Energy management na palubě jachty (8. díl, hydrogenerátory)

Po dlouhé době se opět vracíme k sérii článků o výrobě elektrické energie na jachtě a podíváme se, jak můžeme využít vlastní rychlosti jachty pomocí hydrogenerátorů.

Dalšími točivými stroji, které mohou pomoci vyrovnat se se spotřebou elektrické energie, jsou hydrogenerátory. Principiálně se neliší od větrných generátorů, proto také existují i v duální formě, tzn. použitelné v proudu vody i vzduchu. O nich se ovšem zmíníme později. Nejdříve se podíváme na dedikované vodní typy.

Nedosáhly zatím takového rozšíření jako ostatní zdroje elektrické energie. I když mají svoje zásadní odpůrce, jejich počet neustále stoupá. Hlavním argumentem odpůrců je samozřejmě to, že negativně ovlivňují rychlost jachty (k tomu se ještě vrátíme). Pokud ale pro celou flotilu Volvo Ocean Race bylo jejich použití zcela v pořádku, tak nevím, co se na nich nelíbí.

Co to je?

Pro jednoduchost konstrukce bývá samotný generátor – nejčastěji synchronni, třífázový, bezuhlíkový s permanentními magnety – umístěn v pouzdře na konci výklopné nohy se šroubem (zde v roli turbínky) namontovaným přímo na hřídeli. Noha bývá typicky uchycena do závěsu na zrcadle.  Celé zařízení tedy vypadá jako elektrický přívěsný motor (a fakticky to i díky zaměnitelnosti funkce generátor/motor vlastně přívěsný motor být může). Samozřejmě existují i jiné konfigurace, jako třeba šroub na dlouhé hřídeli šikmo ponořené do vody, ty jsou ale spíše vlastní duálním generátorům. Vyrábějí se v různých „velikostech“ nejčastěji 100 W, 300 W a 600 W.

Pomalá nebo rychlá jachta

Pro výtlačné cruisery trávící většinu plavby v rozsahu rychlostí 4 až 9 uzlů se používají šrouby s pevnými lopatkami. Pro stejný generátor bývá na výběr z několik průměrů – většinou 200, 240, 280 mm – a tak si uživatel může vybrat větší šroub s potenciálně vyšším výkonem (a samozřejmě větším odporem), který je vhodný pro pomalejší a těžší jachty. Nebo menší, u kterého jsou obě hodnoty nižší a logicky se tedy hodí pro rychlejší a lehčí lodě.

Matematika

Výkon je přímo úměrný kinetické energii proudu vody, který přes turbínku proteče a kterou spočítáme jako E_k=1/2mv², kde m je hmotnost a v rychlost. Vidíme, že rychlost je ve vzorci v kvadrátu, takže dvojnásobné zvýšení rychlosti jachty (tedy i rychlosti proudu) zvýší množství použitelné energie čtyřikrát.

Rychlost se počítá

Hmotností vody rozumíme hmotnost objemu vody obsaženému ve válci, jehož průměr je roven průměru šroubu a výška se rovná vzdálenosti upluté jachtou za sekundu. Podíváme se na příklad jachty plující rychlostí 4 uzle se šroubem generátoru o průměru 280 mm. Hmotnost vody m, která přes šroub za sekundu „proteče“, se rovná objemu V=r²v krát hustota vody ρ (pro mořskou vodu počítáme 1025 kg/m³). Dosadíme si a zjistíme že m=130,2 kg. Využitelná energie E_k je tedy 276 J. Watt je 1 J/s, takže převedeno na výkon je k dispozici 276 W. Účinnost našeho zařízení bude kolem 20 %, takže můžeme počítat s výkonem asi 55 W a tedy dobíjecím proudem 4,6 A (počítáme zde s 12V soustavou).  Generátor nám tedy doplní baterie o 110Ah za 24 hodin.

Takový výkon nestačí ani na pohon autopilota, který má při dobře vytrimované lodi příkon kolem 100 W.

Jako druhý příklad vezmeme jachtu plující rychlostí 8 uzlů se šroubem o průměru 200 mm. Hmotnost vody je v tomto případě m=132,2 kg ale využitelná energie E_k=1122 J. Při stejné účinnosti máme tedy výkon 224 W. V reálu bude ale účinnost většího šroubu v nižších otáčkách vyšší než toho s opačnými parametry. I když se tedy spokojíme s 200 W, pořád máme proud 16,7 A. Uspokojíme tedy například potřeby autopilota a pořád můžeme baterie dobít o 200 Ah za den.

watt&sea

Pro lehké výkonně jachty jako jsou třeba MiniTransaty, Class40 nebo menší vícetrupé lodě u kterých je rozsah dosažitelných rychlostí mnohem vyšší, umožňuje výrobce watt&sea použít manuálně nastavitelné lopatky, určené pro rychlosti 5 až 25 uzlů.

Naprostým vrcholem je závodní karbonová řada opět od watt&sea s automaticky stavěnými lopatkami. Jak již bylo zmíněno, používala ji celá flotila posledního Volvo Ocen Race. Tyto generátory jsou schopny fungovat i při rychlostech přes 30 uzlů. To už je ale trochu mimo záběr běžného jachtaře.

Duální generátory

Trochu zvláštní, ale mezi cruisery poměrně populární kategorií jsou duální generátory. Jsou určeny k použití jak při pohonu větrem, tak vodou. Mají velmi rozdílné konstrukce, vždy je ale při změně média potřeba provést nějakou přestavbu spočívající minimálně ve výměně větrné turbínky za lodní šroub. Nejčastější varianta je ta, že samotný elektrogenerátor je umístěn ve výkyvném držáku na zrcadle nebo na záďovém koši (vždy mimo dosah vody) a z něho vede dlouhá hřidel, která se buď zvedne kolmo vzhůru s upevněnou větrnou turbínkou, nebo se sklopí šikmo do vody se šroubem.

Logika použití duálních generátorů je v tom, že na kotvě nebo v přístavu můžete využívat energii větru, zatímco za plavby energii generovanou pohybem jachty vodou. Mimo jiného trpí samozřejmě tím, čím většina univerzálních zařízení. Tedy poměrně komplikovanou konstrukcí a provozem. Také ani v jednom režimu nedosahují parametrů specializovaných strojů.

Vynikající možnost

A co závěrem? Podle mě patří dobře konstruované hydrogenerátory k tomu nejlepšímu, co můžeme na jachtě používat. Samozřejmě mají vliv na rychlost, ale většinou se jedná o zpomalení o zlomek uzle, maximálně o 0,5 v případě menších lehkých lodí. Použití na závodních lodích ukazuje, že v případě watt&sea je zpomalení zanedbatelné.

Nevyžadují takovou péči jake větrné generátory (samozřejmě neplatí pro duální zdroje), jsou mnohem tišší a  nezáleží u nich, jestli plujeme po větru, nebo proti větru. Stejně tak nezáleží na tom, jestli jsou osvícené sluncem (soláry). Nepotřebují palivo, jako palivové články a dieselgenerátory. V případě kotvení v proudu (oblast s výraznými přílivy a odlivy, ústí řek) nás mohou příjemně překvapit.  Na stranu negativ bych dal případné zpomalování lodě, možnost poškození plovoucími předměty a u špičkových modelů watt&sea i vysokou cenu.