticaj mladima, zašto ne pokušati nešto slično?
