Baterije dolaze u svim oblicima i veličinama, ali najčešći oblici su prizmatični (uglavnom pravokutne prizme) ili cilindrični.

Slika 9. Tipovi i vrste baterija

vrste baterija

Baterijska ćelija skupina je elektroda u jednom spremniku koja pokazuje osnovni napon baterije. Obično je baterijska ćelija napona od 1 do 4 volti.

Baterijski modul grupa je ćelija mehanički pričvršćena jedna na drugu i električki spojene serijski ili paralelno kako bi tvorile baterijski blok paketa baterije.

U električnim vozilima baterijski moduli obično su 10-30V. Paket baterija električnog vozila sastoji se od niza baterijski modula u jednom spremniku koji su spojeni serijski ili paralelno ovisno o željenom kapacitetu i željenom naponu. Baterijski paketi također sadrže elektroniku i sustav protiv pregrijavanja potrebni za normalni rad baterije. Obično električna plovila sadrže 10-40 baterijskih modula i uobičajeno rade na rasponu od 100 do 350V. Baterijski ili akumulatorski sustav može biti jedan baterijski paket ili to može biti više paketa spojenih zajedno kako bi zadovoljili

zahtjevima plovila.

Kad bismo otvorili kućište baterije za električna i hibridna vozila, unutra bismo našli više baterijskih ćelija te vjerojatno nekoliko elektroničkih elemenata. Uočimo razliku između baterije i ćelije. Ćelija je osnovna baterijska jedinica i odlikuje se svojim nazivnim naponom i kapacitetom.

 

Litij-Ionske baterije

U usporedbi s drugim uobičajenim baterijama, litij-ionsku bateriju karakterizira velika gustoća energije, velika gustoća snage, duži životni vijek i prihvatljivija je za okoliš. Automobilističke litij-ionske baterije imaju veliki kapacitet i veliki broj

serijsko-paralelnih kombinacija spajanja članaka, koji su, zajedno s problemima kao što su sigurnost, trajnost, ujednačenost rada i cijena samih baterija veliko ograničenje za široku primjenu litij-ionskih baterija. Litij-ionske baterije moraju raditi u sigurnom i pouzdanom okruženju, što je ograničeno temperaturom i naponom. Prekoračenjem tih ograničenja će dovesti do brzog slabljenja učinkovitosti baterije, pa čak dovesti i do ugrožavanja sigurnosti.

Litij-ionska baterija (Li-Ion) predstavlja veći korak u evoluciji punjivih baterija. Budući da kao osnovnu aktivnu tvar koristi litij, jedan od najlakših metala, ova vrsta baterije odlikuje se vrlo malom masom što je itekako korisna karakteristika kod

električnih i hibridnih plovila.

Litij ionska baterija

 

Jedna od najvećih prednosti joj je vrlo velika gustoća energije, čak dvostruko veća od tipične nikal-metal-hidridne (NiMH) baterije, a odlikuje je i tri puta veći nazivni napon od niklenih baterija (3.6V u odnosu na 1.2V). Velika prednost joj je i u tome što, za razliku od baterija na bazi nikla, Li-Ion baterija ne zahtijeva apsolutno nikakvo

održavanje jer ne pati ni od memorijskog ni od kristalizacijskog efekta. Dakle, moguće ju je puniti bilo kada i nema potrebe za periodičkom pražnjenjem.

Li-Ion baterija je, sama po sebi, izuzetno osjetljiva na prepunjavanje i pretjerano pražnjenje, no za to se, umjesto korisnika, brine elektronika koja je ugrađena u svaku komercijalnu Li-Ion bateriju. Iako nije pogodna za pražnjenje jakom strujom, pokazala se kao izvrsno rješenje za električna i hibridna vozila, mobilne telefone i

ostale električne uređaje.

Olovni akumulatori

Olovni akumulator izumio je i razvio Gaston Planté 1859.g. (francuski fizičar). U to vrijeme to je bila prva punjiva baterija. Danas, u tehnički nešto dotjeranijem obliku taj se akumulator još uvijek najviše upotrebljava.

Olovni akumulator sastoji se od jednog ili više članaka, koji sadrže dvije olovne ploče (elektrode; katodu i anodu), uronjenih u vodom razrijeđenu sumpornu kiselinu (elektrolit) prikladnih koncentracija (najčešće 38%-tna).

Najčešće su u uporabi olovni akumulatori, koji daju napon od 2V po ćeliji. Budući da plovila /vozila  imaju instalaciju za napon 12/24V, stoga se u akumulator ugrađuje šest serijski povezanih ćelija, pa se njihovi naponi zbrajaju. [5]

Olovni akumulator spremnik je energije koji pretvorbom električne energije u kemijsku akumulira tj. pohranjuje određeni dio dovedene mu električne energije.

Proces pretvorbe električne u kemijsku energiju nazivamo punjenje akumulatora. Priključkom trošila na stezaljke akumulatora vrši se obrnuti proces odnosno pretvorba kemijske u električnu energiju. To još nazivamo pražnjenje akumulatora.

Sastoji se od jednog ili više članaka koji sadrže dvije vrste elektroda (katodu i anodu)

koje su uronjene u elektrolit.

Kod olovnih akumulatora obje elektrode obložene su olovnim sulfatom (PbSO4). Prilikom procesa punjenja slijedom složenih elektrokemijskih reakcija s elektrolitom (razrijeđena sumporna kiselina u prikladnoj koncentraciji), na pozitivnoj elektrodi (anodi) olovni sulfat prelazi u olovni dioksid (PbO2), a na negativnoj elektrodi (katodi) stvara se čisto olovo. Istovremeno, povećava se koncentracija sumporne kiseline (H2SO4). Pri procesa pražnjenju se odvija suprotan proces, stvarajući napon na elektrodama visine oko 2V. Proces punjenja i pražnjenja može se prikazati

izrazom:

2PbSO4 + 2H2O <– pražnjenje punjenje –> PbO2 + Pb +2PbSO4

 

AGM akumulatori ​ (absorbed glass mat)​

AGM akumulatori su ​tip ​olovnih akumulator​a​  ​koji se razlikuju od ​standardnih​ olovnih ​jer ​imaju separatore od staklene vune koji u potpunosti upij​aju​​ elektrolit. Tako upijen elektrolit ne može istjecati niti ako kučište akumulatora pukne.
​Predviđen vijek trajanja im je do 10 godina ili 3000 ciklusa paljenja.​
Prednosti AGM akumulatora

  1.     ​rade u  svim položajima
  2.     ​​veća snaga za otprilike 50% u odnosu na standardne akumulatore
  3.     ​sendvić izvedba omogućava povećanje postotka olova u pločama i time povećanje kapaciteta
  4.     nije potrebno nadoljevanje elektrolita
  5.     elektrolit ​se ne može proliti
  6.     ​dobro podnose niske temperature​
  7.     ​samopražnjenje 1-3% kapaciteta mjesečno​
  8.     ​manji električni otpor omogućava brzo punjenje
  9.     ​​povećana otpornost na vibracije​

 

Nikal-Kadmijeve baterije

NiCd baterija predstavlja prvu široko prihvaćenu punjivu bateriju opće namjene. Unatoč tome što nudi nisku gustoću energije, a i kemijski sastav joj je daleko od ekološki prihvatljivog (toksični kadmij), veliki životni vijek (čak i do 1500 ciklusa) i dobro podnošenje većih struja pražnjenja čini je i danas vrlo pogodnom za određene primjene (kućanski uređaji i alati, prijenosne radio-stanice, medicinska oprema, profesionalne video- kamere).

Nikal-Kadmijske baterije su punjive baterije, ali nakon određenog ciklusa gube snagu i moraju se zbrinuti. Kadmij je teški metal i njegovo odlaganje u prirodi je štetno jer vremenom može doći do podzemnih voda i zatim u cijeli ekosustav u kojem se akumulira.

Nikal-Kadmij baterije se jako često upotrebljavaju u kućanstvima, npr. Za zidne satove, dječje igračke, daljinske upravljače i slično

Natrij-Nikal-Klorid baterije

Na-NiCl2 baterije karakterizira vrlo visoku energetsku gustoću, dugi životni ciklus i može raditi u teškim uvjetima (-40˙C do +60˙C). Za razliku od drugih baterija, baterije na bazi natrija sastoji se od krutog ili krutog i rastaljenog elektrolita s tekućim natrijem koji ima ulogu negativne elektrode.

Glavne prednosti Natrij-Nikal-Klorid baterije su:

– nema potrebe za hlađenjem,

– visoka gustoća energije (328kWh/m3, 142kW/t),

– dugi životni ciklus (2000 ciklusa pri zadržavanju 80% kapaciteta baterije)

– bez održavanja

– nula emisije i visoka recikliranost sirovine.

 

Baterije na bazi Litij-Ionskih polimera

LiPo baterije obično se sastoje od nekoliko istih sekundarnih ćelija spojene paralelno što rezultira povećanjem struje pražnjenja, često su dostupni i u seriji za povećanje ukupnog raspoloživog napona. Ova vrsta baterija razvila se iz Litij-Ionskih baterija. Osnovna razlika je u tome što se litij-sol elektrolit ne drži u organskim otapalima nego

u čvrstim polimernim kompozitima kao što su polietilen oksid i poliakrilonitrit.

Prednost Litij-Ion polimer baterija naspram Li-Ion je u dizajnu (jednostavnost konstrukciji), stoga niži troškovi proizvodnje, prilagodljivost raznim oblicima pakiranja , pouzdanost i robusnost.

Litij-Ion polimerne baterije počele su se pojavljivati na tržištu 1995. godine. U posljednjih nekoliko godina proizvođači su deklarirali ciklus od samo 500 punjenjapražnjenja prije nego što kapacitet padne na 80% (Sanyo), dok druga varijanata LiPoli baterija (tanki film LiPo baterija) može izdržati i do 10000 ciklusa.

KARAKTERISTIČNA SVOJSTVA POJEDINIH TIPOVA BATERIJA

Glavni razlog sporog razvoja električnih automobila je problem skladištenja električne energije te vrijeme punjenja. Do prije desetak godina za skladištenje većih količina el. energije koristile su se u pravilu olovne akumulatorske baterije. Postojale su i druge vrste, najčešće Nikal-Kadmij (NiCd), no bile su znatno skuplje, a nisu nudile puno više.

Poznato je da su olovne baterije velike i teške, a u električnom automobilu, kako bi ispunio glavni zahtjev (domet s jednim punjenjem) ih treba puno ugraditi. U pravilu za skladištenje jednog kWh električne energije potrebno je oko 60 kg baterija. Ako to prevedemo u domet za neko prosječno plovilo, potrebno je oko 14 kg baterija za

jednu prijeđenu milju, dakle za 100 kilometara trebalo bi oko 1400kg baterija, što bi zauzimalo oko 600 litara prostora.


Uz to olovne baterije imaju dosta značajni nedostatak – na niskim temperaturama (već od +10 stupnjeva celzijusa) kapacitet im znatno pada što rezultira drastičnim padom dometa u zimskim uvjetima.

Punjenje u pravilu traje od 6-12 sati ovisno o snazi punjača. Olovne baterije ne podnose brza punjenja (manje od dva sata). Vijek trajanja akumulatorskih baterija izražava se u broju ciklusa (punjenje-pražnjenje). Olovne baterije namijenjene za pogon elektro vozila u pravilu izdrže 500-1000 ciklusa odnosno pet kalendarskih godina. U novije vrijeme na tržištu su se pojavile akumulatorske baterije zasnovane na litiju (Litij je jedan od najlakših metala).

Da bi trajala dovoljno dugo, olovna se baterija smije prazniti samo do polovice svojeg kapaciteta, dok se litij-ionska baterija može bez oštećenja i ubrzanog starenja dokraja isprazniti. Iz tih dviju različitih baterija jednakog nazivnog kapaciteta i jednako napunjenih, ne može se u jednom ciklusu pražnjenja iscrpsti jednaka količina energije. Li-ionska baterija nudi u tom ciklusu znatno više energije.

U pravilu litijske baterije tri puta su lakše i manje od olovnih baterija za isti kapacitet. Neki tipovi podnose brza punjenja i uz upotrebu dovoljno snažnog punjača mogu se napuniti za dvadesetak minuta. Trajnost ovisi o

 5000 ciklusa za Litij-Željezo (LiFePO4) ili deset kalendarskih godina. Iako im je cijena znatno veća od olovnih baterija (3-15 puta) svojom trajnošću i karakteristikama znatno su isplativiji izbor.

Litij-Željezo baterije odlikuje se izrazito malom masom, što je idealan izbor za električna plovila. 30 komada baterija nazivnog napona 3.2V – 60Ah čini ukupno 55kg mase. Usporedimo li približnu količinu energije sa olovnim baterijama one bi težile i preko 200kg. Za LiFePO4 baterije neophodan je nadzor napona prilikom punjenja. U slučaju previsokog napona (više od 3.65V) dolazi do trajnog oštećenja baterijskog članka. Zato se na svaki od članaka ugrađuje modul koji se u slučaju previsokog napona aktivira i održava napon u zadanim okvirima.

Litijeve polimerne baterije su kocipirane na slijedeći naćin: grafitna poluga služi kao anoda, dok je poluga litijevog kobalta katoda, a polimer, nabubren zbog litijevih soli, dopušta prolaz iona te služi kao elektrolit. U ovoj ćeliji ugljik u anodi povratno može prijeći u litij-ugljikovu leguru. Kod pražnjenja, litijevi ioni spontano napuštaju litij kobaltnu katodu i putuju kroz polimer u ugljikovu anodu stvarajući leguru. Upravo je tok pozitivnih litijevih iona električna struja baterije.

Puneći ćeliju, litij prestaje stvarati leguru i putuje natrag na katodu. Prednost ovakvih vrsta baterija je da litij ima visoku negativni standardni redukcijski potencijal.

Također, litij je lak metal pa je zbog toga potrebno manje litija da bi se proizveo 1 mol elektrona. Litijeve baterije imaju široku primjenu u prijenosnim elektronskim uređajima, a u zadnje vrijeme sve više se koristi kao primarni izvor električne energije za solarna, hibridna i električna plovila, ponajviše zbog visoke gustoće skladištenja energije i zbog toga što se mogu puniti. Ova tehnologija sve se više razvija i primjenjuje u automobilima i plovilima, sa novim materijalima kao što su željezni fosfati i litijevi vanadati (vanadijevi minerali).

usporedba performansi baterija

usporedba performansi baterija

0

Sve veće potrebe za energijom, zahtjevi za smanjenje emisije stakleničkih plinova te nestabilne cijene nafte koje imaju dugotrajan trend rasta otvaraju vrata obnovljivim izvorima energije u svim granama industrije. Pomorski promet ovdje nije izuzet te mora biti u korak s novim tehnologijama i zakonodavstvom. U suvremenoj brodogradnji postoji niz inicijativa usmjerenih prema korištenju hibridnih modela energetskih sustava LNG pogona, gorivnih članaka i obnovljivih izvora energije. Uporaba gorivnih članaka u brodogradnji bilježi rast posebno razvojem niskotemperaturnih PEM (eng. Proton Exchange Membrane) gorivnih članaka. Suvremeni gorivni članci koji kao gorivo koriste čisti vodik (dobiven iz prirodnog plina ili obnovljivih izvora energije) predstavljaju perspektivan i moguć ekološki održiv izvor energije. Iako je već i intuitivno jasno da hibridni pogon po ekonomskim kriterijima još dugo neće biti konkurentan klasičnom pogonu dizelskim motorom, ponekad se, kao npr. u zaštićenim prirodnim područjima, nameće kao pogodna alternativa klasičnom rješenju. Za potrebe zaštićenih podrućja predstavljen je idejni projekt hibridnog energetskog sustava malog putničkog broda, kojeg čine dizelski motor, elektromotor,regeneracijski sistem i baterije.

Zbog sve veceg globalnog zagrijavanja uzrokovanog izgaranjem fosilnih goriva, istrazivanja su usmjerena u cilju sto bolje iskoristivosti postojecih motora sa unutrasnjim izgaranjem ali i na koristenje alternativnih goriva .Tehnoloski dizel motori su toplinski strojevi sa najvecim stupnjem iskoristenja .Sa povecanjem stupnja kompresije povećava se faktor iskoristivosti ,ali to ima svoju cijenu u vidu povecane emisije dusikovih oksida .Ukratko zrak je smjesa dvaju plinova :kisika i dusika .Kisik u svojoj molekuli ima jednovalentu vezu (slabu)i zbog toga podrzava gorenje iako sam ne gori ,dok dusik u svojoj molekuli ima trivalentnu vezu(jaku) zbog koje dusik ne reagira ni sa  cime pa tako i ne podrzava gorenje koje je kemijska reakcija .Da bi se ta dusikova trovalentna veza razbila tj da bi dusik reagira sa necim potrebna je temperatura preko 1200°C .Poznato je da temperature plamena u cilindrima opterećenih diesel motora idu do 3000°C .Pri tim temperaturama iz motora izlazi dusikovdidioksid tj N2O2 koji se u atmosferi pod utjecajem suncanih zraka pretvara u prizemni ozon O3  i NOx spojeve. Prizemni ozon poznajemo pod imenom smog sto je izvednica od dvije engleske rijeci: smoke + fog = smog.  Takodjer , jako je mnogo rasprava o količini lebdećih ćestica (particle matters -na engleskom) koje su također produkt izgaranja u diesel motorima . Iako su ispitivanja pokazala da se te čestice stvaraju najviše izgaranjem krutih goriva pa ćak i kod roštiljanja. Postoje razne veličine ,pa PM10 (velicina cestice 10 mikrona )nije opasna jer se filtrira prije dolaska do pluća .Najgore PM 2,5 cestice velicine 2.5 mikrona koje ulaze u pluca i zbog benzopirena mogu uzrokovati rak pluca . No tome vise  jednom drugom prilikom .

Ukratko zbog svega gore navedenog trend je smanjenje upotrebe diesel motora u blizini gradova i naselja ili upotreba alternativnih ekoloskijih goriva .Drugi smjer u kojem se krenulo je razvoj hibridnih pogona ,prvenstveno u cestovnom prometu a sada i u sektoru manjih turističkih plovila trajekata ,jahti i camaca .

Nova generacija brodova su električni pogonjeni i hibridni (engl. Hybrid – vozilo koje se pokreće kombinacijom motora s unutarnjim izgaranjem i drugih izvora energije kao sto su baterije) brodovi koji zahtijevaju skladištenje energije u velike baterije s optimalnom kontrolom potrošnje snage. Tako se značajno smanjuje potrošnja goriva, cijene održavanja i emisija štetnih plinova (CO2 (ugljikov oksid), SOX (sumporov oksid) i NOX (dušikov oksid)). Točnost upravljanja takvim brodovima je poboljšana (vrijeme odziva u kritičnim situacijama), povećana je sigurnost, poboljšana izvedba samoga broda i smanjena buka i vibracija sto se posebno cijeni na putnickim brodovima.

Na velikim putničkim brodovima koristi se Diesel-električna propulzija ,što znači da brod nije pokretan direktno diesel motorom nego posredno elektromotorima .Taj system nazivamo serijskim sistem .Diesel generatori proizvode električnu energiju koja se distribuira do pogonskih elektromotora koji preko pogonskih trasformatora pretvarača frekvencije mijenja broj okretaja elektromotora i time lakšu i jednostavniju manovru. Vidno je da se isti generatori koriste za proizvodnju energije za pogonske elektromotore i za potrebe broda .

U koncepciji broda s potpuno integriranim  elektroenergetskim sustavom, kojeg karakterizira jedna električna centrala s konstantnom frekvencijom i naponom mreže te regulacija broja okretaja propulzijskih elektromotora pomoću statičkih pretvarača frekvencije, sustav električnog prijenosa snage na brodski vijak pretpostavlja četiri stupnja konverzije energije, Slika 2:

bilanca snage propulzijeeketricnim prijenosom

 – mehaničko-električnu konverziju u sinkronim generatorima,

– transformaciju napona u transformatorima,

– regulaciju frekvencije i napona u pretvaračima frekvencije

– električno-mehaničku konverziju u propulzijskim elektromotorima.

U slučaju manjih plovnih objekata, u kojima se zbog male ukupne instalirane snage ne primjenjuje visoki napon, otpada drugi stupanj pretvorbe. Iz bilance snage prikazane na Slici 2 vidljivo je da, usprkos visokom stupnju djelovanja pojedinih elemenata u sustavu električne propulzije, ipak se u električnom prijenosu energije do brodskog vijka sveukupno izgubi 8-12 % snage. U usporedbi s mehaničkim prijenosom snage kod kojega su gubici snage 2-4 %, električni prijenos je s energetskog gledišta lošiji izbor. Prednost električne propulzije je međutim sadržana u mogućnosti povećanja stupnja korisnosti na početku i na kraju propulzijskog lanca . Električna propulzija omogućuje rad pogonskih strojeva u području oko optimalne brzine vrtnje bez obzira na eksploatacijski profil plovila.

Nakon malog upoznavanja sa diesel električnom propulsijom možemo se posvetiti hibridnom pogonu.

Iz već spomenute definicije hibridnog pogona potrebno nam je skladište energije (baterije ),motor sa unutrašnjim izgaranjem i još jednim pogonskim sredstvom kao sto je elektromotor .

Dakle ,kako bi neki hibridni pogon izgledao ? Motor sa unutrašnjim izgaranjem i elektromotor bi trebali biti spojeni paralelno. Otprilike ovako :

PROPULZIJSKI SUSTAV / Propulsion system Moderni hibridni porivni sustavi kombiniraju konvencionalni motor s unutrašnjim izgaranjem s nekom drugom vrstom porivnog uređaja, poput elektro- motora, motora na komprimirani zrak i sl. Na plovilima koje će dio energije proizvoditi uz pomoć regeneracije energije  izabran je elektro-hibridni pogon broda. Ukoliko se radi o brodovima opremljenim jedrima (Flying Clipper, Benneteau Yacht koriste plovidbu na jedra pri kojoj strujanje vode oko broda okreće propeler pri čemo elektromotor prelazi u generatorski mod i puni baterije ,kod plovila koja nisu opremljena jedrima koriste se solarni foto-naponski paneli,detaljnije kasnije ) Dva su tipa brodskih hibridnih porivnih sustava koji koriste električnu energiju: hibridni serijski sustav kod kojega dizel motor pogoni generator koji napaja elektromotor priključen na osovinu propelera (slika 3) i hibridni paralelni sustavi kod kojih su dizel motor i elektromotor spojeni izravno na istu osovinu, a prijenos se ostvaruje linijski ili pojasno (slika 4). Paralelni hibridni sustav održava mehaničku vezu motora i osovine brodskog vijka. Elektromotor pogoni osovinu brodskog vijka paralelno s motorom s unutrašnjim izgaranjem. Razdjelnik snage mehanički dopušta prijenos snage paralelnih veza; zato je moguće pogoniti brodski vijak samo uz pomoć motora s unutrašnjim izgaranjem, uz pomoć elektromotora ili koristeći oba motora pri čemu se fokus opterečenja postavlja na elektromor da bi se smanjila potrošnja fosilnog goriva a time i emisija ispušnih plinova ,ako je zahtjev za snagom veći od raspoložive snage elektromotora ,uključuje se dizel motor u paralelan rad sa elektromotorom i nadopunjava elektromor do trazene snage .

shema hibridnog broskog pogona

Ovisno o kvaliteti izvedbe sustava, u slučaju pogona samo motorom s unutrašnjim izgaranjem, moguće je koristiti elektromotor kao generator električne energije. Zbog izostanka generatora električne energije kao zasebne jedinice, ovaj sustav zauzima najmanje prostora, te je najprikladniji za manje brodove . Pravo tržište elektro-hibridnih pogona brodova još ne postoji, a tek rijetki proizvođači pokušavaju progurati takve sustave na tržište, npr. Electric Marine Propulsion, Hybrid Marine i Steyr Motors.

semantski prikaz paralelnog hibridnog porivnog sustava

Od njih tek Steyr Motors ima upotpunjenu ponudu paralelnog hibridnog sustava. Steyrov Diesel Electro Hybrid(slika 5) sustav je hibridni brodski motor koji može služiti kao elektromotor i generator od 7 kW napajajući se iz akumulatora koji se pune za vrijeme rada motora te kao start dizel motoru. Kod režima gdje su potrebni maksimalni okretajni momenti Hybrid daje motoru dodatnih 100 Nm okretnog momenta već pri minimalnom broju okretaja.

grafika

Slika 5. Shematski prikaz Steyr Hybrid porivnog sustava

Hybrid je smješten na zamašnjaku glavnog pogonskog motora i razvija snagu od 7 kW pri 48 V. Teži 75 kg (bez akumulatora) te dodatno produžuje motor za 75 mm. Postoje 4 vrste rada:

  • elektropokretač – pokretanje dizel motora,
  • generator – punjenje akumulatora tijekom korištenja samo dizel motora,
  • elektromotor za krstarenja – omogućuje plovidbu bez ispušnih plinova i buke (brod plovi pogonjen isključivo elektromotorom),

–elektromotor za dodatnu snagu – glavni pogonski motor biva potpomognut dodatnom snagom elektromotora.

Za izbor motora potrebno je odrediti snagu otpora broda. Da li je riječ o deplasmansko ili polu deplasmanskom plovilu .

Uporaba sustava električnog pogona umjesto sustava unutarnjeg izgaranja za manevriranje u luci, za pristajanje i putovanje niskom brzinom, smanjuje vrijeme korištenja motora s unutarnjim izgaranjem u fazama kada su najmanje učinkoviti. U ovim radnim režimima, postižu se značajne uštede u troškovima goriva i održavanja. Za svaki dizelski motor može se uštedjeti 70 litara goriva po satu, što je ukupno 140 litara na sat. Uzevši u obzir ukupne dodane troškove instalacije električnog pogona (oko 350.000 do 400.000 EUR ovisno o kapacitetu seta baterije) i sezonsku uporabu koja je specifična za krajnjeg korisnika, očekivano je  da će se moći otpisati ovaj dodatni trošak u manje od četiri sezone, a da ćemo istodobno povećati vijek trajanja dizelskih motora produljujući njihove intervale održavanja, ukoliko plovilo ide u charter.

SUSTAV ELEKTRIČNE ENERGIJE  

Najvažniji dio je izvor energije za predviđeni hibridni pogon (veličina broda ). Naglasak je stavljen na što je moguće veću autonomiju s obzirom na upotrebu dizela. Elektromotor mora biti spojen na napon od 48 V istosmjerne struje. Osim korištenja baterije od 48 V, tu vrijednost napona moguće je dobiti serijskim spojem od četiri akumulatora napona 12 V ili šest akumulatora napona 8 V. (veličina baterija ovisi o veličini i  namjeni broda )Ponuda baterija na tržištu dijeli se prema njihovom naponu i kapacitetu koji je dan kao produkt vremena i jakosti električne struje koju baterija može osigurati kroz to vrijeme. Baterije nižeg napona (od 2 do 4 V) mogu imati puno veći kapacitet nego ostale, ali njihova učinkovitost slabi pri korištenju visokih jakosti struja. Prema Peukertovom zakonu dan je izraz kojim se može aproksimirati koliko baterija dugo može davati određenu jakost struje dok se ne isprazni:

formula

gdje je:

t – vrijeme u satima, C – kapacitet baterija u amper-satima, H – broj sati u kojem je testiran kapacitet baterije, k – Peukertova konstanta, za kiselinske baterije iznosi k ≈1,1, I – jakost električne struje u amperima, a I = P / U, gdje je P varijabilna snaga motora koja se kreće do 7kW, a U napon koji je 48 V za izabrani motor.

Kombiniranjem gornja dva izraza dobiva se podatak koliko će dugo brod moći ploviti određenom snagom samo na baterije (uz pretpostavku da se baterije za to vrijeme ne pune). Na tržištu su najviše zastupljene baterije kapaciteta 200 Ah. Graf na slici 10 prikazuje usporedbu trajanja baterija različitih kapaciteta prilikom plovidbe samo na elektro-pogon. Iz grafa je vidljivo da razlika 200 i 240 Ah baterija i nije velika, međutim, 357 Ah 12-voltne baterije imaju gotovo dvostruko veće vrijeme.

karakteristike baterija

Cijena električnog pogona se može još više spustiti u budućnosti. Baterije zauzimaju puno mjesta i još su poprilično skupe, oko 1 Euro po Watt-satu. Naprimjer ugrađeni električni kapacitet 125 kWh, baterije predstavljaju oko polovice troškova pogonskog sustava. Ostatak čine mehanički sustav pogona, dva električna motora i pretvarači frekvencije. Osiguranje sukladnosti s pomorskim propisima je jednostavno. Motori i pretvarači frekvencije su instalirani na suhom doku, vezovi su načinjeni od nehrđajućeg čelika i često su potrebne samo minimalne prilagodbe okolišu, kao što je dodavanje premaza boje.

Regeneracija elektricne energije -Sustavi za punjenje baterija

Sposobnost generiranja energije iz glavnog pokretnog propelera pod jedrom uvijek se borila s problemima učinkovitosti jer su krila  obično konfigurirana za pogon naprijed i jednostavno se ne okreću dovoljno brzo. Jedrilice Beneteau imaju pogonski propeler na azipodu i problem efikasnosti tj nedovoljne brzine vrtnje propelera niske proizvodnje energije je rijesena tako da se azipod zakrene za 180° i krila dobivaju optimalnu iskoristivost. Jednostavno i elegantno  rjesenje.

Kaže se da ovaj pogon osigurava više od 1kW kad jedri na 5-6 čvorova, a prikladan je za monohule do 50ft, multihule do 60ft i za uporabu isključivo kao generator do 100ft.

No ,što ako imamo brod bez jedara ,kako onda obnavljat energiju. U tom slučaju trebamo dovoljno prostora na palubi ili na  kabini za instalaciju solarnih foto-naponskih panela.

Solarni paneli

Fotonaponska ploča ili solarni panel se sastoji od grupe sunčevih članaka (fotonaponski članak), kojih je najčešće oko 36, serijski povezanih, stvarajući module nominalnog napona od 12 V. Svaki pojedini fotoelektrični članak ima maksimalni izlazni napon od 600 do 700 mV, pa se fotoelektrični članci serijski povezuje stvarajući module nominalnog napona od 12 V. Snaga koju proizvodi jedan fotonaponski članak je relativno mali, pa se u praksi više članaka povezuju u grupu čime se formira fotonaponski članak, a više fotonaponskih članaka čini jedan fotonaponski modul ili solarni panel ili fotonaponsku ploču. Kada se poveže više sunčevih panela dobije se polje fotonaponskih ploča, koji je dio solarne fotonaponske elektrane.

Energija Sunčevog zračenja koja dospije na Zemlju 10 000 puta je veća od energije potrebne da zadovolji potrebe čovečanstva, u razdoblju od jedne godine. Kada bi se promatralo da na jednom četvornom metru dospije 100 kWh godišnje, bilo bi potrebno prekriti površinu od 150 x 150 km2 da bi se dobila energija jednaka potrošnji za godinu dana (podatak iz 2001.). Danas se sve više počinje sa primjenom sunčevih fotonaponskih elektrana u industrijske svrhe, čak i u onim državama koje su bogate naftom. Čak je i Vatikan ugradio 2400 – 2700 fotonaponskih ploča na svojim krovovima, pri čemu će spriječiti emisiju CO2 od 210 tona ili potrošnju 70 tona lož ulja za samo dva tjedna potrošnje.

Fotonaponska ploča napravljena je tako da se, kada je osvijetlimo, na njezinim krajevima javlja elektromotorna sila (napon). Kada se fotonaponska ploča (PN-spoj) osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elektron – šupljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Međutim, nastane li apsorpcija unutar ili u blizini PN-spoja, unutrašnje električno polje, koje postoji u osiromašenom području, odvaja nastali elektron i šupljinu – elektron se giba prema N – strani, šupljina prema P – strani. Takvo skupljanje elektrona i šupljina na odgovarajućim stranama PN – spoja uzrokuje elektromotornu silu na krajevima članka. Kada se članak osvijetli, kontakt na P – dijelu postaje pozitivan, a na N – dijelu negativan. Ako su kontakti članka spojeni s vanjskim trošilom, poteći će električna struja. Kada je fotonaponska ploča spojena s vanjskim trošilom i osvijetljena, u ploči će zbog fotonapona nastajati fotostruja, te će vanjskim trošilom teći električna struja, jednaka razlici struje diode i fotostruje.

Iz svega gore navedenog vidimo da foto paneli daju istosmjernu struju ,koja puni baterije. Baterije su spojene u paralelno serijske spojeve da bi im se povecao napon i kapacitet ,istosmjerna struja iz baterija ide na invertor  gdje se pretvara u izmjenicnu i preko pretvaraca frekvencije na pogonski elrktromotor.

Koliko snage je potrebno vašem brodu?

Prvi korak je izrada potrebe za snagom vašeg broda. Sve što treba da uradite je da dodate svu energiju u W/h koji svaki uređaj koristi na vašem brodu, kao što su frižider, svjetla, kompjuteri i drugo. Većina ovih uređaja ima oznaku koja će vam reći koliki su zahtjevi za napajanje u vatima, tako da samo pomnožite ovaj broj sa brojem sati dnevno koliko uređaj zapravo radi. Kada se rade  procjene, zapamtite da će frižider raditi jače na topli i sunčani dan. Jednom kad se dobiju razrađeni energetski zahtjevi dodajte  povećenje od 10% da bi eliminirali potencijalne greske.

Zatim, treba da odlučite koliko će ovaj zahtjev ispunjavati solarni paneli. Da bi to saznali, treba izračunati koliko snage možete realno očekivati od solarnih panela tokom 24 sata i bit sigurni  da su paneli dovoljno snažni da ostvare zahtjeve za napajanje tokom dana, plus da daju dovoljno kapaciteta za punjenje baterije.

Koji solarni panel odabrati?

Ovo pitanje treba prevesti s  – “Koliko prostora imam?” Danas postoji čitav niz solarnih panela koji obuhvaćajuju tri generacije i različite vrste ploča u svakoj generaciji.

Amorfne solarne ploče – prave se nanošenjem silicijuma na podlogu. Ovaj proces je jeftin i omogućava fleksibilne panele koji se postavljaju relativno lako, ali traži velike površine  za stvaranje velike snage. Sve ovo utiče na ukupnu cijenu. Međutim, amorfne ploče su tolerantne na niske nivoe svjetlosti, tako da mogu biti dobar izbor.

Polikristalni solarni paneli – koriste male djelove silicijuma spojenog zajedno, dajući privid kao da su paneli napravljeni od metalnih kristala. Oni se dobro ponašaju na neometanoj sunčevoj svjetlosti, ali mana im je ako je čak i jedna od silikonskih ćelija zatamnjena, ostale pokušavaju da dopune  energiju u tu ćeliju, što dramatično smanjuje ukupnu efikasnost panela. Polikristalni solarni paneli se lako mogu instalirati na krov bilo kog broda.

Monokristalni solarni paneli  – koriste velike pojedinačne komade silicijuma za svaku ćeliju. Oni su generalno najjeftinije rešenje i podrazumjevana toćka za početak kada planirate da instalaciju solarnog sistema. I ovi paneli  se lako postavljaju, mada mogu biti krhki zbog kristala silicijuma. Podjednako su podložni smanjenim radom pod sjenkom kao i polikristalni solarni paneli.

Gde postaviti solarni panel?

Ako montirate mali panel za dopunjavanje baterija na čamcu, kupite jeftinu krutu ploču i pronađite mjesta na brodu gdje možete da je nagnete, kako bi uhvatili sunčeve zrake tokom  dana. Izaberite mjesto koje nema sjena i to bi bilo to.

Ako provodite više vremena na brodu i treba vam najbolje od solarnih panela, monokristalni ili polikristalni solarni paneli daju više snage na istom prostoru od amorfne solarne ploče. Ali sa većom efikasnošću dolazi i do veće osetljivosti na lošije montiranje, pa ukoliko se želi izvući najbolje od solarnih panela, potrebno je sve  učiniti da se  osigura mjesto  koje nije u sjeni, a također i da su nagnuti prema suncu što je više moguće. Iz tog razloga solarni paneli se obični postavljaju na krmi broda.

Najvažnije prednosti korištenja solarnih panela za brodove

Tihi rad – Uz solarni panel na vašem brodu generatori mogu biti eliminirani, ili barem njhova upotreba smanjena na minimum.

Nema pokretnih djelova – Za razliku od vjetroturbina, potrebno je vrlo malo održavanja. Neophodno je samo periodično čišćenje.

Stabilna snaga – Raspoložive jedinice solarnih panela idu od 50 V, 75 V i više. Može se  početi sa malim solarnim sistemom koji je moguće kasnije povećati dodavanjem modula.

Solarni paneli će kontinuirano puniti baterije, čak i kada je brod  privezan. Kontroler punjenja će automatski isključiti napajanje kada su baterije potpuno napunjene.

Solarni paneli za brodove nisu samo ekološki prihvatljivi, već se i smatraju prijeko potrebnim kada se nalazite na otvorenom moru. Takođe su jeftina i jednostavna opcija za plovila koji se kreću na udaljenim obalama ili na neurednim dokovima.

Kod odluke za solarne panele, započnite pripremu tako što ćete uzeti u obzir  prostor koji imate i koji su  energetski zahtjevi.

Nađite lokaciju gdje možete montirati solarne ploče ploče, poželjno na nagibnu montažu. Mnogi vlasnici čamaca žele da ih se ugrade na palubu,i u tom slučaju polufleksibilni kristalni paneli mogu izgledati kao razumni izbor, ali mogu biti i do deset puta skuplju u odnosu na panele koji nisu fleksibilni. Jednom kada se instaliraju čuvajte  panele. Nije lako držati crnu površinu hladnom na suncu, ali se izlazna energija solarnih panela snižava kada se temperatura povećava. Ako ste u mogućnosti osigurajte ventilaciju na zadnjoj strani panela, što će rezultirat povećanjem  od 5 ili 10% izlaznosti energije,
umjesto zraćnog hlađenja postavlja se cijev vode, koja se grije preko panela, sa time dobivamo toplu vodu i hlađenje panela.

TROŠKOVI HIBRIDNOG SUSTAVA / Hybrid system costs

Troškovi u izgradnji ovakvog broda, koji se razlikuju od uobičajenih plovila, odnose se na hibridni propulzijski sustav i sustav solarne energije. Obračun troškova navedenih elemenata prikazan je u tablici 2.

Sustavi sličnih mogućnosti, temeljeni samo na dizel propulziji, jeftiniji su u prvom redu zbog toga što nemaju ugrađen sustav solarne energije dok su cijene samih motora za oko 10% niže.

cijene elemenata hibridnog sustava i solarne energije

ZAKLJUČAK / Conclusion

Koliko god dobro zvučala ideja o korištenju ekološki prihvatljivih izvora energije za pogon plovila, praktične izvedbe takvih sustava okarakterizirane su visokom cijenom i slabim stupnjem iskoristivosti. Zbog slabe iskoristivosti solarnih ćelija, koja se kreće od 10% do 20%, ako izuzmemo ekstremno skupe solarne ćelije korištene u svemirskim pogonima, potrebna je vrlo velika površina solarnih ćelija koja bi izravno davala dostatno snage za plovidbu broda „glisirajućim“ brzinama.

Koncept krstaške jahte s hibridnim pogonom, teoretski može neograničeno koristiti električnu energiju snage oko 3 kW. Primjenom naprednijih solarnih ćelija može se ostvariti povećanje dobivene snage i do četiri puta, a povećanjem omjera kapaciteta i mase baterija do dva puta, pa se hibridne izvedbe porivnog sustava čine vrlo izglednima za širu primjenu u skoroj budućnosti. Korištenjem tradicionalnih goriva mogle bi se postizati veće brzine, dok bi električna energija bila nadopuna snage ili pak korištena kao jedini izvor energije pri malim brzinama plovila, a razvojem i ugradnjom novih građevnih materijala trupa, kao što su nove vrste biokompozitnih materijala, postiglo bi se smanjenje mase broda, pa bi instalirana snaga bila dostatna i za postizanje većih brzina što ide u prilog korištenju elektro-dijela hibridnog poriva. Cijena sustava hibridnog pogona potpomognutog solarnim sustavom za ispitanu vrstu plovila je oko 25% veća od sustava klasične dizel propulzije. S druge strane hibridno-solarni sustavi, osim znatno manjeg utjecaja na zagađenje okoliša i smanjenu potrošnju goriva, imaju i mogućnost autonomne plovidbe korištenjem samo solarne energije za punjenje baterija, što bi mogla biti i presudna značajka za izbor ovog propulzijskog sustava ispred čisto dizelskog pogona.

0