Солнце, ветер и вода ver 0.1

в 14:42, , рубрики: расчет мотора, солнечная энергия, транспорт, физика, электрический транспорт, Энергия и элементы питания, яхта

Сезон первый

Переживем кризис вместе… — на яхте.
(С) мой друг

Статья о выборе минимально необходимого двигателя на яхту.

Шаг первый — с чего все началось

Примерно в середине 2014 года, когда стало понятно, что кризис будет весьма затяжной, снова пришло время верстать собственный антикризисный план. Ну чтобы не получилось как в известном фильме — «кризис это когда не хочется хотеть чего то хотеть», а было много-много интересных часов. В поле моего зрения попал яхтинг. На тот момент мои познания в этом вопросе были на уровне детского сада, когда мы делали кораблики из скорлупы грецкого ореха и пускали их в лужах. Я даже не знал, есть ли у меня морская болезнь. :-) Но, сказано — сделано. Тема есть, начинаем верстать план мероприятий.

Перво наперво надо бы где то поучиться. Поговорил с яхтсменами. Все они учились в ДЮСШ еще во времена СССР. Все наперебой давали советы, что надо сперва поехать в Турцию и брать разные яхты в чартер, и учиться прямо на практике. Ну а прямо сейчас можно за скромные деньги «взять вот прямо эту и прямо здесь у меня». Ну их можно понять — для них это бизнес. Мы пойдем другим путем.

Решено было учится в частной школе и получить дополнительное образование «рулевой парусного судна», сдать экзамены и получить права ВФПС. Весь процесс обучения идет неторопливо по вечерам и в выходные. 72 часа теории + практика занимает более 4 месяцев. Информации достаточно чтобы начать выбирать яхту осознанно и самому ею управлять.

Шаг второй — выбор яхты

Надеюсь, что мой алгоритм выбора поможет другим:

  1. Определиться с режимом использования яхты:
    — Отдых, не отходя от причала;
    — Прогулки одного дня — утром вышел, вечером вернулся;
    — Прогулки выходного дня — условно с пятницы по понедельник;
    — Морские путешествия — один, два или три за сезон длительных похода.
  2. Определиться с минимальной и максимальной акваторией плавания
  3. Определиться с возможностями зимнего хранения.

Вот пожалуй и все. Остальное, типа размеров, вместимости и прочего само собой решится. Посмотрим!

Мой выбор использования:

  1. Прогулки выходного дня с длительностью до недели. Такой выбор определяет наличие на борту туалета (гальюна), кухни (камбуза), освещения, удобных спальных мест для всей семьи и достаточно места для припасов. Сразу стало понятно, что судно будет не маленькое. По описанию — московская однушка 11 кв.м.
  2. Минимальная акватория — таганрогский залив и низовья Дона — чтобы путешествовать не только по фарватеру надо иметь осадку не более 1 метра (по пояс). Максимальная акватория — Черное море. На самом деле Азовское море более коварное в плане судоходства. Надо иметь высокие борта, хорошую остойчивость (тяжелый киль) и мощный стационарный мотор для аварийных случаев. Обычно в Азовском море длина волны около 4 -5 м, а высота 1,5 — 2 м. На судне меньшей длины (чем длина волны) можно будет с успехом тренировать космонавтов. Оно будет повторять все контуры волны и будет крутить и швырять свою команду с максимальными «космическими» перегрузками.
  3. Зимнее хранение в яхт клубе, без перевозки по автодорогам. Очень важный показатель. Он просто «развязывает руки» на увеличение габаритов судна в ширину. Это прежде всего удобные спальные места и во вторую очередь хорошая остойчивость.

Дальше открываем свой кошелек и интернет и начинаем подбор по параметрам из представленных в продаже вариантов. Длина больше 7 метров это яхты больше 24 футов. Осадка менее 1 м это яхты менее 28 футов. Швертботы и компромисы не рассматриваем по соображения остойчивости и практичности обслуживания в нашем «зеленом» море. Кто найдет больше трех вариантов — тот молодец.

Хочу заметить еще один нюанс, тут так же как в квартирах и машинах, на обитаемость влияет степень «квадратности». Т.е., каждые лишние 10 см ширины будут существенно увеличивать обитаемость и комфорт на борту.

Я выбрал: яхта 25 футов, ширина 3 м, высота борта 1 м, спальных мест 6, осадка 0,9 м — двухкилевая для уменьшения боковой качки и с возможностью установки мотора. Конкретного места для него на яхте по умолчанию нет.

Пока выбранная яхта строится на верфи начинается шаг третий.

Солнце, ветер и вода ver 0.1 - 1

Шаг третий — транспортировка до места использования

Транспортировка негабаритных грузов это важнейшая кормушка для ДПС, потому автоперевозка исключена, будем гнать своим ходом.

Забавно, но в нашей стране права ВФПС дают право пользоваться парусом, но не лодкой. Новая непредвиденная задача — получить права на лодку. Сдаю тот же экзамен, но теперь в ГИМС.

Перегон яхты по низовьям Дона без мотора превращается в забавный квест даже для опытного капитана. Надо решать вопрос с мотором и, желательно, с минимальным бюджетом.

Шаг четвертый. Подбор мотора

Критерии выбора:

Временное решение

  • Бюджет — до 15 т.руб;
  • Предел автономности — хотя бы 10 миль;
  • Скорость — чтобы можно было управлять судном — больше 1,5 узлов;
  • Подвесной.

Постоянное решение

  • Стационарный;
  • Предел автономности — больше 20 миль;
  • Скорость — до 5 узлов.

Ну на постоянное решение денег нет, оставлю это на будущее. Пока сосредоточусь на минимуме.

Что мне потребуется.

Габаритный чертеж корпуса яхты. Высокая точность не имеет значения. Можно взять из паспорта судна или вообще из рекламного буклета.

Скачиваю замечательный свободный софт freeship.

По проекциям из габаритного чертежа отрисовываю в программе профиль корпуса и получаю буксировочную характеристику.

Солнце, ветер и вода ver 0.1 - 2Солнце, ветер и вода ver 0.1 - 3

Поразительно, но для выполнения минимальных требований достаточно мотора мощностью менее 100 Вт, это же меньше 1/7 лошадиной силы! Тут любой моторчик подойдет! Но Дьявол кроется в деталях.

Двигаясь по пути поиска минимального мотора я вынужден отказаться от высокооборотистых бензиновых «косилок». Зависимость мощности бензинового двигателя от оборотов описывается ниспадающей параболой с точкой максимума примерно на 5500-6000 оборотов в минуту. Уже на 3500 оборотах в минуту мощность падает вдвое, а на 1000 еще вчетверо. На низкомощных моторах установлен редуктор 2,25:1, винт диаметром около 20 см. От 2700 оборотов в минуту ничего, кроме шума и пузырей, ожидать нельзя. Примерный расчет мощности двигателя можно провести по следующей формуле:

$ N=0,4*D^4*n^2*va=1,4 л.с.,$

КПД составит всего 10%.
Нужно что-то низкооборотистое, тихое и не вонючее.
Решение оказалось простым и изящным — китайский электрический мотор для троллинга. Китайцы учились в наших ПТУ на электриков, потому регулировка оборотов мотора происходит подключением последовательного сопротивления 0,4 или 0,8 Ом, или оба вместе. Максимальные обороты винта всего nmax=1300 в минуту. КПД среднестатистического двигателя постоянного тока обычно находится в пределах 85%. Так как обороты регулируются ступенчато, то расчет надо производить отдельно для каждой скорости.

Ручку мотора я удалю, все равно до нее нельзя дотянуться. Провода выведу в блок управления двигателем (БУД).

С помощью простой методики определяю параметры винта. Иду в магазин с веревочкой и линейкой и выполняю простые измерения — шаг винта равен $H=2πr·(h/l)$:

Солнце, ветер и вода ver 0.1 - 6

Измеренные параметры винта китайского лодочного электромотора: D=0,24м; H=0,106м.

Диаметр винта всего 24 см и потому КПД такого двигателя на тяжелой яхте тоже не космос. Попробую оценить насколько.

Воспользуюсь расчетом из статей (“Расчет основных элементов катерных гребных винтов” журнал “Катера и яхты” 1/1963 и “Что надо знать о гребном винте?” “Справочник по катерам, лодкам и моторам. под редакцией Г.М.Новака”), поставив туда значения и размеры троллингового мотора. Точность конечно будет невелика, ведь аргументы не попадают в краевые условия расчета. Но для оценки надеюсь подойдет.

Для каждой скорости мотора надо проводить расчет-подстановку до тех пор пока упор винта не будет равен полному сопротивлению судна. Т.е., на какой то скорости наступит баланс двух сил — силы мотора и силы сопротивления.

Для примера я приведу расчет только для окончательной подстановки.

Для начала вычисляется коэффициент попутного потока:

$w=0,165*kop* sqrt{frac{sqrt[3]{V}}D}=0,643 $

где kop — коэффициент общей полноты, а V — водоизмещение судна. Эти параметры получаю из “гидростатики” в программе freeship; D — диаметр винта в метрах.

Далее нахожу скорость встречи винта с водой:

$va=v*(1-w),=1,12 м/с,$

при v=1,2 м/с — скорость судна (2,35 узла).
Яхта имеет лобовое сопротивление ветру, пропорционально площади фронтальной проекции. При движении возникает встречный ветер и создает дополнительное сопротивление движению. Кроме того, этот нехитрый прием позволяет мне определить против какого встречного ветра мотор может быть полезен.

Посчитаю сопротивление ветру:

$Rwind=0,61*Sfr*(v+vwind)^2=2,6 Н,$

при ветре vwind=0 м/с,
где Sfr — фронтальная площадь парусности ( берем из freeship), v = 1,2 м/с скорость судна.

Сопротивление корпуса потоку воды находится по буксировочной характеристике Rw=118,87 Н.
Полное сопротивление $R=Rwind+Rw=121,5 Н$ при ветре vwind=0 м/с
Полезная мощность, которая тратится на движение яхты:

$Pпол=va*(Rw+Rwind)=145,8 Вт.$

Вычислю мощность, подводимую к винту:

$Pэл=frac{Imax*n}{nmax}*(Uakk-frac{Imax*n}{nmax}*(K*0,4+0,15*frac{Uakk}{Imax}))=509 Вт,$

при К=0, где К может принимать значения: 0 — наивысшая скорость, 1- средняя скорость, 2 — меньшая скорость.
Вычисляю вспомогательный коэффициент:

$Kn'=frac{va}{sqrt{n}}*sqrt[4]{frac{735*p*va}{Pэл}}=0,87,$

где n — частота вращения винта, об/с; p — массовая плотность воды (102кгс2/м4).

Солнце, ветер и вода ver 0.1 - 14

По пунктирному графику нахожу значение КПД винта $eta=0,27$; дисковое отношение $H/D=0,59$ и относительную поступь $lambda=0,24$.
Для проверки посчитаем реальный $КПД=Pпол/Pэл=0,243$. Что же, похоже на правду.

Рекомендуемый диаметр и шаг винта $Dрек=frac{va}{lambda*n}=0,215 м$, $Hрек=H/D*Dрек=0,127 мHрек=H/D*Dрек=0,127 м$.
Значит реальный винт имеет не вполне оптимальные размеры, потому реальный КПД ниже расчетного.

Упор винта определяю по формуле на выбранной скорости яхты 1,2 м/с (2,35 узла):

$Pвинта=9,8*75*Pэл*КПДвинта/(735,5*va)=121,5 Н,$

при полном сопротивлении $R=Rwind+Rw=121,5 Н$. Баланс достигнут.
В результате получаем, что в самых лучших условиях КПД системы мотор-винт-яхта (наверно это называется — пропульсивный коэффициент) перевалит через 24%, а электромотор мощностью 600Вт разгонит яхту до 2,35 узла.

Результатик «так себе», но для временного решения подходит.
Производитель устанавливает на яхту аккумуляторы глубокого разряда 12В 160Ач. Ток двигателя на максимальном ходу составит 49,9 А. Это составляет 0,25С. Всю емкость использовать нельзя, определяю сколько можно.

Солнце, ветер и вода ver 0.1 - 23

Т.е., аккумуляторов хватит примерно на 2,82 часа или около 2,82*2,35=6,64 миль на максимальном ходу в штиль. Для частичной компенсации разряда аккумуляторов надо установить солнечные батареи.

Свободного места на яхте, скажем так, немного. Везде что-то лежит или кто-то сидит. Наиболее безобидное место установки батарей на крышках задних рундуков. Это место наименее подвержено затенению парусами. Правда площадь там небольшая. На крышки рундуков как влитые становятся батареи 545Х415 мм с заявленной мощностью 40 Вт при излучении 1000Вт/м2.

Солнце, ветер и вода ver 0.1 - 24

Вопросы увеличения эффективности оставим на будущее. Пока беру самый дешевый солнечный контроллер ШИМ.

Сколько же добавят миль солнечные панели?

Средняя дневная энергия солнечного излучения в регионе в период навигации 5,8-6 квт*ч/м2. Это в среднем 500 Вт в течении 10 — 12 часов в день.

Площадь двух батарей 2Х0,545Х0,415=0,45 м2. Сделаю предположение, что ток батареи линейно зависит от мощности солнечного излучения, а напряжение, наоборот, практически не зависит. Это видно по графику.

Солнце, ветер и вода ver 0.1 - 25

При 1000 Вт/м2 батарея дает ток 2,05 А, а при 500 Вт/м2 будет давать всего чуть больше 1 А.
При применении ШИМ контроллера напряжение на аккумуляторе практически равно напряжению на батарее, т.е. всего, судя по разрядным характеристикам, в среднем 2,05Х6=12,3 В.

В результате, две батареи дадут не менее 10Х2=20 Ач в день, что составит 20/49,9*2,35=0,94 мили.

Подведу итоги

максимальная скорость при штиле = 2,35 узла,
дальность хода на максимальной скорости = 0,94+6,64=7,58 мили,
КПД на максимальном ходу = 24,3%,
средняя скорость при штиле = 1,4 узла,
дальность хода на средней скорости =15,54 мили,
КПД на среднем ходу = 18,8%,
минимальная скорость не дает никаких преимуществ, ни по дальности, ни по КПД,
максимальная скорость при ветре в 7,1 м/с составит 1 узел,
дальность хода на максимальной скорости при ветре в 7,1 м/с составит 2,82 мили,
КПД на максимальном ходу при ветре в 7,1 м/с составит 11%,
КПД солнечной системы получается примерно 2А*12,3В*10часов/0,45м2/5,8кВт*часов=9,4%.
Основную часть пути будем использовать парус, а двигатель будем использовать как маневровый и чтобы убегать с фарватера от сухогрузов и танкеров. Хотя результат даже лучше чем планировалось.
Решено, в такой комплектации яхта сойдет со стапелей.
Наконец-то настал этот долгожданный день. Яхта впервые спускается на воду.

П.С. В этой комплектации яхта просуществовала 3 года. За это время она лишь дважды подключалась к береговому питанию для зарядки аккумуляторов.

Накоплен прекрасный опыт, а все расчеты неоднократно подтверждены практикой. Кроме того, на парусном ходу, опущенный в воду двигатель превращается в генератор и заряжает аккумуляторы. Ток заряда при скорости 3 узла составляет 2А.

Автор: iletta

Источник



https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js