Lotta płynie z prądem

Współczesny jacht jest w coraz większym stopniu zależny od urządzeń elektrycznych. Pod żaglami wszystkie te urządzenia zasilane są z akumulatorów. Pojemność akumulatorów jest ograniczona, nic więc dziwnego, że każdy właściciel i skipper jachtu, prędzej czy później musi odpowiedzieć na pytania o ilość dostępnej energii elektrycznej.

Czy laptop z podłączonym GPS-em i mapami może być włączony non-stop? Ile prądu pobiera nasłuchująca stale radiostacja VHF? Czy starczy prądu do zasilenia lamp nawigacyjnych w sierpniową noc na Bałtyku? Złocisty napój smakuje po zacumowaniu najlepiej, gdy jest mocno schłodzony, ale czy włączona przez wiele godzin lodówka nie spowoduje, że zabraknie energii dla autopilota? Czy ma energetyczne uzasadnienie uprzejma prośba „zgaś tę lampę wreszcie”, skierowana do załoganta czytającego książkę w koi dziobowej, w czasie nocnego postoju w szkierach?

Problemy z niedostatkiem energii elektrycznej w zasadzie znikają po włączeniu silnika, napędzającego alternator. Ale czy na pewno? A co jeśli ładowanie nie działa i wyjdzie to na jaw dopiero, gdy akumulatory będą już tak rozładowane, że prądu nie wystarczy do oświetlenia miejsca naprawy, nie mówiąc o ponownym rozruchu silnika?

Takie i podobne pytania nurtują mnie od pierwszych morskich rejsów. Sformułowanie odpowiedzi wymaga rozpoznania potrzeb – chcę wiedzieć ile prądu zużywają różne urządzenia i jaki prąd płynie przez akumulator w trakcie ładowania. Informacje podane przez producentów urządzeń nie zawsze są dostępne, dokładne i niekoniecznie odpowiadają sytuacji na konkretnej łódce. Moja ciekawość została zaspokojona dopiero po zainstalowaniu na jachcie miernika stale pokazującego natężenie prądu pobieranego lub dostarczanego do i z akumulatora. Działanie i instalacja takiego miernika wymagają kilku wyjaśnień, które przedstawiam poniżej.

Pomiar napięcia i natężenia prądu

Najpierw przypomnijmy podstawowe informacje o jednostkach używanych przy pomiarach prądu elektrycznego. Napięcie prądu mierzy się w woltach (V), natężenie w amperach (A), a moc urządzeń (a więc ich zdolność do wykonania pracy lub dostarczenia światła) wyrażamy w watach (W). Jeżeli znamy moc urządzenia, to natężenie płynącego przezeń prądu obliczamy dzieląc moc przez napięcie. Przez żarówkę o mocy 12W, działającą pod napięciem 12 woltów,, będzie więc płynąć prąd o natężeniu 1A. Ładunek elektryczny gromadzony w akumulatorze (czyli upraszczając: dostępną ilość prądu) wyrażamy natomiast w amperogodzinach (Ah) i obliczamy go mnożąc natężenie prądu płynącego przy ładowaniu, przez czas tego ładowania. W odwrotną stronę, akumulator o pojemności 100 Ah, teoretycznie może przez 25 godzin zasilać urządzenia prądem o natężeniu 4A. Pamiętajmy jednak, że prąd, który faktycznie możemy uzyskać z w pełni naładowanego akumulatora, odpowiada najwyżej połowie jego nominalnej pojemności (czyli w podanym przykładzie: około 50 Ah).

By sprawdzić jakie napięcie elektryczne daje aktualnie akumulator, do jego zacisków wystarczy przyłożyć kable woltomierza i odczytać wartość napięcia podaną w woltach. Niczego nie trzeba rozłączać. Miernik możemy umieścić w dowolnym miejscu na jachcie, łącząc go z zaciskami akumulatora długimi cienkimi kablami. Często taki miernik jest zainstalowany na stałe, a do doraźnych pomiarów wystarczy najtańsze urządzenie – miernik uniwersalny dostępny za 20 zł w każdym technicznym supermarkecie.

Akumulator kwasowy, a z takimi najczęściej mamy do czynienia, w pełni naładowany, daje napięcie 12.6V. Napięcia będzie maleć w miarę rozładowania akumulatora – wartość poniżej 10.5 V oznacza, że akumulator jest praktycznie całkowicie rozładowany. Mierzone wartości napięcia będą miarodajne, jeśli zostaną wykonane przy wyłączonych wszystkich odbiornikach prądu. Bezpośrednią informację o zużyciu energii elektrycznej przez różne urządzenia da nam jednak nie napięcie, a natężenie prądu. Jego pomiar jest bardziej skomplikowany.

Po pierwsze, amperomierz musimy włączyć w obwód szeregowo, tak żeby przez niego popłynął cały prąd, a to oznacza rozłączenie obwodu i włożenie miernika pomiędzy rozłączone punkty – nie wystarczy po prostu „dotknąć” dwóch punktów zamkniętego obwodu. Po drugie, amperomierz powinien znaleźć się na kablu, którym płynie łączny prąd przeznaczony dla wszystkich urządzeń oraz prąd ładowania akumulatora. Taki prąd może być duży (kilkadziesiąt amperów), kabel jest więc gruby i znajduje się zwykle przy samym akumulatorze. Odczyt wskazań tam umieszczonego miernika będzie niewygodny. Amperomierz usytuowany w łatwiej dostępnym miejscu wymagałby podciągnięcia do niego grubych kabli. Jest to jednak niewygodne, niebezpieczne (zagrożenie pożarem w przypadku zwarcia), nieestetyczne i wiąże się z niepotrzebnymi stratami energii elektrycznej.

Opisane tu trudności ominiemy, wstawiając na stałe w gruby kabel koło akumulatora nie miernik, a element o małej, precyzyjnie określonej oporności. W trakcie przepływu prądu mierzymy precyzyjnym woltomierzem napięcie ΔU na końcach takiego opornika. Z prawa Ohma, natężenie prądu płynącego przez opornik, a więc i w całym obwodzie, wynosi: I = ΔU/R. R to oczywiście oporność elementu. Na podstawie zmierzonego napięcia, znając oporność, możemy więc obliczyć natężenie prądu w kablu. Właściwy miernik (woltomierz) możemy umieścić w dowolnym miejscu na jachcie, łącząc go z opornikiem cienkimi, długimi przewodami. Musimy jedynie uważać na zakłócenia – ­mierzone napięcia będą bardzo małe – kilka do kilkudziesięciu miliwoltów.

Kompletny przyrząd (opornik, miernik, łączące przewody), działający na opisanej tu zasadzie, można kupić. Z reguły, takie urządzenie kosztuje kilkaset złotych, automatycznie przelicza mierzone na oporniku miliwolty na ampery, łączy funkcje pomiaru napięcia i natężenia prądu, oraz szacuje ilość energii elektrycznej zmagazynowanej w danej chwili w akumulatorze. Ta ostatnia funkcja wymaga, by urządzenie włączone było cały czas, również w czasie wielodniowego postoju jachtu na przystani. Istotne jest więc, by miernik na własne potrzeby pobierał jak najmniej prądu. Najbardziej oszczędne modele zużywają 1,5 mA, co odpowiada zaniedbywalnemu poborowi 1Ah w ciągu miesiąca. Te mniej oszczędne, pociągną natomiast nawet 50 mA. Jak łatwo obliczyć, w czasie miesięcznego postoju stracimy wtedy 36 Ah ładunku, co doprowadzi do całkowitego rozładowania małego akumulatora!

Warto zaznaczyć, że rozrusznik silnika, przez krótką chwilę pobiera prąd o natężeniu setek amperów. Przy sprawnie odpalającym silniku nie jest to jednak istotne w bilansie energii elektrycznej – przykładowo: 200 amperów pobierane przez 10 sekund oznacza ubytek z akumulatora zaledwie 0.5 Ah ładunku. Uruchomiony wraz z silnikiem alternator bardzo szybko wyrówna tę stratę. Możemy więc zrezygnować z mierzenia prądu rozruchowego.

Pamiętajmy jednak, że istnieją inne urządzenia niemal równie żarłoczne jak rozrusznik (np. ster strumieniowy, czy winda kotwiczna). Trudno o nich zapomnieć w bilansie energii elektrycznej, ale zwracam uwagę, że wspomniany opornik pomiarowy też ma ograniczoną wytrzymałość (maksymalny prąd, który może przez niego popłynąć). Być może więc niektóre urządzenia będziemy musieli podłączyć oddzielnie – poza obwodem, dla którego mierzymy natężenie prądu.

Bilans prądu na jachcie Lotta

Lotta jest małym morskim jachtem typu Albin Vega (długość 8.25m) wyposażonym w większość urządzeń potrzebnych w bałtyckiej żegludze. Ma dwa akumulatory: zwykły samochodowy, o pojemności 60 Ah, służący wyłącznie do rozruchu wysokoprężnego silnika oraz drugi, 80 Ah, dostosowany do głębokiego rozładowania, z którego zasilane są pozostałe urządzenia. Akumulatory ładowane są z alternatora w trakcie pracy silnika. Urządzenia elektryczne używane na moim jachcie oraz pobierany przez nie prąd, zostały wymienione w tabeli.

Urządzenie

Natężenie prądu
w amperach

Radiostacja VHF Navicom RT-450 DSC

        czuwanie:

        nadawanie (25W):

        podświetlenie:

0.2

4.2

0.1

Radiostacja Standard Horizon GX-2100E (z wbudowanym odbiornikiem AIS)

       czuwanie:

       nadawanie (25 W):

       podświetlenie:

0.5

5.0

0.1

GPS stacjonarny Garmin 152

podświetlenie

0.1

0.1

Echosonda CUDA 128

podświetlenie

0.1

0.1

Log/echosonda EchoPilot Trio

0.1

Podświetlenie kompasu

0.1

Lampa trójsektorowa LED (polski producent, kiepska jakość i trwałość)

0.3

Lampa trójsektorowa LED Hella Marine

0.7

Lampa trójsektorowa z żarówką 25W (dla porównania)

ok. 2.1

Lampa kotwiczna topowa biała dookólna LED

0.5

Lampy burtowe (czerwona i zielona) z żarówkami 25W

4.2

Lampa rufowa (biała) z żarówką 10W

0.8

Laptop nawigacyjny Dell Latitude D400 z GPS, bez ładowania baterii
(zasilacz 12V)

1.6

to samo z wyłączonym ekranem

1.0

nieobciążony zasilacz tego laptopa

0.1

Laptop ThinkPad T400

przeglądanie stron internetowych, połączony z internetem przez modem USB, bez ładowania baterii, z przetwornicą 230V

do 2.9

to samo, z zasilaczem 12V

do 1.7

wyłączony, tylko ładowanie baterii

5.1

ładowanie w pełni rozładowanej baterii, jednoczesne kopiowanie zdjęć

8.2

Autopilot

praca

0.5-1.5

czuwanie

0.1

Przetwornica 230V, 150W, włączona, nieobciążona

0.3

Lampa LED podsufitowa

0.2

Lampa podsufitowa z żarówką 10W

0.8

Lampka LED do czytania

0.05

Ładowarka baterii 4xAA

0.1

Lodówka (z ogniwem Peltier)

0.7-5.1

Ładowanie telefonu komórkowego przez zasilacz 12V

0.3-0.1

Pompa zęzowa Whale Gulper 320 (maks. 20 litrow na minutę)

do 5

Monitor akumulatora NASA Battery Monitor BM-1 Compact

(pomiar napięcia i natężenia, ocena poziomu naładowania) – stale włączony

0.0015

W czasie żeglugi zawsze włączona jest radiostacja VHF oraz odbiornik GPS oraz urządzenie łączące funkcje logu i echosondy.  Radiostacja, zależnie od modelu, w trybie czuwania zużywa od 0.2 do 0.5A. Odbiornik GPS – 0.1A, log echosonda – mniej niż 0.1 A. Przy obecnie zainstalowanej radiostacji z odbiornikiem AIS (Standard Horizon GX 2100E), tej bardziej żarłocznej,  całkowite zużycie prądu zawsze włączonych urządzeń to niecałe 0.7A.

Świadomie zainstalowałem w kokpicie urządzenie GPS wyposażone w monochromatyczny wyświetlacz i nieobsługujące map, za to zużywające bardzo niewiele energii elektrycznej. Jego zadaniem jest czytelne wskazywanie kursu na zadany punkt drogi, podawanie pozycji, czasu i, co bardzo ważne, przekazywanie aktualnej pozycji do radiostacji wyposażonej w funkcję cyfrowej komunikacji DSC. Dzięki temu, po wciśnięciu znajdującego się na panelu radiostacji przycisku „Distress”, automatycznie wysłany sygnał wzywania pomocy będzie zawierał dane o pozycji jachtu. Chartplotter z kolorowym wyświetlaczem i mapami też oczywiście przydałby się w kokpicie, ale zużycie prądu było by wtedy kilka razy większe.

W nocy, do wymienionych wyżej urządzeń dochodzi diodowa lampa trójsektorowa na topie masztu podświetlenia wyświetlaczy GPS i VHF oraz kompasu – całkowite zużycie prądu wzrasta do 1.7A. Okazuje się więc, że w dzień mogę żeglować przez około 60 godzin, a w nocy niemal trzykrotnie krócej – przy założeniu, że nie włączam na długo innych urządzeń i mam do dyspozycji 40 Ah ładunku zgromadzonego w akumulatorze.

Prądożerne urządzenia, które chciałbym mieć włączone przez długi czas są dwa: autopilot i komputer nawigacyjny. Oszacowanie średnich potrzeb autopilota jest trudne. W stanie czuwania autopilot pobiera jedynie 0.1A. Jednak sterując, co chwile porusza on rumplem. Przy spokojnym morzu są to niewielkie i częste, ale lekkie szarpnięcia. Na dużej fali autopilot wykonuje obszerne ruchy z dużą siłą i niemal bez przerwy. Muszę się liczyć ze średnim zużyciem prądu od około 0.5A, do 1.5 A w ciężkich warunkach.

Komputer nawigacyjny jest umieszczony w kabinie na specjalnym uchwycie, tak że widoczny jest również z kokpitu i dobrze pełni rolę chartplottera. Zużywa dość dużo prądu (1.6A) i dlatego na otwartym morzu uruchamiany jest kontrolnie tylko raz na jakiś czas. Na skomplikowanych nawigacyjnie akwenach musi jednak pracować bez przerwy.

Zainstalowane na jachcie fabrycznie lampy burtowe i rufowa, zużywają łącznie 5A prądu. Włączam je tylko, gdy płynę na silniku (wraz z przednią lampą silnikową). Wszystkie te żarówki w żegludze na żaglach prowadziłyby do bardzo szybkiego wyczerpania akumulatora – prądu starczyłoby raptem na jedną krótką noc! Dlatego zdecydowałem się na zakup i instalację ledowej lampy trójsektorowej.

Podobnie, we wszystkich lampach oświetleniowych w kabinie, żarówki wymieniłem na zestawy diód. Dają one wystarczająco dużo światła, choć nieco mniej niż z żarówki. Całkowite zużycie prądu, przy wszystkich lampach włączonych, zmalało z ponad 3A do 0.7A! Lampy w kabinie mogą być teraz włączone tak długo jak jest to potrzebne – brak konieczności oszczędzania na oświetleniu kabiny, to duży luksus, korzystnie również wpływający na stosunki kapitan-załoga.

Z innych urządzeń, w czasie długich przelotów pod żaglami, lodówka pozostaje zawsze wyłączona. Jest bardzo przydatna w porcie, w czasie żeglugi na silniku, oraz wtedy, gdy mam pewność, że po kilku godzinach będę mógł naładować akumulator. Dodatkowy laptop, szczególnie gdy ma rozładowane baterie, będzie bardzo istotnym konsumentem energii elektrycznej. Zastosowanie 12V zasilacza, zamiast kombinacji przetwornica-zasilacz 230V, pozwoli zaoszczędzić około 30% prądu. Zwróćmy uwagę, że przetwornica marnuje pewną ilość energii również wtedy, gdy żadne urządzenie nie jest do niej podłączone. Zużycie prądu przez ładowarkę baterii „paluszków”, czy też ładowarkę telefonu komórkowego nie jest znaczące w całkowitym bilansie energii. Pompa zęzowa pobiera maksymalnie około 5A prądu, ale w normalnych sytuacjach, nigdy nie pracuje dłużej niż kilkadziesiąt sekund.

Baterie słoneczne

Ważnym uzupełnieniem bilansu energii  są baterie słoneczne. Obecnie na Lotcie zainstalowane są dwie baterie o łącznej nominalnej mocy 50W. Umieszczone są one poziomo: jedna na kieszeni suwklapy, druga na szprycbudzie. Z prostego przeliczenia deklarowanej przez producenta mocy na natężenie prądu, możnaby sądzić, że z baterii tych mogę otrzymać ponad 4A prądu, nigdy jednak nie udało mi się zmierzyć większego natężenia niż 3A (przy idealnym nasłonecznieniu).

Podsumowanie

Przedstawione tu zestawienie zużycia prądu jest owocem systematycznych obserwacji prowadzonych na jednym jachcie, w różnych warunkach, przez kilka sezonów. Znajomość typowych wartości i stała kontrola wskazań mierników umożliwiają mi rozsądne gospodarowanie cenną energią elektryczną oraz wczesne dostrzeżenie ewentualnej awarii. Choć każdy jacht jest inny, a rozmaitość zainstalowanych na naszych łódkach urządzeń – ogromna, to mam nadzieję, że zebrane tu dane przydadzą się również innym skipperom. Jak widać, amperomierz dostarcza wielu ciekawych informacji, które zwiększą szansę na żeglugę bez elektrycznych niespodzianek!

Tekst jest uaktualnioną wersją artykułu opublikowanego w numerze 03/2012 miesięcznika „Żagle”.

Odpowiedź do artykułu “Lotta płynie z prądem

  1. Dawid

    Polecam ciut rozbudować instalację np podobnie jak ja zrobiłem u siebie . U siebie ( jacht typu Bostrom B31) wygląda to tak: bateria nr 1 – 100 Ah, bateria nr 2 – 64 Ah, bateria nr 3 – znowu 64 Ah, bateria nr 4 – 75 Ah. Pierwsze 3 ( kwasowe w technologii AGM) mogą w dowolnej kolejności do wyboru zasilać sekcję „nawigacja” lub sekcję „hotel”, na które to sekcje jest podzielona rozdzielnice główna. Bateria nr 4 ( kwasowa z elektrolitem płynnym w celach czyli klasyczna rozruchowa) jest tylko do rozruchu. Pomiędzy bateriami a rozdzielnicą mam system przełączników oparty na zwykłych FR-ach w rozdzielnicy RN o stopniu IP 44 lub lepszym. Uklad umozliwia przełączanie sekcji rozdzielnic na zasilanie z dowolnej baterii, bezprzerwowe przechodzenie z baterii na baterię oraz awaryjne zasilenie rozrusznika z reszty baterii nawet połączonych równolegle. Możliwe jest też awaryjne zasilenie rozdzielnicy baterią rozruchową. Każda bateria jest ładowana z silnika, solar lub ładowarek w porcie. Propo wydajności solarów to najlepsze efekty dają statywy z możliwością ustawienia baterii prostopadle do promieni słonecznych. Wtedy z baterii wciskamy nierzadko parametry znamionowe. Regulator ładowania w technologii MPPT pozwoli wykorzystać fakt, że napięcie na solarze wynosi niejednokrotnie i 18 V i nie tylko reguluje prąd ładowania odcinający napięcie do powiedzmy 14-14,5 V ale przetwarza jeden układ napięć i prądow w drugi. W uproszczeniu: przykładowy solar daje 18V i 3A. Niestety prosty regulator obcina napięcie i marnuje energię wynikającą z wyższego napięcia. Obcina bezpowrotnie napięcie do 14,5 V. 14,5×3=43,5 W. Regulator MPPT wykorzystuje pełne napięcie solar 18 V co daje 18×3=54 W. 54/14,5=3,72 A. W rezultacie prąd ładowania wzrasta do 3,7A. To oczywiście duże uproszczenie nie uwzględniające wielu danych w tym strat, sprawności itp ale ukazuje, że warto. Pozdrawiam, Dawid

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Nie chcemy spamu. Proszę cyframi uzupełnić działanie matematyczne. * Time limit is exhausted. Please reload CAPTCHA.