Dzisiejsze czasy przyniosły na jachty taką ilość i to różnego typu odbiorników prądu elektrycznego, że dobór akumulatorów stał się prawdziwym wyzwaniem. Całe szczęście, że SSI ma w tej dziedzinie wybitnego specjalistę – znanego wszystkim Czytelnikom i Skrytoczytaczom konsultanta – doktora inżyniera Tadeusza Lisa.

Dziś pogadanka na temat doboru akumulatorów na 29-stopowy jacht żaglowy – przygotowywany do rejsu atlantyckiego. Na jachtach odbiorników prądu nadal przybywa – armatorów zachęcam do uważnej lektury i … wydruku artykułu.

Tadeuszowi podziękowania !

Żyjcie wiecznie !

Don Jorge

=========================

O skomplikowanym doborze baterii jachtowych prostym językiem
.

Członek Klanu SSI, przyjaciel domu, Mieczysław Krause zwrócił się o pomoc jak zaprojektować system zasilania w energię Jego jachtu „Bonofacio”. Ponieważ mamy w spółce bardzo duże doświadczenie w budowie niskokosztowych systemów zasilania rezerwowego do małych domów (również takich bez generatora prądotwórczego – implementacja centralnego UPS dla całego domu z awaryjnym zasilaniem z dowolnego samochodu), to z radością się za to wzięliśmy.
Bo czyż jacht nie jest naszym drugim domem? Poniżej opisuję krok po kroku w jaki sposób dobraliśmy optymalną wielkość akumulatorów, zwracając uwagę na dość istotne szczegóły ich charakterystyk – również tych, które nie są powszechnie znane. Ponieważ moim celem jest inspiracja dla Klanu, a nie reklamowanie usług spółki ani konkretnych produktów, dlatego celowo unikam nazw własnych.
Zacznijmy od tego, jaki powinien to być akumulator. Po przemyśleniu zdecydowaliśmy, że na s/y „Bonifacio” musimy zastosować wyłącznie akumulatory żelowe zamiast litowo-jonowych – mimo, że nasz dostawca, który dowiedział się o planowanym rejsie oceanicznym  Mieczysława chciał nam je sprzedać z dużą zniżką.

.
Dlaczego tak?
1. Bezpieczeństwo pożarowe
Akumulatory żelowe są znacznie bezpieczniejsze niż litowo-jonowe, szczególnie w środowisku morskim, gdzie panują trudne warunki – wysoka wilgotność, zasolenie powietrza i ograniczone możliwości szybkiej ewakuacji w przypadku zagrożenia. Akumulatory litowo-jonowe są podatne na
zjawisko thermal runaway (niekontrolowany wzrost temperatury), co może prowadzić do pożaru lub eksplozji, szczególnie jeśli dojdzie do ich uszkodzenia mechanicznego, przeładowania lub zwarcia. Pewną poprawę bezpieczeństwa ma nowsza generacja, to jest LIFEPO4 – ale nie mamy z nimi dostatecznego doświadczenia, a opinie cały czas bywają podzielone – patrz tutaj: https://www.youtube.com/watch?v=07BS6QY3wI8  dla pasjonatów – również tutaj: https://www.youtube.com/watch?v=vraRhNpEWcE
Czy to jest zagrożenie teoretyczne? Nie "Felicity Ace" zatonął, nie było szansy na ugaszenie pożaru.
Akumulatory żelowe, w przeciwieństwie do litowo-jonowych, mają niższe ryzyko pożaru, ponieważ ich elektrolit jest zagęszczony, co minimalizuje możliwość wycieku i reakcji chemicznych prowadzących do samozapłonu.
2. Koszty
Akumulatory żelowe są również znacznie tańsze od litowo-jonowych. Choć litowo-jonowe oferują większą gęstość energii i lżejszą konstrukcję, ich cena zakupu i instalacji jest nawet 2-3 razy wyższa. Dodatkowo wymagają zaawansowanych systemów zarządzania baterią (BMS) oraz specjalnych
zabezpieczeń, co generuje kolejne koszty. Dlatego też, uznaliśmy, że na jachcie takim jak „Bonifacio”, gdzie niezawodność i prostota obsługi są kluczowe - akumulatory żelowe zapewniają dłuższą żywotność przy niższym koszcie eksploatacji.Jednak w praktyce okazuje się, że akumulatory, z których będziemy budować baterię muszą spełniać następującą koniunkcję cech:
a. Muszą mieć zdolność do niefikcyjnego, głębokiego rozładowania (do 90%)

b. Tak głębokie rozładowanie nie może je niszczyć nawet przez kilka miesięcy (4-6) – choć oczywiście nie jest to stan pożądany
c. Muszą mieć płaską charakterystykę napięciową w funkcji poboru prądu ze względu na silnik autopilota (moc na rumplu zależy od kwadratu napięcia). To ważne i niewiele akumulatorów ma na rynku taką charakterystykę – muszą być do tego specjalnie zaprojektowane.
d. Muszą mieć bardzo niski wskaźnik samorozładowania.
e. Muszą mieć właściwy materiał obudowy, który łączy w sobie udarność oraz dobre przewodnictwo cieplne. Oto wskazówki dla Waszych wyborów. Obudowy akumulatorów odporne na uderzenia (udarowe) są projektowane z myślą o wytrzymałości mechanicznej, odporności na czynniki chemiczne i rodowiskowe. Stosowane materiały muszą być również odporne na wibracje, zmiany temperatury i działanie elektrolitu. Oto najczęściej stosowane materiały do produkcji takich obudów:
1. Polipropylen (PP) – wzmocniony włóknem szklanym
• Cechy:
- Wyjątkowa odporność na uderzenia i pęknięcia.
- Bardzo dobra odporność na chemikalia, w tym kwasy akumulatorowe – również żele.
- Wysoka odporność na temperatury (-40°C do +120°C). Mogą mieszkać w komorze silnika lub blisko niej.
- Wzmocnienie włóknem szklanym dodatkowo zwiększa odporność mechaniczną.
• Zastosowanie:
Najczęściej stosowany w akumulatorach żelowych i AGM, gdzie wymagana jest większa odporność na wstrząsy i uderzenia. To rozsądny, ekonomiczny wybór.
2. Polietylen (PE)
• Cechy:
- Dobra elastyczność i odporność na pęknięcia.
- Wysoka odporność na działanie chemikaliów.
- Tańszy niż polipropylen, ale nieco mniej odporny na wysokie temperatury.
• Zastosowanie:
Popularny w akumulatorach rozruchowych i aplikacjach, gdzie koszt jest istotnym czynnikiem. Ale poza kosztem jakoś nie mogą się pochwalić niedogmatycznie długą listą zalet…
3. ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)
• Cechy:
- Bardzo wysoka odporność na uderzenia i pęknięcia.
- Odporny na wysokie temperatury i działanie UV.
- Dobra odporność chemiczna, choć nieco słabsza niż polipropylen.
• Zastosowanie:
Akumulatory trakcyjne i przemysłowe, gdzie istnieje duże ryzyko uszkodzeń mechanicznych. Stosowany także w akumulatorach litowo-jonowych, gdzie obudowy muszą być lekkie, a jednocześnie wytrzymałe. Mogą być montowane na pokładzie (np. pod przewiewną ławką, gdy kojarzycie je z fotowoltaiką i np. napędem windy kotwicznej.
4. PVC (Polichlorek winylu)
• Cechy:

- Odporność na chemikalia i korozję.
- Średnia odporność na uderzenia w porównaniu do PP i ABS.
- Dobra izolacyjność elektryczna.
• Zastosowanie:
Używany głównie w mniejszych akumulatorach, np. w zastosowaniach medycznych lub elektronice. NIE NADAJĄ SIĘ NA WASZE JACHTY
5. Metalowe obudowy (stal nierdzewna, aluminium)
• Cechy:
- Wysoka odporność na uderzenia i przebicia.
- Ochrona przed promieniowaniem elektromagnetycznym.
- Cięższe niż plastikowe obudowy.
• Zastosowanie:
Stosowane w akumulatorach przemysłowych lub specjalistycznych zastosowaniach, takich jak wojskowe lub lotnicze systemy zasilania. Idealnie odporne – ale bardzo drogie.
6. Poliwęglan (PC)
• Cechy:
- Niezwykle wysoka odporność na uderzenia (często stosowany w szybach
kuloodpornych).
- Przezroczystość – pozwala na wizualną inspekcję wnętrza akumulatora.
- Dobra odporność chemiczna i termiczna.
• Zastosowanie:
Akumulatory laboratoryjne lub specjalistyczne, gdzie wizualna kontrola jest ważna. Raczej ciekawostka, ale po zakończeniu niektórych programów badawczych można je bardzo tanio kupić. Zazwyczaj są wysokiej jakości, często o znakomitych charakterystykach, Nowe są wykluczone ze względu na cenę.

.

Dlaczego odporność na uderzenia jest ważna?
1. Bezpieczeństwo mechaniczne:
Wstrząsy, upadki lub uderzenia na fali mogą prowadzić do pęknięcia obudowy, co z kolei powoduje wyciek masy elektrolitu lub zwarcie wewnętrzne.
2. Ochrona przed ekstremalnymi warunkami:
Na jachtach, w pojazdach terenowych czy w przemyśle, akumulatory są narażone na wibracje i dynamiczne obciążenia. Wbrew pozorom nie są one małe. Przykładowo na moim „Donaldzie” w silnych wiatrach podwięzie wantowe przenoszą w kursach ostrych dość silne wibracje na poszycie kadłuba.
3. Ochrona przed czynnikami chemicznymi:
Obudowy muszą być odporne na działanie kwasów (w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych) lub rozpuszczalników (w akumulatorach litowych).

.

.

.

Co zatem wybrać?
Sugerowałbym polipropylen wzmocniony włóknem szklanym (PP GF), który łączy lekkość, odporność chemiczną i wysoką wytrzymałość mechaniczną. Dla bardziej wymagających zastosowań (jachty krążownicze do pływania w złych rejonach) wybierzcie ABS lub metalowe obudowy.

Poniżej teoretyczne obliczenia zapotrzebowania na energię na s/y „Bonifacio”.
W praktyce okazało się, że zawyżyliśmy pobór, który faktycznie (z pomiarów) wyniósł około 8-9A, ponieważ ploter okazał się mniej prądożerny w trybie low-energy. Także nowoczesna UKF-ka nie była aż tak żarłoczna, ponieważ dość szybko przechodziła w tryb stand-by nasłuchu. W projektowaniu systemu na „Bonifacio” pojawiło się interesujące pytanie o optymalną pojemność baterii akumulatorów.
Zadecydował o tym zamieszczony wyżej wykres.
Jak zauważyliście liczba cykli spada liniowo wraz ze wzrostem stopnia rozładowania całej baterii. Zatem sterując jej wielkością możemy dobrać do konkretnych zastosowań pojemność baterii. Nie jest to trudne. Pod uwagę weźcie bilans energii, profil zużycia dobowego oraz dostępne źródła mocy.
Konkretnie dla „Bonifacio” optymalna wielkość baterii (z rezerwą 20%) wynosi 7kWh i taka została zainstalowana. Zródłem prądu jest zestaw czterech paneli słonecznych o realistycznej produkcji w okresie wiosenno-jesiennym około 5-8 kWh w słoneczny dzień. Zużycie realistyczne całodobowe wynosi pod żaglami około 2-2 kWh. Zatem całe zużycie zostaje pokryte przez panele (4x200W) + ewentualnie silnik z dość mocnym alternatorem. Poprawiliśmy jego charakterystykę robiąc dedykowane koła pasowe, aby oddawał pełną moc już przy niskich obrotach.

.

Powstaje ciekawe pytanie, czy wystarczy kryterium pojemności?

Odpowiedź brzmi – nie. Musimy tak dobrać charakterystyki napięciowe, aby urządzenia pokładowe były możliwie długo zasilane stabilnym, nominalnym napięciem – bliskim znamionowemu. Dlaczego?
Chodzi o bezpieczeństwo pożarowe nieznanych nam urządzeń elektronicznych, które w przyszłości znajdą się na pokładzie. Musicie mieć  świadomość, że większość współczesnych zasilaczy to są przetwornice step-down – ale uwaga, nie tylko stało napięciowe, ale też stałomocowe. Oznacza to, że spadek napięcia w Waszej instalacji automatycznie podnosi natężenie prądu w zasilaczu. Większość z nich nie jest do tego przystosowana – tak spaliłem drogi zasilacz w mojej stacji roboczej Lenovo. Dlatego popatrzcie jak to wygląda na „Bonifacio”. Nawet gdyby nie było ładowania, wszystkie urządzenia będą poprawnie zasilane dłużej niż przez 40 godzin (ustawiliśmy zabezpieczenie na poziomie 10,5V, aby mieć pewność działania AIS’a i UKF możliwie długo w czasie katastrofalnego zalania jachtu.

.
Na koniec jeszcze jeden ważny szczegół. Zadbaliśmy metodą bardzo żmudnej selekcji, aby akumulatory tworzące baterie na „Bonifacio” miały pomijalnie różne opory wewnętrzne (przy obciążeniach dynamicznych). Dzięki temu samorozładowanie baterii jest niezauważalne i praktycznie ie zaobserwaliśmy jej grzania nawet przy większych obciążeniach.
Do symulacji obciążenia użyliśmy produkowanej przez nas magicznej skrzyneczki o nazwie CarBox, która jest generatorem prądu 230V 50Hz do zasilania domu z pracującego w pobliżu na wolnych obrotach dowolnego samochodu. To pozwoliło nam zasymulować warunki na „Bonifacio”, zanim elementy zostały rozmontowane i przewiezione do Gdańska.

Zwróćcie  też uwagę na kabel zasilający. Może przenieść bez zauważalnego spadku napięcia 1000A. Czystość miedzi – 9 na czwartym miejscu po przecinku. Nadzabijalność? Niekoniecznie – czy możemy mieć pewność, że Mieczysław na pokład wśród narzędzi nie weźmie na przykład małej spawareczki?

Pozdrawiam cały Klan SSI!

Tadeusz