Energy management na palubě jachty (7. díl)
K již zveřejněnému seriálu o zdrojích energie na palubách jachet přidáváme další díl. Tentokrát je za zdroj elektrické energie vybrán vítr.
Dalším možným zdrojem el. energie na jachtě je vítr. Jeho využití ale přináší několik specifických otázek. Jako první si uveďme nutnost údržby. V malých větrných elektrárnách se používají buď alternátory nebo elektrické motory. Oba tyto zdroje vyrábějí primárně střídavý proud, který ale v našem případě není přímo použitelný. Zaprvé máme nejspíše většinu spotřebičů stejnosměrných a za druhé se kvůli různé rychlosti větru mění jeho frekvence natolik, že je nepoužitelný.
Abychom ho mohli používat k nabíjení baterií, je třeba ho nejdříve přeměnit ve stejnosměrný a tedy ho usměrnit. V případě alternátoru se k tomuto účelu používají diody v případě motoru komutátor a uhlíky. Uhlíky se opotřebovávají poměrně značně a vyžadují po určité periodě údržbu a výměnu. Ale i elektrárna s alternátorem potřebuje pro svoji činnost ložiska, která časem podléhají opotřebení. Musíme totiž brát v úvahu, že elektrárna, pokud ji nebudeme sami zastavovat, poběží klidně ve větrném prostředí mnoho dní i 24 hodin denně.
Hluk
Další otázkou je úroveň hluku. Ze všech dostupných zdrojů energie jsou větrné ty zdaleka nejhlučnější. Bohužel se dá obecně uvést, že čím výkonnější zdroj, tím je hlučnější. Přístroje s větším počtem lopatek jsou obecně tišší a hluk je také větší při změně otáček než při stabilním chodu. Takže pokud chceme hluk minimalizovat, je třeba používat vícelopatkové elektrárny (zde můžeme situaci ovlivnit) v místech s co nejstabilnějším větrem ( což je zcela mimo náš vliv). Samozřejmě si na hluk do jisté míry dokážeme zvyknout, zvláště pokud nás těší představa elektrické energie tekoucí do baterií, ale nemůžeme spoléhat na to, že si rychle zvyknou všichni ostatní kolem nás.
Bezpečnost
Foto archiv
Stále nejčastějším místem instalace je vysoká tyč na zádi.
Poslední a velmi důležitou specifickou záležitostí je bezpečnost. Většina z nás si malou větrnou elektrárnu spojuje s představou malé vrtulky točící se někde na tyči na zádi, ale pozor, tato představa je poněkud mylná. Už 100W přístroj má průměr vrtule téměř metr a tento se samozřejmě se zvyšujícím výkonem také zvětšuje. Pokud vítr dosáhne rychlosti přes 30 uzlů, může dojít k několika nepříjemným událostem jako je například únavový lom a destrukce lopatky (což je tedy krajní a katastrofický scénář), zvýšenému namáhání a opotřebení mechanických částí (zvýšený hluk, vibrace) nebo ke vzniku příliš vysokého proudu a zničení regulátoru nabíjení. Všechna komerčně vyráběná zařízení mají nějaký mechanizmus pro omezení otáček a pro úplné zastavení. Je třeba perfektně chápat jak toto zařízení funguje, jak se ovládá a jak se kontroluje jeho funkčnost. V případě jeho nefunkčnosti nebo selhání se totiž můžete dostat do podobné situace, jako byste potřebovali zastavit vrtuli malého letadla rukou.
Výkon zdroje
Graf ukazuje exponenciální nárůst výkonu generátoru se sílícím větrem.
Můžeme ho jednoduše spočítat podle vzorce
P=K*E*D2*V3
Kde P je výkon ve wattech, K je koeficient rovný 0,0653, E je účinnost (můžeme počítat s 30% takže dosadíme 0,3), D je průměr vrtule a V je rychlost větru v uzlech. Výkon si také můžeme odvodit z kinetické energie proudícího média ale to si ukážeme až na příkladu hydrogenerátru. Vidíme zde, že průměr D je ve vzorci ve druhé mocnině.
Nejběžnější průměry vrtulí generátorů pro malá plavidla jsou 1 m nebo 5 stop (1,52 m). Pokud vezmeme průměr vrtule 1 m jako 100 % , tak při jeho zvětšení na 5 stop – tedy 1,52 m a 152 % - získáváme teoreticky 230 % výkonu. Rychlost větru je ve vzorci dokonce ve třetí mocnině. Zvýšení rychlosti větru z 8 uzlů na 10 uzlů asi sotva zaznamenáte, ale znamená zdvojnásobení výkonu elektrického zdroje. Takže větší průměr a vyšší rychlost větru jsou naši přátelé. Průměr vrtule samozřejmě nelze zvětšovat do nekonečna a většina aplikací pro malá plavidla se drží v rozmezí 1 - 1,5 m a použitelná rychlost větru většinou končí někde kolem 30 uzlů. Poté je potřeba otáčky brzdit nebo generátor zcela zastavit.
Výrobci udávají křivky výkonu a proudu v závislosti na rychlosti větru a my si zde pro ilustraci uvedeme příklad pro dvě rozdílné rychlosti. Řekněme si, že máme zdroj s vrtulí o ø 1,52 m a účinností 30 %. Při rychlosti větru 10 uzlů máme k dispozici výkon
P = 0,0653*0,30*1,522*103=45W
tedy ve 12 V soustavě máme k dispozici 45 W/12 V = 3,8 A dobíjecího proudu, což znamená, že tento zdroj ani při nepřetržitém větru nepokryje naši modelovou 100 Ah denní spotřebu. Pokud bude ale foukat 25 uzlů, je výkon teoreticky
P = 0,0653*0,30*1,522*253=707W
Prakticky se elektrárny vyrábí v nominálních výkonech 100, 300 a 600 W, takže pro uvedený teoretický výkon můžeme počítat s 600 W/12 V = 50 A proudu. Naši denní spotřebu tedy doplníme za pouhé dvě hodiny.
Kde kolik fouká?
V dnešní době důrazu na obnovitelné zdroje energie jsou dostupná data o průměrné rychlosti větru v různých ročních obdobích pro mnoho oblastí, a tak by nemělo být těžké spočítat, jaký příspěvek můžeme od své větrné elektrárny v daném místě v danou dobu očekávat. Někdy se dokonce údaje o větru udávají ne jako rychlost, ale jako výkon ve wattech na m2. Potom můžeme předpokládaný výkon zdroje spočítat jako plochu kterou opisuje vrtule krát účinnost krát výkon větru.
Proti větru, po větru a kotvení
Při teoretickém výpočtu výkonu elektrárny podle síly (nebo výkonu) větru v dané lokalitě je ale třeba brát v úvahu dva faktory. Zaprvé - při plavbě proti větru můžeme počítat s rychlostí větru vyšší než je udávaná, při plavbě po větru ale samozřejmě s nižší. Do výpočtu to ale asi zahrnout nedokážeme. Mnohem důležitější je druhý faktor. Pro kotvení vždy logicky hledáme místa v závětří, a pro dobu pobytu na nich tedy nemůžeme počítat s průměrnými údaji pro danou lokalitu.
Generátor ano, či ne
Foto archiv
Někteří volí kombinaci více zdrojů.
Jak tedy větrnou elektrárnu vybírat? První komplikovaná úvaha míří k tomu, jestli je pro nás vůbec vhodná. Jako v případě solárních panelů se jedná hlavně o počáteční investici, takže čím větší část roku na lodi trávíme, tím je pro nás vhodnější. Na rozdíl od panelů se ale nejedná o případ „namontuj a zapomeň“, přece jenom vyžaduje jistou pozornost a údržbu. Já osobně jako nejvíc limitující faktor považuji skutečnost, že s čistým svědomím nelze opustit loď s nezastavenou nebo neodmontovanou větrnou elektrárnou na delší dobu bez dozoru. Riziko problémů při velmi silném větru je opravdu reálné.
Pokud se ale rozhodneme, že energie z větru je pro nás to pravé, tak vybíráme výkon podle předpokládané denní spotřeby elektrické energie a údajích o větru v lokalitě použití (mějme na paměti, že zbytečně velký zdroj je dražší a hlučnější). Vzpomeneme si také na to, že větší počet lopatek zajišťuje tišší chod. Co se týká umístění, tak samozřejmě čím výše tím lépe. Často se doporučuje umístění na bezánový stěžeň, který ale valná většina jachet nemá (a stejně je ideální schopnost otáčení o 3600, které umístění na stěžni neumožňuje), takže nakonec většinou skončíme na tyči na zádi. Elektrické zapojení je podobné jako u solárů. Tedy regulátor a ochrana proti zpětnému toku a proti přebíjení baterií. K ekonomickým aspektům se dostaneme až v závěrečném porovnání všech dostupných zdrojů, které teprve připravujeme.
5814