KATAMARAN ENERGA SOLAR ZASILANY ENERGIĄ SŁONECZNĄ

Transkrypt

1 KATAMARAN ENERGA SOLAR ZASILANY ENERGIĄ SŁONECZNĄ Dr inż. Wojciech Litwin, Politechnika Gdańska, Wydział Oceanotechniki i Okrętownictwa, ul. Narutowicza 11/12, Gdańsk, tel , . wlitwin@pg.gda.pl 1. WSTĘP Koło Naukowe Studentów na Wydziale Oceanotechniki i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej KORAB działa od wielu lat, w ostatnim jednak czasie studenci w nim zrzeszeni wykazali się wysoką aktywnością. W ciągu dwóch ostatnich lat zbudowali dwie łodzie napędzane siłą mięśni, które z sukcesem wystartowały w międzynarodowych regatach International Waterbike Regatta. Postanowiono też zbudować jednostkę pływająca mogącą wziąć udział w międzynarodowych regatach łodzi zasilanych energią słoneczną Frisian Nuon Solar Challenge, które miały się odbyć w Holandii latem 2006r. Budowa łodzi, której jedynym źródłem energii służącej do napędu miały być ogniwa fotowoltaiczne była złożonym i kosztownym przedsięwzięciem. Na szczęście dzięki pomocy finansowej uczelni oraz sponsorów udało się w krótkim czasie zbudować katamaran. 2. REGATY FRISIAN NUON SOLAR CHALLENGE Pierwszym krokiem, jaki wykonał zespół było staranne zapoznanie się z przepisami regat. Przeszło dwudziesto stronicowy regulamin był bardzo rozbudowany i niezwykle szczegółowy. Narzucał maksymalne gabaryty łodzi, jej masę i liczbę członków załogi. Określał nawet minimalną wagę członka załogi, którą ustalono na siedemdziesiąt kilogramów. Organizatorzy stworzyli trzy odrębne klasy łodzi: Klasa A - jednoosobowe o masie bez ogniw słonecznych, nie większej niż sto kilogramów oraz długości maksymalnej do sześciu metrów, Klasa B - dwu osobowe o masie bez ogniw słonecznych, nie większej niż sto pięćdziesiąt kilogramów oraz długości maksymalnej do ośmiu metrów, Klasa otwarta jednostki o maksymalnej długości ośmiu metrów bez innych ograniczeń. Ponieważ strona holenderska zasugerowała, że najsilniej obsadzona będzie klasa A postanowiono zbudować łódź jednoosobową spełniającą wymogi tej kasy. Zespół miał problem z pozyskaniem środków na budowę łodzi. Tak jak w przypadku katamaranu GEORGE napędzanego siłą mięśni budowę finansowo wsparł Rektor Politechniki Gdańskiej oraz Dziekan Wydziału Oceanotechniki i Okrętownictwa. Niezmiernie ważne jednak było znalezienie strategicznego sponsora. Ostatecznie głównym sponsorem został koncern energetyczny ENERGA SA. Aby wziąć udział w regatach należało spełnić szereg warunków. Między innymi organizator wymagał, aby udostępnić mu dokumentację łodzi oraz schemat instalacji elektrycznej. Budziło to pewne obawy, czy chodzi tylko o bezpieczeństwo załóg czy również o zdobycie doświadczenia na podstawie zgłoszonych konstrukcji. Bardzo istotny był fakt, że dzięki pomocy firmy SHARP każda z ekip wyposażona została w taką samą liczbę jednakowych ogniw słonecznych. Zostały one wypożyczone zespołom i musiały zostać zwrócone po regatach. Jednak dzięki temu wszystkie ekipy miały jednakowe źródło energii, co przy często ograniczonych budżetach załóg, miało duże znaczenie i wyrównywało szanse ekip, ograniczonych finansowo.

2 W klasie A źródłem energii elektrycznej było sześć paneli, których moc zależała od nasłonecznienia i mogła sięgnąć blisko 600W. Organizator dopuszczał magazynowanie energii w akumulatorach jednak ich pojemność była ograniczona do około 40Ah przy napięciu 24V. Nie można ich było doładowywać z brzegu, a jedynym źródłem energii miało być słońce. Organizator przykładał dużą wagę do bezpieczeństwa, dlatego każda z jednostek musiała być wyposażona w gaśnicę, pompę do usuwania wody z kadłubów, awaryjny wyłącznik instalacji elektrycznej ( death man switch ) itd. Zaplanowana trasa wyścigu biegła kanałami Holandii. Podzielono ją na sześć etapów a jej całkowita długość wynosliła dwieście trzydzieści kilometrów. Projektując łódź trzeba było pamiętać, że musi ona mieć wystarczającą trwałość i niezawodność, aby sprostać trudom kilkudniowej żeglugi w różnych warunkach atmosferycznych. 3. PROJEKTOWANIE I BUDOWA ŁODZI Podobnie jak w przypadku projektowanego wcześniej katamaranu GEORGE zespół dość długo dyskutował nad koncepcją łodzi. Pewne było, że do napędu zastosowany zostanie pędnik azymutalny. Zespół miał już pewne doświadczenia z łodziami o podobnej masie i mocy napędu. Dlatego znając zalety katamaranu oraz konieczność umieszczenia sześciu paneli o masie zbliżonej do masy łodzi bez wahania postanowiono zbudować jednostkę dwukadłubową. Problemem było zdobycie odpowiednich kadłubów gdyż firma, która podjęła się ich wykonania wycofała się w ostatniej chwili. Kadłub stosowanej dotychczas typowej kanadyjki okazał się za krótki a jego wyporność była niewystarczająca. Wkrótce zdecydowano się na sześciometrowe kadłuby jednego z typowych katamaranów żaglowych. Po krótkich negocjacjach z jednym z producentów zamówiono dwa kadłuby z laminatu poliestrowego. W celu ograniczenia ich wagi, grubość laminatu była minimalna, zrezygnowano też z oryginalnych ciężkich pokładów. Problemy z szybkim uzyskaniem kadłubów uniemożliwiły ostateczne zaplanowanie i wykonanie ramy gdyż nie możliwe było wyznaczenie środka wyporu niezbędnego do optymalnego rozmieszczenia ogniw fotowoltaicznych oraz pozycji sternika. Dwa miesiące przed regatami opóźnienia związane z budową ramy i kadłubów zwiększyło się. Większą część czasu poświęcono próbom i modernizacją katamaranu GEORGE przed regatami International Waterbike Regatta, które odbyły się w połowie maja w Tureckim Stambule. Do pracy nad łodzią zasilaną energią słoneczną wrócono dopiero pod koniec maja, kiedy do dnia wyjazdu na regaty pozostały tylko cztery tygodnie. Sytuację pogorszył jeszcze fakt, że zbliżała się sesja egzaminacyjna i studenci mieli coraz mniej czasu na pracę przy budowie łodzi. Jednak mimo komplikacji rama i kadłuby powstały na czas. Do napędu katamaranu posłużył zaprojektowany wcześniej pędnik azymutalny. Od samego początku, gdy rozpoczęto projektowanie łodzi rozważano dwie odmienne koncepcje jego konstrukcji. Tak, jak ma to miejsce na prawdziwych statkach można było zamontować silnik elektryczny w gondoli, poniżej linii wodnej i zastosować napęd bezpośredni lub też napędzać śrubę poprzez przekładnię kątową i pionowy wał napędowy, a silnik zamontować powyżej kolumny pędnika. Badania silnika elektrycznego na specjalnie zbudowanym stawisku testowym wykazały, że korzystne będzie zastosowanie przekładni redukującej prędkość obrotową. Niestety pędnik azymutalny z napędem bezpośrednim był już gotowy i jego modernizacja nie wchodziła w grę (rys. 1). Zaczynało brakować czasu i pieniędzy. Dlatego pośpiesznie zlecono wykonanie podzespołów pędnika z wałem pionowym, specjalnie zakupiono też przekładnię kątową o połowę redukującą prędkość obrotową.

3 Rys. 1. Uproszczony rysunek złożeniowy pędnika azymutalnego z silnikiem zamontowanym w gondoli; 1 opływka, 2 obudowa silnika, 3- silnik napędowy, 4 wał ze stali nierdzewnej z parą łożysk tocznych, 5 druga część gondoli pędnika z gniazdami łożysk tocznych, 6 śruba napędowa Rys. 2. Uproszczony rysunek złożeniowy pędnika azymutalnego z wałem pionowym; 1 gniazdo dodatkowego łożyska podpierającego wał, 2- wydłużony wał ze stali nierdzewnej, 3 dodatkowe łożysko toczne podpierające wał, 4 zmodernizowana przekłądnia kątowa, 5 pionowy wał napędowy, 6 kolumna pędnika wraz z łożyskowaniem i tarczą mechanizmu obrotu, 7- korpus mechanizmu obrotu, 8 silnik napędowy

4 Aby zmniejszyć opory, jakie stawiał pędnik w wodzie przekładnię poddano identycznym sprawdzonym już modernizacjom jak w układzie napędowym katamaranu GEORGE, czyli zrezygnowano z połączenia kołnierzowego gondoli z kolumną pędnika oraz odsunięto śrubę napędową od przekładni (rys.2). Do napędu pędnika zastosowano nietypowy trójfazowy silnik elektryczny z magnesami stałymi zawierającymi neodym. Dzięki jego znacznej średnicy i dużej gęstości pola magnetycznego wytwarzanego przez magnesy stałe ziem rzadkich miał on znaczny moment obrotowy. Mimo niewielkiej masy 680 gramów jego moc sięga blisko 2kW. Testy na stanowisku badawczym wykazały, że silnik pracował poprawnie w zakresie przewidywanych prędkości obrotowych pracy. Przewidywano, że podczas regat silnik będzie pracował na poziomie W. Niestety podczas testów okazało się, że występują problemy ze sterownikiem silnika, który przegrzewał się. Zastosowany sterownik zasilany ze źródła prądu stałego, jakim były akumulatory wytwarzał trójfazowy prąd przemienny służący do zasilania silnika. Sprawność takiego urządzenia była dość wysoka i mogła wynosić nawet około 90%. Mimo tego pracy sterownika towarzyszy wydzielanie się znacznych ilości ciepła. Konstrukcja przetwornika, który był pakietem złączonych płytek drukowanych z gęsto rozmieszczonymi tranzystorami mocy utrudniała wymianę ciepła, a wzrost temperatury powodował włączenie się zabezpieczenia termicznego, które wyłączało przetwornik do czasu, gdy temperatura się obniży. Rozważano zakup innego typu sterownika, ale zaczynało brakować czasu. Dlatego zakupiony wcześniej sterownik poddano modernizacji. Pakiet płytek rozdzielono na trzy oddzielne segmenty i naklejono na radiator wyposażony w wentylator. Rozwiązanie okazało się skuteczne i sprawdziło się podczas regat(fot. 1). Fot. 1. Przetwornik pradu stałego w trójfazowy prad przemienny, w obudowie regulator po modernizacji, po prawej stronie przed przed modernizacją Jednym z koniecznych do spełnienia warunków, aby wziąć udział w regatach, było wmaganie przesłania organizatorom schematu instalacji elektrycznej, która jeszcze przed samymi regatami podlegała wnikliwej kontroli. Pożary dwóch jednostek spowodowany przeciążeniem instalacji wykazał, że było to konieczne. Instalacja elektryczna katamaranu

5 bazowała na dwóch połączonych szeregowo żelowych akumulatorach o napięciu 12V każdy. Były one umieszczone po jednym w każdym z kadłubów. Po lewej stronie sternika znajdowała się skrzynka, w której znajdowały się wszystkie układy elektroniczne i elektryczne (rys. 3). Wyjątkiem był przetwornik sterujący silnikiem, który umieszczono zaraz przy silniku napędowym. Pierwotnie zaplanowano, że w przypadku awarii układu napędowego będzie istniała możliwość szybkiej zmiany wartości napięcia w instalacji z 24 do 12V. Zabieg taki umożliwiłby zainstalowanie typowego silnika zaburtowego stosowanego do napędu małych łodzi. Jednak próby wykonane na basenie modelowym Centrum Techniki Okrętowej w Gdańsku udowodniły, że prędkość jednostki wyposażonej w silnik zaburtowy o mocy około 300W jest znikoma i zrezygnowano z takiego rozwiązania. Rys. 3. Schemat elektryczny katamaranu ENERGA SOLAR; 1- przetwornik DC/AC, 2 moduł sterujący ładowaniem akumulatorów, 3 bezpiecznik i włącznik odniw fotowoltaicznych, 4 bezpiecznik i włącznik akumulatorów, 5 bezpiecznik i włącznik ładowania akumularów, 6- urządzenia do mierzenia mocy wytwarzanej przez ogniwa fotowoltaiczne, 7 - urządzenia do mierzenia mocy silnika, 8 włącznik główny oraz tak zwany death man switch.

6 Do napędu jednostki zastosowano specjalnie zaprojektowaną i wykonaną w Centrum Techniki Okrętowej śrubę napędową. Podczas budowy katamaranu starano się jak najwięcej zredukować jego wagę. Mimo to przekroczono dopuszczalną wagę o blisko piętnaście kilo. Liczono się z tym, że organizator ukarze zespół poprzez dodanie tak zwanych karnych minut. Ostatecznie organizatorzy uznali, że nadwaga szkodzi samym uczestnikom ograniczając możliwości łodzi i nie przyznano żadnej kary. Tydzień przed regatami dwukrotnie poddano łódź próbom na wodzie. Testy wypadły pozytywnie. Łódź była szybka i niezwykle zwrotna. Nadano jej imię ENERGA SOLAR. 4. START W REGATACH Fot. 2. Testy napędu w Centrum Techniki Okrętowej w Gdańsku Prace trwały do dnia wyjazdu. Mimo pewnych komplikacji udało się dojechać na czas na regaty. Łódź została dopuszczona do regat po wnikliwej kontroli technicznej.

7 Fot. 3. Katamaran ENERGA SOLAR podczas regat Sześć dni wyścigu pełne były dramatycznych momentów. Co najważniejsze wyścig udało się ukończyć mimo drobnych problemów technicznych. Niestety organizator przyznał karę zespołowi za wprowadzenie modernizacji w układzie elektrycznym. Kara ta przekreśliła szanse na zajęcie miejsca na podium i ostatecznie zespół sklasyfikowano na siódmym miejscu na czternaście łodzi w klasie A.