Inhoud. 1. Inleiding 4

1

Herziene derde druk Juli 2006

2

Inhoud. 1. Inleiding

4

2.Schepen, voortstuwingssystemen en rendement 2.1 De scheepsschroef 2.2 Het rendement van de schroef 2.3 Elektrisch varen 2.4 Aanvullende informatie 3. Vermogen en snelheid 3.1 Conclusies 3.2 Aanvullende informatie 3.2.1 De methode om het benodigde vermogen te berekenen 4. De elektrische aandrijving 5. De elektromotor 5.1 Aanvullende informatie 5.1.1 Vermogen, koppel en toerental 5.1.2 Toerental 5.1.3 Rendement 5.1.4 De gelijkstroommotor 5.1.5 Het toerental van de gelijkstroommotor 5.1.6 Gelijkstroommotoren en hun magnetisch veld 5.1.7 Achteruit varen 5.1.8 Welk type motor voor elektrisch varen 5.1.9 Motorgegevens interpreteren 5.2 Borstelloze motoren, de toekomst 5.3 Samenvatting 6. De regelaar 6.1 Voor en achteruit varen 6.2 Hoe zwaar kiezen we de regelaar 6.3 Aanvullende informatie 7. De accu’s 7.1 Geschiedenis 7.2 Verschillende soorten accu’s 7.3 De Loodaccu 7.4 Levensduur van een loodaccu 7.5 Zelfontlading van accu’s 7.6 Capaciteit van een accu 7.7 Meten van de accucapaciteit 7.8 Soorten loodaccu’s 7.9 Welk accutype voor het elektrisch varen 7.10Accuschakelingen 7.11 Hoeveel accu’s heb ik nodig om hoe lang te kunnen varen? 7.12 De plaats van de accu’s aan boord. 7.13 Aanvullende informatie 7.13.1 Serie schakeling van cellen en accu’s 7.13.2 Parallel schakeling van accu’s 7.13.3 De vaartijd afhankelijk van de accucapaciteit en snelheid 8. De lader 8.1 Snelladers 9. Rendement van de totale installatie 10. Bekabeling 11. Onderhoud 11.1 Onze elektrische aandrijving in de winter. 11.2 Aanvullende informatie 12. Binnenboord en buitenboord 13. Hybride systemen 13.1 Diesel met elektrische hulpmotor 13.2 Elektrische aandrijving met dieselgenerator 13.3 Aanvullende informatie 14. Brandstofcellen, de toekomstdroom van elke watersporter 14.1 De brandstofcel 14.2 De reformer 15. Kostenvergelijking elektrisch varen 16. Elektrisch varen, wanneer wel en wanneer niet

5 5 7 10 11 13 15 16 18 19 20 22 22 23 24 24 25 27 28 29 30 32 34 35 36 37 38 40 40 41 42 42 43 44 45 45 47 48 49 50 51 51 52 52 53 54 54 56 57 57 58 59 62 62 63 64 67 67 68 70 71

3

1. Inleiding. Als je zo’n 20 jaar beroepsmatig met elektrische aandrijftechniek te maken hebt gehad en je aan het water komt te wonen, is de verleiding groot om elektrisch te willen gaan varen. In 1991 was het voor mij zo ver en hakte ik de knoop door. Er moest een elektrische sloep bij het huis komen. Botenbouwers die ik in die tijd bezocht en over elektrisch varen aansprak, waren weliswaar geïnteresseerd maar erg terughoudend. Veelal kreeg ik opmerkingen te horen zoals: te duur, te moeilijk, te korte actieradius etc. De leveranciers van elektrische systemen voor bootjes, die toen op de markt waren, kwamen vrijwel allemaal uit de vorkheftruck markt. Een vorkheftruck gebruikt in principe dezelfde componenten, zoals gelijkstroommotor, snelheidsregelaar en batterijen. In feite werd een volledige aandrijving van een vorkheftruck, met al zijn specifieke toeters en bellen in een boot gebouwd, nu alleen voorzien van een industriële joystick voor voor-achteruit en regeling van snelheid. Er was echter geen systeem te koop, dat werkelijk voor kleine schepen ontworpen was. Daarom besloot ik er zelf een te bouwen. De laagtoerige gelijkstroommotor werd door een fabrikant van elektromotoren volgens mijn specificatie gebouwd. Voor het regelen van het toerental koos ik een eenvoudige regelaar van het type, dat in elektrische golfcars wordt gebruikt. De joystick, compleet met schakelmechanisme en de schroefasinstallatie maakte ik zelf. Eenvoudige semi-tractie batterijen die voor verlichting in caravans en campers worden gebruikt completeerden het geheel. Silence Electrique, onze 5 meter lange sloep werd in 1992 officieel te water gelaten en heeft tot op heden al mijn verwachtingen ruimschoots overtroffen. Enthousiast over elektrisch varen word je pas echt, als je het een keer gedaan hebt. En dat gebeurde ook met mij, en vanzelfsprekend wilde ik mijn enthousiasme ook met anderen delen. Helaas stel ik daarbij ook nu in 2003 nog steeds vast, dat er veel onbegrip heerst, in het algemeen veroorzaakt door een onvoldoende fundamentele kennis van voortstuwingstechniek voor schepen en elektrische aandrijftechniek. Tel hier een overdosis wildwest verhalen bij op en we hebben de huidige situatie aardig omschreven. Opmerkingen als “met mijn 23 pk diesel kan ik dus minstens 4 maal zo snel als jij met je 5 PK elektromotor en je kunt alleen maar van die hele dure tractie batterijen gebruiken die maar 3 jaar mee gaan” hoor ik nog vaak. Het wordt pas een interessante discussie, als ik dan ook nog beweer, dat een moderne hoog rendement elektrische aandrijving goedkoper is dan een kleine diesel en dat de totale onderhoudskosten en afschrijvingen ook nog eens lager uitvallen. In dit boekje zullen een aantal onderwerpen behandeld worden, die helpen een beter inzicht in elektrisch varen te krijgen. 4

Aan de meeste hoofdstukken is een deel toegevoegd met aanvullende informatie voor de technisch ingestelde liefhebbers. Voor elektrisch varen geldt zeker: Als je het een keer gedaan hebt, wil je nooit meer wat anders. Mobiele elektrische aandrijvingen bestaan al heel lang. Rond 1910 was ca.10% van alle auto’s elektrisch. Dit kwam doordat de meeste vrouwen het met de hand aanslingeren van de motor te zwaar of gewoon niet “ Lady like” vonden. Deze elektrische auto’s hadden een zeer primitieve snelheidsregeling met weerstanden en ondanks de reusachtige accu’s een zeer beperkte actieradius. Met de uitvinding van de elektrische startmotor voor benzinemotoren stierf de elektrische auto. Met de nieuwe trend van elektrische of hybride auto’s, scooters en motoren zal ook het elektrisch varen gestimuleerd worden, doordat gelijke componenten in beide toepassingen gebruikt worden. Ook zullen er nieuwe impulsen gegeven worden aan de ontwikkeling en massaproductie van nieuwe batterijen. Zo word aangenomen dat lithium ionen batterijen, die een vijf maal hogere capaciteit hebben als loodaccu’s van gelijke afmetingen en gewicht, binnen vijf tot acht jaar prijstechnisch aantrekkelijk worden voor elektrisch varen. Ook wordt er momenteel gewerkt aan hele nieuwe unieke aandrijf concepten, die ook bij elektrisch varen hun toepassingen zullen vinden. Het elektrisch varen op zich is ook zeker niet nieuw. Alle onderzeeërs varen elektrisch. Zo ook vele grote zeeschepen waarbij een diesel of turbine een generator aandrijft, die op zijn beurt de elektriciteit voor de elektrische aandrijving levert. Door de hoge prijs, de beperkte actieradius en de onbekendheid met de mogelijkheden, was elektrisch varen voor kleine schepen in het verleden niet erg populair. Dit is de laatste jaren snel aan het veranderen

2. Schepen, voortstuwingssystemen en rendementen. Voordat we specifiek het elektrisch varen bespreken, moeten eerst een aantal belangrijke punten over de theorie van scheepsvoortstuwing verklaard worden.

2.1 De scheepsschroef Een schroefachtig apparaat, voor het voortstuwen van water, is niet nieuw. In 945 v.c. gebruikten de Egyptenaren al een schroefachtig apparaat voor irrigatie van hun akkers. 5

Archimedes (287-212 v.c. ) was de eerste die de schroef als voortstuwingsmechanisme wetenschappelijk beschreef. Leonardo da Vinci (1452-1519) maakte tekeningen van schroeven voor waterpompen. Zijn tekeningen van een helikopter, met een rotor die veel weg heeft van de eerste scheepsschroeven, zijn alom bekend. In het begin van de 19e eeuw was het schoepenrad de gebruikelijke manier van voortstuwen. De scheepsschroef, zoals die heden ten dage wordt toegepast, werd uitgevonden door Francis Petit Smith, die dit in 1836 vastlegde in een patent. De eerste schroeven hadden, ofwel meerdere achter elkaar gemonteerde wielen, ofwel een schroef met meerdere gangen, als een spiraal. Ze leken daarmee nog niet erg op de schroeven van nu. Francis Petit Smith experimenteerde met een houten schroef met twee complete gangen op het Paddington kanaal. Toen er een stuk hout onder zijn boot kwam, sloeg meer dan de helft van zijn schroef eraf. Het gevolg was dat zijn boot plotseling veel sneller ging varen. Door dit voorval ontstond het idee om een schroef van meerdere smalle bladen te voorzien. De voorvader van de huidige scheepsschroef was geboren. De in Zweden geboren en in Engeland werkende John Ericsson verbeterde het ontwerp en bouwde schepen die van een schroef waren voorzien die al heel veel leek op de huidige schroef. In Engeland werd hij niet erg gewaardeerd en daarom emigreerde hij naar Amerika waar hij zijn experimenten in dienst van de marine voortzette. Pas echt bekend of berucht werd Ericsson toen hij, aangemoedigd door de activiteiten van zijn broodheren, een heel nieuw kanon had bedacht. Het ding werd uitgeprobeerd aan boord van een marineschip, waarbij een groot aantal hoogwaardigheidsbekleders aanwezig was. Het kanon explodeerde en richtte een waar bloedbad aan. Ericsson stond bescheiden, of voorzichtig achteraan en overleefde de explosie. Hierna wilde de marine lange tijd niets meer van hem horen. Een kanon moet een slachting bij de vijand aanrichten en niet onder de eigen manschappen. Later bouwde hij het beroemde schip de Monitor voor de marine waardoor hij weer geheel in ere hersteld werd. J.Ericsson

6

2.2 Het rendement van de schroef. Met name bij elektrische aandrijvingen, maar ook bij een diesel of benzinemotor, willen we, dat de energie die in de boot gestopt wordt, zo veel mogelijk wordt omgezet in voortstuwing. Het rendement van de schroef is de verhouding tussen de energie die de schroef levert en de energie die erin gestopt wordt. Dit is een onderwerp waar je veel te weinig over leest. Wellicht komt dat, omdat hier een vrij complexe theoretische achtergrondkennis voor nodig is. Het rendement van scheepsschroeven laat zich, naar mijn mening, toch op een redelijk eenvoudige manier verduidelijken. We gaan ervan uit, dat een scheepsschroef een koker of tunnel water met de diameter van de schroef van voor de schroef naar achter de schroef verplaatst. Hierbij gedragen de bladen van de schroef zich als de vleugels van een vliegtuig. Er ontstaat een onderdruk voor de schroef en een overdruk achter de schroef. Het verschil in druk levert de energie waarmee de boot vooruit gaat. Voor een hoog rendement moet de boot met ongeveer dezelfde snelheid naar voren gaan als de tunnel met water naar achteren verplaatst wordt. Anders gezegd, de tunnel water staat vrijwel stil en de boot “schroeft” zich hier doorheen naar voren.

De spoed van de schroef is de verplaatsing van de tunnel water per omwenteling en wordt meestal in inches opgegeven. Een schroef met grote spoed zal dus een tunnel water sneller verzetten dan een schroef met een kleinere spoed, bij gelijk toerental. De boot zal nooit met dezelfde snelheid naar voren gaan als de tunnel water naar achteren. Het verschil wordt de propellerslip genoemd, en zal bij een juist berekende schroef tussen 10 en 20% liggen. Anders gezegd, 10 tot 20% meer water moet naar achteren worden gestuwd, dan de boot snelheid naar voren maakt. Laten we nu aan de hand van een praktijkvoorbeeld het rendement van een scheepsschroef verduidelijken. 7

We nemen een heel licht bootje met een relatief vlakke bodem, dat door zijn vorm en gewicht heel gemakkelijk planeert. Een rubberboot, van het soort dat vaak als bijboot wordt gebruikt, is een goed voorbeeld. Bij deze boot heb ik aan een tunnel water met kleine diameter genoeg om voldoende stuwkracht op te wekken. Wel moet het water met hoge snelheid naar achteren verplaatst worden, om de boot met vrijwel dezelfde, hoge snelheid (planerend) vooruit te laten komen. Voor deze toepassing kiezen we een schroef met kleine diameter en relatief grote spoed. Een buitenboord motor heeft een relatief kleine schroef en een grote spoed en zal op de rubberboot van ons voorbeeld, een hoog rendement hebben.

Nu nemen we dezelfde buitenboordmotor en hangen hem aan een zwaar rechthoekig stalen ponton van gelijke afmetingen. Dat wordt schrikken, veel kolkend water achter de schroef, maar nauwelijks snelheid en een zeer laag rendement. Als ik hier een motor met een laag toerental zou hebben gebruikt en een grote schroef met weinig spoed, dan zou mijn ponton met redelijke snelheid vooruit zijn gekomen. Om de logge massa van een ponton vooruit te krijgen heb ik een relatief grote tunnel water nodig die langzaam naar achteren stroomt. Anders gezegd, ik moet bij een zwaar en log schip veel watermassa over een kleinere afstand verplaatsen om een hoog rendement te hebben. Buitenboord motoren worden over het algemeen met een specifieke schroef geleverd. Diameter, spoed en toerental zijn gekozen voor een optimaal rendement bij de meest voorkomende toepassingen. De grootste markt voor buitenboord motoren is Noord Amerika, waar ze bijna altijd in planerende boten worden toegepast. Een drie meter lange aluminium visboot heeft daar minimaal een 10 pk buitenboord motor en vaart met gemak 25 km per uur. Deze motor heeft een kleine schroef met een grote spoed. De keuze van het motorvermogen wordt in de Noord-Amerikaanse markt sterk beïnvloed door de grootte van de motor van de buren, maar dit ter zijde.

Als de 10 pk motor van ons voorbeeld nu op een kajuitzeilboot van 7 meter lengte wordt gebruikt, dan zal het schroef rendement aanmerkelijk lager liggen. 8

In dit geval zal het rendement zelfs hooguit 20% bedragen. Helaas blijkt uw dure 10 pk motor dan nog maar een 2 pk modelletje te zijn, maar wel met de dorst van zijn veel grotere broer. Hoe komt het dan dat de boot toch redelijk snel vaart met deze motor? Het antwoord is eigenlijk heel eenvoudig. De 7 meter zeilboot haalt met 2 pk door de schroef afgegeven vermogen zeker zijn rompsnelheid. Dit is de snelheid die de boot, niet planerend, reëel kan bereiken. Hierover later meer.

Nog even terugkomend op de schroef van een buitenboordmotor. Velen van ons kunnen zich de Seagull buitenboord motoren van vroeger nog wel herinneren. Het 5 pk model had een schroef met een diameter van ca. 30 cm. Die was zeker niet voor een snel varende rubberboot gedacht. Je zag ze achter kleinere kajuitzeilers of houten sloepen. Ze hadden voor deze toepassing een juist gedimensioneerde forse schroef, met een relatief hoog rendement.

Theoretisch kan een maximaal schroef rendement van ca.65% behaald worden. In de praktijk is dit echter absoluut onmogelijk. Een heel goed berekende schroef die met uiterste precisie is gegoten en geslepen haalt een rendement van maximaal 60%. Voor normaal in de handel verkrijgbare schroeven is een rendement van 50% al heel goed. In het goedkopere marktsegment is een rendement van 45% al een hele prestatie. Uit bovenstaande wordt duidelijk dat we de helft of zelfs meer van het door de motor geleverde vermogen in de schroef verliezen. Wat dit betekent voor de wat grotere motorschepen laat het volgende voorbeeld zien. Een motorboot van 11 meter lengte en een waterverplaatsing van zo’n 10 ton en een diesel van 200 PK gebruikt bij 2/3 vermogen, naar schatting, 40 liter brandstof per uur. Bij de huidige brandstofprijzen kost dit dus ongeveer € 34 per uur. Hiervan wordt €17 per uur weggegooid. Het loont dus zeker de moeite om naar het rendement van uw schroef te kijken. Gaat u voor uw schip een nieuwe schroef bestellen, vraag dan om de computeruitdraai van de berekening. Hierop moet het voor uw toepassing berekende schroefrendement vermeld staan.

9

Er zijn helaas leveranciers van schroeven die het met het optimale rendement van het door hun geleverde product niet zo nauw nemen. U hebt immers toch genoeg PK’s aan boord!!! Ook moet ik constateren dat de kwaliteit van schroeven van de diverse leveranciers sterk uiteen loopt. Bij een elektrische aandrijving is het doel zo stil mogelijk en zonder enige trillingen in het schip te varen. De schroef moet dus dynamisch gebalanceerd zijn en zo exact mogelijk gegoten en geslepen zijn. De meeste kwalitatief hoogwaardige leveranciers laten hun schroeven door een gespecialiseerd bedrijf naslijpen en balanceren. Het is aan te bevelen om dan ook een “anti zingrand” aan de schroef te laten slijpen. Hiermee wordt voorkomen dat de schroef bij bepaalde snelheden in resonantie komt. Dit laatste wordt ook wel het zingen van de schroef genoemd. Een heel irritant geluid.

2.3 Elektrisch varen. Waarom gaan we elektrisch varen? In de meeste gevallen wordt de keuze van een elektrische aandrijving gemotiveerd door: Stil willen varen Geen stank van een brandstofmotor Geen onderhoud Geen haast hebben Op deze redenen zal in de komende hoofdstukken nader worden ingegaan. Elektrische aandrijvingen zullen vrijwel nooit in planerende toepassingen worden gebruikt. Uit de verderop in dit hoofdstuk gegeven formule voor het berekenen van het rendement van een schroef is te herleiden, dat het rendement toeneemt bij: Grotere schroefdiameter Lager schroeftoerental Op ontwerp technische gronden, kan de schroef niet onbeperkt groot gekozen worden. De ruimte tussen schip en schroef moet voldoende groot zijn, de as niet te schuin omlaag steken en er moet voldoende water boven de schroef staan. Bij te weinig ruimte tussen schroef en boot kan cavitatie optreden. Dit is een verschijnsel, dat we altijd zien als een vooruit varend schip snel achteruit slaat. Gasbellen slaan met kracht tegen de bladen van de schroef.

10

2.4 Aanvullende informatie voor de liefhebbers. Het rendement van een schroef van een varend schip wordt berekend met de volgende formule. Afgegeven vermogen schroef R =

X 100% Afgegeven vermogen motor

Ofwel: V1 X D ( V1 + ∆V/2) X Sg X ∆V R =

X 100%

MXN In deze formule is: V1 D ∆V Sg M N

Scheepssnelheid in m/sec. Diameter van de schroef in m. Verschil tussen snelheid inkomend en uitgaand water op de schroef Soortelijke massa van het medium ( water) 1000 kg/m3 Door de motor geleverde koppel Toerental van de schroef.

Doordat de diameter van de schroef in de teller van de formule staat, zal een grotere diameter van de schroef een groter rendement opleveren. Een hoog toerental geeft een laag rendement. Scheepsschroeven en waterverplaatsing. Zoals in het algemene deel van dit hoofdstuk al is beschreven verplaatst de schroef een tunnel water van voor naar achter de schroef. De hoeveelheid water die per tijdseenheid verplaatst moet worden is gelijk aan de waterverplaatsing over deze tijd. We kunnen ons dit als volgt voorstellen. Stel dat een rechthoekig ponton in een zandbak ligt. Als we het ponton een meter naar voren willen verplaatsen moeten we een gat graven met de breedte en diepte van het ponton en een meter lengte. We schuiven het ponton één meter naar voren en vullen het gat dat achter het ponton is ontstaan weer op met het zand dat uit het gat is gekomen.

Verplaatst water

Bij een schip in het water werkt het op dezelfde manier. Als we een schip een meter naar voren willen verplaatsen moet de schroef een hoeveelheid water naar achter verplaatsen gelijk aan de waterverplaatsing per meter waterlengte. 11

Met dit gegeven kunnen we een formule berekenen die het verband aangeeft tussen de afmetingen van de schroef, het motortoerental en de verwachte rompsnelheid.

De formule:

W.verpl.

2

D S = 95,54 √ W.lijn X n

Hierin is: D: S: W.verpl: W.lijn: n

Diameter van de schroef in meters. Spoed van de schroef in meters. Waterverplaatsing in tonnen. Lengte waterlijn in meters. Toerental schroefas.

Als voorbeeld nemen we een boot met de volgende gegevens: Waterverplaatsing: Waterlijn: Astoerental Rompsnelheid

0,450 ton 4,5 meter 1000 toeren 9,52 Km per uur D2S = 0,020267

We kiezen een schroef met een diameter D van 12 “. Dit is 0,3048 meter Door deze waarde in de formule in te vullen vinden we de benodigde spoed S. We vinden de waarde 0,21815 meter. Dit is 8,5 inch. We kiezen dus een schroef met een spoed van 9 inch. Deze formule houdt geen rekening met allerlei verliezen maar geeft toch een heel redelijke benadering voor de afmetingen van een schroef voor een bepaald schip. Cavitatie. Zoals eerder gesteld, slaan, bij cavitatie, gasbellen met kracht tegen de bladen van de schroef. Vaak hoor je zeggen, dat de schroef dan lucht slaat. Dit is echter niet juist. Waar zou immers plotseling onder het schip lucht vandaan moeten komen? Het gas dat bij cavitatie vrij komt, is in feite waterdamp ofwel stoom. Dit fenomeen laat zich eenvoudig als volgt verklaren. Water kookt op zeeniveau (101 kPa) bij 100 °C. Als de druk afneemt wordt ook het kookpunt lager. Bij het achteruitslaan van een vooruit varend schip ontstaat een sterke onderdruk achter de schroef. Water kookt bij een verlaagde druk van 1.7 kPa al bij een temperatuur van 15.5 °C. Dit verklaart de gasbellen bij cavitatie.

12

3. Vermogen en snelheid. Hoe emotie en gevoel kunnen botsen met de wetenschap! Laatst sprak ik een importeur van mooi gelijnde open sloepen. We hadden het, zoals gewoonlijk, over elektrisch varen en hij had er al aardig wat ervaring mee. Vanzelf gaat een gesprek dan in de richting van het vermogen dat bij de boot past. Hij vertelde dat veel klanten voor scheepjes van rond de 6 meter vragen om een diesel van 20 pk of zelfs 40 pk, omdat ze vinden, dat daarmee pas lekker snel gevaren kan worden. De leverancier bouwt standaard 13 pk in en kan de klant niet altijd overtuigen, dat alles boven de 5 pk alleen maar weggegooide energie is. Hij vertelde me zelfs op te moeten passen, dat de klant niet naar een andere leverancier stapt, die wat minder zorgvuldig is met zijn advies. Beste lezers, er is niets in de watersport, dat met meer emotie wordt benaderd dan motorvermogen en snelheid. Een aantal sloepenbouwers laat zelfs zien, dat je met een hele dikke motor en afschuwelijk lelijke trimvlakken achter een sloep, planerend kan varen. Koop dan toch gewoon een mooie klassieke speedboot, die voor dat werk ontworpen is en zeker zoveel uitstraling heeft! De sloepen die tegenwoordig gebouwd worden, zijn vrijwel altijd afgeleid van klassieke ontwerpen, die bedoeld waren om mee te roeien. Ze hebben weinig vermogen nodig om vooruit te gaan maar zijn niet in staat te planeren. Waterskiën achter een roeiboot is volgens mij alleen maar een keer in een Asterix en Obelix verhaal geprobeerd. Daar lukte dat met behulp van toverdrank heel goed. De meeste sloepen, kleine rond gebouwde motorschepen en kajuitzeilers kunnen niet planeren. Dit komt, omdat het vlakke horizontale deel van de romp niet voor voldoende lift kan zorgen, om het gewicht van het schip, bij het beschikbare vermogen, over de boeggolf heen, uit het water te tillen. Deze “water verdringende” schepen hebben een natuurlijk begrensde reële maximale snelheid, die de rompsnelheid wordt genoemd en afhangt van de lengte van de waterlijn. Als het schip op deze snelheid vaart en het vermogen wordt opgevoerd, zal de snelheid steeds minder toenemen. Wat we zien is dat de achterplecht verder het water in wordt getrokken en er alleen maar hogere golven worden geproduceerd. Het lijkt erop alsof de schroef probeert het schip over zijn boeggolf heen te duwen. Dit effect is heel goed te zien bij een zwaar planerend schip. Als op de rompsnelheid het vermogen wordt opgevoerd, zie je de spiegel eerst verder het water in gedrukt worden waarna het lijkt alsof de boot over zijn eigen boeggolf heen springt. Als het schip niet kan planeren wordt de achterplecht verder het water ingetrokken, wordt de stroomlijn veel slechter en wordt de extra energie vrijwel alleen in golven omgezet. Let wel, dit geldt alleen voor verdringende schepen, bij planerende schepen gaat dit verhaal niet op.

13

De consequentie van dit betoog is dat in de praktijk vrijwel alle extra vermogen, boven dat wat nodig is om het schip op rompsnelheid te brengen geheel in golven wordt omgezet. Er moet echter altijd wel wat extra vermogen aan boord zijn om ook bij sterke tegenwind of flinke golfslag extra stuwdruk te kunnen genereren. De rompsnelheid van een verdringend schip kan eenvoudig berekend worden met de volgende formule. V = 2.43 X √ Wl. Waarin:

V = Snelheid in knopen. Wl = Varende waterlijn, ook wet de natte lengte genoemd. ( lengte van het schip op de waterlijn) Wil men de snelheid in km/uur berekenen, dan moet de uitkomst met 1,852 vermenigvuldigd worden. De volgende tabel geeft enige uitkomsten. Eigenaren van schepen met een waterlijn langer dan 12 meter zullen waarschijnlijk wel een rekenmachine hebben om hiermee de rompsnelheid van hun schip zelf uit te rekenen. Het verband tussen motorvermogen en snelheid kan niet eenvoudig met een simpele formule worden berekend. De fabrikanten van scheepsschroeven maken allen gebruik van software programma’s. Bij grote schepen of bij voorbeeld zeegaande racers worden sofware modellen gemaakt. Vaak moeten er voor deze toepassingen zelfs de sleeptank en een schaalmodel aan te pas komen.

Lengte waterlijn in m.

Snelheid in knopen

Snelheid in km/hr.

3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12

4.21 4.55 4.86 5.15 5.43 5.70 5.95 6.20 6.43 6.65 6.87 7.08 7.29 7.49 7.68 7.87 8.05 8.24 8.42

7.80 8.43 9.00 9.52 10.06 10.56 11.02 11.48 11.91 12.32 12.72 13.11 13.50 13.87 14.22 14.58 14.90 15.26 15.59

Het benodigde vermogen hangt af van vele factoren, zoals het natte oppervlak, het gewicht, de lengte breedte verhouding en de vorm van het onderwaterschip. Voor een goed gelijnd schip zoals een sloep kunnen we globaal stellen dat 1kW door de schroef geleverd vermogen nodig is per 1.000 Kg waterverplaatsing (gewicht) van de boot. Uitgaande van een schroefrendement van 50% zou dus 2 kW motorvermogen per 1.000 Kg waterverplaatsing voldoende zijn. Er bestaat een redelijk nauwkeurige manier om het benodigde motorvermogen van een bestaand schip bij verschillende toerentallen en snelheden te berekenen. Deze methode wordt in de aanvullende informatie voor liefhebbers uitgebreid beschreven. Daar wordt, aan de hand van een praktijkvoorbeeld, het verband tussen snelheid en het exponentieel stijgen van het benodigde vermogen aangetoond.

14

Toerental Snelheid Vermogen in knopen in pk 1000 3,35 1,85 1200 4,00 3,20 1400 4,70 5,08 1600 5,35 7,59 1800 5,95 10,80 2000 6,40 14,18 2200 6,85 19,72 2400 7,15 25,60 2600 7,55 32,55 2800 7,90 40,65 3000 8,15 50,00

Hier een korte samenvatting. Van een ruim 12 meter lang zeilschip met een natte lengte van 11,2 meter, voorzien van een dieselmotor van 50 pk en een rompsnelheid van 8,13 knopen, werden metingen verricht en de benodigde vermogens berekend. Voor elektrisch aangedreven schepen gelden dezelfde wetten en kunnen soortgelijke metingen worden verricht. De volgende tabel geeft een overzicht van de resultaten:

3.1 Conclusies. De laatste 20% snelheidsvermeerdering kost ongeveer 70% van het totaal beschikbare vermogen. Op halve rompsnelheid is maar 7% van het vermogen nodig! We zetten de belangrijkste zaken nog even op een rij. 1. Meer energie van de motor vragen, dan nodig is voor het bereiken van de rompsnelheid, verhoogt de snelheid nauwelijks maar kost wel heel veel meer brandstof. 2. Een kleine verlaging van de snelheid heeft een enorm effect op het benodigde vermogen en dus op de actieradius. Toch wel even schrikken als we ontdekken wat de propellerwet, dat is de natuurkundige wet waarmee het verband tussen toerental en benodigde vermogen wordt berekend, allemaal voor consequenties heeft. Bij elektrisch varen moeten we vanwege de beschikbare capaciteit zuinig met de energie omspringen. Maar ook als we een diesel of zelfs een hybride aandrijving (diesel en elektrisch gecombineerd) hebben, kan het geen kwaad om over het verbruik en snelheid na te denken. Dieselbrandstof is tenslotte ook niet echt goedkoop. Voor het zeilschip van ons voorbeeld hebben we het uitgerekend. De tabel geeft weer hoeveel dieselbrandstof we nodig hebben om 50 mijl af te leggen en hoeveel tijd dat kost.

15

Snelheid Vermogen Verbruik Tijd voor in knopen in pk Liters voor 50 mijl 50 mijl in uren 3,35 1,85 6,08 14,93 4,00 3,20 8,80 12,50 4,70 5,08 11,89 10,64 5,35 7,59 15,60 9,35 5,95 10,80 19,97 8,40 6,40 14,18 25,46 7,81 6,85 19,72 31,66 7,30 7,15 25,60 39,38 6,99 7,55 32,55 47,42 6,62 7,90 40,65 56,60 6,33 8,15 50,00 67,48 6,13

We kunnen de helft aan brandstof sparen als we bereid zijn, om een uur later aan te komen. Dit geeft toch wel te denken! Als u nu de volgende keer weer gepasseerd wordt door een kruiser die, ver in het water getrokken, krampachtig aan de wet van de rompsnelheid probeert te ontglippen, niet meteen schreeuwen “ HEB JE HET BOEKJE ELEKTRISCH VAREN NIET GELEZEN”

Besef dat de benzinefabrikanten blij zijn met deze klant.

3.2 Aanvullende informatie voor de liefhebbers. Een redelijk nauwkeurige methode om het benodigde motorvermogen te berekenen maakt gebruik van de volgende formule, die ook wel de propellerwet genoemd. P=

C x N3

Hierin is: P C N

Het vermogen in pk Een constante afhankelijk van het schip en schroef Het toerental van de schroef /100

Deze formule helpt ons niet veel bij een nieuw schip waar we de waarde voor C niet van kennen. Anders wordt het voor een bestaand schip. Als we van een bestaand schip de snelheid bij maximaal vermogen en toerental kennen, dan kan de waarde van C berekend worden. Met de waarde van C kan dan het opgenomen vermogen voor elk toerental van de motor berekend worden. Een praktijkvoorbeeld. We hebben op een windstille dag en op diep water, de snelheid en het bijbehorende toerental van ons, met een (hulp)dieselmotor aangedreven zeilschip nauwkeurig gemeten.

16

Eerst enkele gegevens. Schip. Lengte waterlijn Max. breedte Gewicht Motor

Beneteau Oceanis 40 CC bouwjaar 2001 11.2 m 4.0 m ca. 9.200Kg. Nanni ( Kubota) 50PK bij 3.000 Omw/min.

De snelheid werd zowel met de Furuno GP1650 GPS als met het B&G log type Network Quad gemeten. Grafiek 1

In grafiek 1 wordt het resultaat van de meting weergegeven waarbij de waarde voor de gemeten snelheid gemiddeld is tussen log en GPS.

9,00

60,00

8,00 50,00 7,00

6,00

Volgens de formule op blz.12 kan de rompsnelheid voor ons schip berekend worden.

40,00

5,00 30,00

snelheid verm ogen

4,00

3,00

20,00

Snelheid in knopen 2,00

V = 2,43 X √ 11,2 = 8,13 knopen. We zien dat dit schip bij vol vermogen juist zijn rompsnelheid bereikt.

10,00 1,00

Vermogen in Kw 0,00

0,00 1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

We berekenen nu de waarde C= 0,00185 en berekenen daarmee het motorvermogen bij verschillende toerentallen. De resultaten zijn eveneens verwerkt in grafiek 1. De grafiek laat duidelijk zien, dat het vermogen exponentieel stijgt met het toerental. De snelheid van het schip stijgt niet lineair met het toerental. Duidelijk is te zien dat de curve vanaf 2800 toeren afvlakt en een maximale waarde, de rompsnelheid, begint te naderen. verbruik en snelheid grafiek 2.

Van deze dieselmotor is het brandstofverbruik per pk bekend.

12,00

10,00

In grafiek 2 laten we zien wat voor invloed de snelheid heeft op het brandstofgebruik.

verbruik in l/hr

8,00

6,00

4,00

Toerental van de motor

2,00

0,00 3,35

4,00

4,70

5,35

5,95

6,40

6,85

snelheid in knopen

7,15

7,55

7,90

8,15

17

3.2.1 De methode om het benodigde motorvermogen te berekenen bij elektrisch varen. We gaan er van uit dat een soortgelijk schip als dat waarmee we elektrisch willen varen reeds bestaat met een dieselmotor. We gaan als volgt te werk: 1. Met de formule V = 2.43 X √ Wl. Wordt de rompsnelheid berekend. 2. Met een draagbare GPS of een ingebouwd log wordt bij het schip met dieselmotor de snelheid gemeten. Het toerental wordt zolang opgevoerd, totdat de vooraf berekende rompsnelheid is bereikt. Het toerental waarbij deze snelheid bereikt wordt, wordt genoteerd. 3. We laten nu de motor op absoluut vol toerental draaien. Hierbij nemen we aan dat de schroef dusdanig is berekend dat ook daadwerkelijk het volle vermogen gevraagd wordt. 4. We kunnen nu het opgenomen vermogen bij de rompsnelheid als volgt berekenen. N13 P=

Pmax X

Hierin is: P Pmax N1 Nmax

Nmax3

Het benodigde vermogen in pk. Het maximale motorvermogen in pk. Net toerental waarbij de rompsnelheid wordt bereikt /100 Het maximale toerental van de motor /100

Even een voorbeeld om het geheel te verduidelijken. Een 7 meter lange sloep heeft een waterlijn van 6,20 meter en een 13 pk dieselmotor. De rompsnelheid is: 2,43 X √6,2 = 6,05 knopen. Als we met de sloep met windstil weer en op diep water varen, bereiken we de rompsnelheid bij 2100 toeren. Bij vol vermogen draait de diesel 3600 toeren. Nu gaan we even aan het rekenen. 213 P = 13 X 36

3

= 2,6 pk ofwel 1,9 KW.

18

In de praktijk zien we dan ook dat met een dergelijke combinatie van boot en dieselmotor zelden boven de 2100 toeren gevaren wordt. We gebruiken dan dus maar 20% van het geïnstalleerde vermogen. Wil iemand nu nog een 40 pk aanbevelen voor deze boot? Bij het kiezen van een elektromotor voor deze boot is dus 2 KW voldoende. Een iets lager vermogen zal de topsnelheid nog nauwelijks beïnvloeden. Welke elektromotor we kiezen en waarom, bespreken we in hoofdstuk 5, de elektromotor. 4. De elektrische aandrijving.

Een volledige elektrische aandrijving bestaat uit de volgende delen.

Joystick

Lader

Schakel paneel

Regelaar

Motor

Batterijen

Elektromotor.

Deze motor komt in de plaats van de Diesel met zijn keerkoppeling. De elektronische regeling zorgt ervoor dat de motor zowel voor als achteruit kan draaien.

Regelaar.

De regelaar wordt geschakeld tussen de batterijen en de motor en zorgt ervoor dat het toerental en de draairichting van de motor kunnen worden geregeld.

Joystick.

De joystick is het bedieningsorgaan waarmee snelheid en richting worden ingegeven. De joystick vervangt de “één handle” bediening van de diesel, ook wel Morse bediening genoemd.

19

Batterijen.

In de batterijen wordt de elektrische energie opgeslagen. Door meerdere batterijen in serie te schakelen wordt de totale spanning verhoogd tot 24, 36, of 48 volt. Door batterijen parallel te schakelen wordt de capaciteit, en daarmee de actieradius verhoogd.

Schakelpaneel.

Hierop vinden we functies zoals sleutelschakelaar, volt en ampère meter, en of batterij conditie meter, of zelfs de display van de tripcomputer die bij de huidige snelheid de actieradius berekent.

Acculader.

Het is aan te bevelen de lader in de boot in te bouwen zodat onderweg bij elk stopcontact kan worden bijgetankt!

Bekabeling.

Een set hoofd- en stuurstroomkabels voor de motorbediening en signaleringen.

In de volgende hoofdstukken worden deze componenten in detail behandeld.

5. De elektromotor. De elektromotor is het hart van onze elektrische aandrijving. Voor de motor gelden de volgende eisen: -De elektromotor moet zo stil mogelijk zijn. -Het rendement moet zo hoog mogelijk zijn. Uit de voorgaande hoofdstukken weten we dat het schroefastoerental zo laag mogelijk moet zijn. In de praktijk gaan we uit van een toerental van 700 tot 1200 toeren, afhankelijk van de grootte en het gewicht van het schip. In principe kunnen we dit gewenste toerental op twee manieren bereiken. -Een hoogtoerige motor met reductiekast. -Een direct gekoppelde laagtoerige motor. De hoogtoerige motor is aanmerkelijk kleiner in afmetingen en voordeliger in aanschafprijs. Dit laatste wordt ten dele tenietgedaan door de prijs van de reductiekast. Het nadeel is het lagere rendement door de verliezen in de reductiekast en het iets hogere geluidsniveau. Motor met reductiekast

20

De laagtoerige motor is stiller, heeft een hoger rendement maar is duurder in aanschaf. Voor kleinere schepen (tot 7 meter en een motorvermogen tot 3 kW) raad ik de direct gekoppelde laagtoerige aandrijving aan. Daarboven is de aandrijving met reductiekast, uit kostenoogpunt, te prefereren. Voor elektrisch varen worden vrijwel uitsluitend gelijkstroommotoren toegepast. Van alle typen gelijkstroommotoren worden de seriemotor en de permanent magneetmotor het meest gebruikt. De seriemotor is specifiek geschikt voor tractie en wordt in zo goed als alle vorkheftrucks gebruikt. Ze worden in grote aantallen geproduceerd en zijn hierdoor relatief goedkoop. Het rendement van deze motoren is echter relatief laag. (55 tot 75%) De permanent magneet motor heeft de afgelopen jaren enorm in populariteit gewonnen. Dit komt door de introductie van nieuwe magneetmaterialen, waarmee compacte motoren met een zeer hoog rendement gebouwd kunnen worden. Hoewel deze motoren nog duurder zijn dan vergelijkbare seriemotoren, hebben zij mijn voorkeur, met name door het hoge rendement, waarover later meer. Gelijkstroommotoren zijn te herkennen aan de koolborstels die de elektrische verbinding verzorgen met collector. (Een gesegmenteerde koperen ring) Koolborstels slijten en zullen na verloop van tijd vervangen dienen te worden. De nieuwste trend in aandrijftechniek van voertuigen met accu’s is de toepassing van borstelloze motoren. Van de vele toegepaste technieken zijn voor elektrisch varen de permanent magneet synchrone motor en de asynchrone motor geschikt. Deze motoren behoeven geen onderhoud, zijn muisstil, compact in bouwvorm en hebben een redelijk tot hoog rendement. Helaas is de regelaar voor het regelen van de snelheid zeer gecompliceerd, hetgeen deze aandrijvingen momenteel nog erg duur maken. De verwachting is dat deze aandrijvingen binnen een aantal jaren in prijs fors zullen dalen waardoor ze een geduchte concurrent voor die goede oude gelijkstroommotor zullen worden. Asynchrone motoren, zoals die veelvuldig in de industrie worden toegepast kunnen ook voor het elektrisch varen worden gebruikt. Deze motoren zijn vrij zwaar en hebben een relatief laag rendement. Enkele jaren geleden zijn er op het gebied van asynchrone motoren ontwikkelingen geweest om het rendement te verbeteren. Deze motoren hebben onder meer een blikpakket met dunner blik. Hierdoor is het rendement aanzienlijk verbeterd. Ten opzichte van de synchrone motor is de elektronische regeling minder gecompliceerd. De permanent magneet synchrone motor heeft een zeer hoog rendement maar is door de toegepaste magneetmaterialen nog vrij duur.

21

Korte samenvatting. Bij elektrisch varen wordt meestal een gelijkstroommotor toegepast. Een permanent magneet motor heeft een hoog rendement maar is duurder dan een seriemotor. Een motor met een laag toerental kan direct met de schroefas worden verbonden. Een hoogtoerige motor moet voorzien zijn van een vertraging. Voor motoren tot 3 kW is een directe aandrijving te prefereren door het hogere rendement en lager geluidsniveau. Permanent magneet synchrone motoren zijn duur maar perfect geschikt voor elektrisch varen. Door de gecompliceerde elektronica zijn ze momenteel nog aanmerkelijk duurder dan gelijkstroommotoren. Asynchrone motoren worden overal in de industrie toegepast. Voor het elektrisch varen zijn de standaard motoren minder geschikt door het relatief lage rendement. Motoren met dunner en hoogwaardiger blik (hoog rendement) zijn echter wel geschikt voor elektrisch varen.

5.1 Aanvullende informatie voor de liefhebbers. Er zijn heel veel verschillende soorten elektromotoren op de markt, die in feite allemaal voor specifieke toepassingen zijn ontworpen. Al deze soorten elektromotoren maken gebruik van dezelfde natuurkundige wet. Deze luidt: Op een stroom voerende geleider, die zich in een magnetisch veld bevindt, wordt een kracht uitgeoefend. Als we die geleider, op de omtrek van een trommel, in een magnetisch veld, bevestigen, en er voor zorgen dat de stroom in de juiste richting loopt, dan zal die trommel gaan draaien, de elektromotor is een fijt. 5.1.1 Vermogen, koppel en toerental. Het vermogen dat door een (elektro) motor wordt geleverd is afhankelijk van het toerental en de bij dit toerental ontwikkelde kracht. Bij roterende machines spreken we niet van kracht maar van koppel. Dit is de kracht die de roterende as op een bepaalde afstand van het hart van de as kan ontwikkelen. Voor het vermogen geldt de volgende formule. P=CxNxK Hierin is: .`

P N K C

Het vermogen in kW Het toerental in omw/min. Het koppel in Nm 0,0001025 22

Het zal voor een ieder aannemelijk zijn dat een motor die ik in mijn hand kan houden, nooit zoveel koppel kan ontwikkelen, als een motor waar een serieuze takel aan te pas moet komen, om hem van zijn plaats te krijgen. Toch zou ik uit beide motoren hetzelfde vermogen kunnen halen. Als de kleine motor met een extreem hoog toerental draait, en de grote motor met een heel laag toerental, kan het vermogen van beide motoren gelijk zijn. Als voorbeeld: Motor 1.

Motor 2.

10.000 1 2kg

Omw/Min. Nm koppel gewicht

100 100 80kg

Omw/Min Nm koppel gewicht

Beide motoren leveren hetzelfde vermogen van 1,05 kW. Bij motorraces wordt een hoog vermogen bereikt met hoge toerentallen. Een 50CC motortje heeft maar een klein zuigertje en kan niet zo veel koppel genereren. Met moderne technieken ziet men echter kans, om deze motoren boven de 20.000 toeren te laten draaien, waardoor een aanzienlijk vermogen uit een klein en licht motortje wordt geperst. Ze gaan daarbij niet zo lang mee, maar dat is bij motorraces niet zo’n thema. Jammer is het als de motor juist besluit te overlijden tijdens de race, het voordeel is wel dat de coureur niet helemaal naar de haven terug moet peddelen. Dat is wel ons lot, als onze bootmotor er mee ophoudt. 5.1.2 Toerental. Vaak zien we in de praktijk, dat een relatief kleine motor wordt gekozen met een laag koppel en een hoog toerental. Het lagere schroeftoerental wordt bereikt door middel van een vertragingskast of poelies met verschillende diameter en een V snaar. De vertragingskast is zeker geen onbekende in de wereld van het varen. De meeste (kleinere) diesels draaien ongeveer 3600 toeren en hebben in de keerkoppeling een set tandwielen waarmee het schroeftoerental verlaagd wordt tot bij voorbeeld 1200 of 900 toeren. We spreken in dit geval over een reductie van respectievelijk 1:3 en 1:4. Elektrische aandrijvingen worden op het moment nog het meest toegepast in kleine schepen met een gewicht van 800 tot 2000 kg, een lengte van 5 tot 8 meter en een motorvermogen van 2 tot maximaal 6 pk. Meestal wordt een accuspanning gekozen van 24, 36 of 48 volt. Motoren van deze vermogens, bij de genoemde spanningen, worden in grote hoeveelheden gefabriceerd voor de aandrijving van hydraulische pompen en voor het rijden van kleine vorkheftrucks. 23

Tot 2,5 pk zien we het meest hoogtoerige motoren, die voor pompaandrijvingen ontwikkeld zijn en die voor het varen voorzien zijn van een reductiekast van bij voorbeeld 1:3. Voor de goede orde, een keerkoppeling is bij elektrisch varen gelukkig niet nodig. In tegenstelling tot onze brandstofmotor, kan de elektromotor in beide draairichtingen lopen. Het voordeel van een hoogtoerige elektromotor met aangebouwde reductiekast is, dat hij relatief goedkoop is, wat overigens voor een groot deel teniet wordt gedaan, door de kosten van de reductiekast. Enige nadelen zijn: 1. Een hoogtoerige elektromotor produceert meer geluid dan een laagtoerige. Ook is de reductiekast zeker niet stil. 2. Een reductiekast verliest tot 10% van het vermogen. Daar we met onze accu’s zo ver mogelijk willen varen, is het rendement van het totale aandrijfsysteem van groot belang, dus moet onnodig verlies vermeden worden. Persoonlijk geef ik, voor motoren met een vermogen tot 3 KW, de voorkeur aan een direct gekoppelde elektromotor, zonder reductiekast. Een dergelijke motor is weliswaar 30 tot 40% duurder dan zijn kleine broertje, maar door het betere rendement zouden we met minder accucapaciteit kunnen volstaan. Over rendement van het ideale aandrijfconcept wordt later nog uitgebreid gesproken. 5.1.3 Rendement. Het rendement van een elektromotor is heel eenvoudig te berekenen. We meten het koppel en toerental op de testbank waardoor we het afgegeven vermogen kunnen berekenen. Het opgenomen vermogen wordt eenvoudig berekend door de stroom en motorspanning te meten. De verhouding tussen afgegeven vermogen en opgenomen vermogen geeft ons het rendement. Het is belangrijk dat we ons realiseren dat een elektromotor zijn hoogste rendement afgeeft, bij het nominale vermogen. Als we een te grote motor kiezen voor onze boot, en dus een flink deel van het beschikbare vermogen nooit gebruiken, zal het rendement laag zijn. Het is dus van belang een motor te kiezen met niet te veel overcapaciteit. 5.1.4 De gelijkstroommotor. Voor elektrisch varen worden tot op heden vrijwel uitsluitend gelijkstroommotoren gebruikt. Deze motoren hebben koolborstels om de elektrische stroom naar de draaiende rotor (ook wel anker genoemd) te voeren en weer terug. De koolborstels maken contact met een gesegmenteerde koperen ring, de collector. Aan de combinatie van koolborstels en collector herkennen we de gelijkstroommotor.

24

Zoals in het begin van dit hoofdstuk is vermeld, werken alle elektromotoren op hetzelfde principe. Op een stroom voerende geleider die zich in een magnetisch veld bevindt, wordt een kracht uitgeoefend. De uitgeoefende kracht wordt groter naarmate ofwel het magnetisch veld sterker is, ofwel de stroom hoger. Dit zouden we met de volgende formule kunnen weergeven. K=CxFxI Hierin is:

K C F I

Het koppel een constante Sterkte van het magneetveld, ook wel flux genoemd De elektrische stroom

Uit de formule wordt duidelijk dat het koppel groter wordt, naarmate we meer stroom door de motor sturen en een heel krachtig magneetveld genereren. We bouwen dus heel eenvoudig een motor met een extreem sterk magneetveld, laten er een hoge stroom doorheen razen en we hebben alle pk’s die we wensen. Helaas, was het maar zo simpel. Het magneetveld kan niet onbegrensd versterkt worden. Afhankelijk van de gekozen materialen en de constructie van de motor, zal er een verzadiging van het magneetveld optreden. Eenvoudig gezegd, er kan gewoon niet meer in! De elektrische stroom kan ook niet ongelimiteerd hoog worden, omdat de stroom naast kracht ook warmte genereert. Die warmte moet afgevoerd worden. Bij onvoldoende afvoer (koeling) zal de motor te heet worden, waardoor de isolatie tussen de elektrische geleiders verbrandt en er kortsluiting optreedt. Er is dus voldoende warmtegeleiding en koelend vlak nodig. Een grotere motor kan meer warmte afvoeren dan een kleinere. Korte samenvatting met betrekking tot kracht, koppel en vermogen. -

Een motor met een hoog toerental en weinig kracht levert evenveel vermogen als een motor met een laag toerental en veel kracht. De kracht die een gelijkstroommotor kan genereren wordt bepaald door de sterkte van het magneetveld en de maximaal toelaatbare elektrische stroom.

5.1.5 Het toerental van een gelijkstroommotor. Eigenlijk zou nu een heel gedetailleerde beschouwing moeten volgen over het generatoreffect van een draaiende motor. Ook zou in detail moeten worden ingegaan op de door de motor gegenereerde EMK (Elektro Motorische Kracht) en wat voor een effect dit heeft op het motortoerental. Binnen het kader van dit boekje lijkt het mij echter beter ons te beperken tot de conclusie. Het toerental van een gelijkstroommotor is afhankelijk van de aangelegde elektrische spanning. 25

Het verband tussen spanning en toerental is recht evenredig. Een verdubbeling van de spanning geeft in principe ook een verdubbeling van het toerental. Voorbeeld: Een motor draait bij 12 Volt 1000 toeren. Bij 24 volt is dit 2000 toeren en bij 36 volt 3000 toeren. In een formule ziet dit er als volgt uit: N=CxV Hierin zijn:

N C V

Het toerental Een constante factor De elektrische spanning.

In dit hoofdstuk hebben we tot dusver de volgende formules besproken. P=CxNxK

Het vermogen is afhankelijk van toerental N en koppel K.

K= CxFxI

Het koppel is afhankelijk van magneetsterkte F en stroom

N=CxV

Het toerental is afhankelijk van de elektrische spanning V.

I.

Als we deze formules samenvoegen krijgen we een duidelijk beeld van de factoren die het vermogen van een gelijkstroommotor bepalen. De uitgewerkte formule wordt: P=CxVxFxI Het vermogen van een gelijkstroommotor is afhankelijk van: -De elektrische spanning V -De flux ofwel sterkte van het magneetveld F -De elektrische stroom I Met deze kennis in huis zijn we meteen toegetreden tot het eliteleger van de motorexperts. Met het volgende praktijkvoorbeeld zullen we de consequenties van de formule eens nader analyseren. Motor 1.

Vermogen Toerental Spanning Stroom Gewicht

2 KW 5000 Omw/Min 24 V 100A 15 Kg

26

Motor 2. Vermogen Toerental Spanning Stroom Gewicht

2 KW 1000 Omw/Min 24 V 100A 45 Kg

Beide motoren zijn conventioneel gebouwd en het ontwerp is gebaseerd op gelijke magneetveld sterktes. We kunnen nu het volgende concluderen: - Het koppel dat motor 2 kan leveren is 5 maal sterker dan dat van motor 1. (het toerental is maar 1/5) - Het is dan ook niet vreemd, dat motor 2, 3 maal zwaarder is en ook aanzienlijk groter zal zijn. We kunnen stellen dat 5.000 toeren voor een gelijkstroommotor in een industriële omgeving wel zo ongeveer de bovenste grens is. Als we motor 2 met 120 Volt zouden voeden, dan zou het toerental van deze motor tot 5000 toeren zijn opgelopen. De motor levert dan wel 10 KW. In feite is deze motor 5 maal zo groot qua vermogen als motor 1. Hiervoor is gesteld, dat het toerental van gelijkstroommotoren niet al te hoog kan worden opgevoerd. De middelpuntvliegende krachten die werken op de wikkelingen en de collector kunnen de wikkelingen uit de rotor trekken, of de collector uit elkaar laten springen. Dat zoiets er niet erg fraai uitziet kan ik vanuit de praktijk bevestigen. In vaktermen wordt dan over een vogelnest gesproken. De stukgeslagen wikkelingen van de motor lijken daar op. 5.1.6 Gelijkstroommotoren en hun magnetisch veld. Uit de natuurkunde is bekend dat een elektrische stroom in die spoel een magnetisch veld opwekt. In de elektromotor vloeit een stroom door (veld)spoelen, waardoor het magneetveld wordt opgewekt. Als door de veldspoelen dezelfde stroom loopt als door de rotor, dan spreken we van een seriemotor. De veldspoelen staan in serie met de rotor.

Rotor Veldspoel

27

Worden de veldspoelen door dezelfde spanning gevoed als de rotor, dan spreken we van een shuntmotor. In dit geval staan het veld en de rotor parallel geschakeld.

Rotor Veldspoel Bij stilstand loopt door de rotor van een gelijkstroommotor een heel hoge stroom. Als de motor een seriemotor is, zal dezelfde hoge stroom door de veldspoelen lopen. Hierdoor ontstaat een hoog koppel bij stilstand. Van deze eigenschap van de seriemotor wordt in tractietoepassingen gebruik gemaakt. Treinen, trams, vorkheftrucks en andere elektrisch voortbewogen voertuigen zijn voorzien van seriemotoren. Juist bij het optrekken vanaf stilstand is de meeste kracht nodig. Bij de shuntmotor is het magneetveld van de spanning afhankelijk. Zoals eerder vermeld is het toerental eveneens van de spanning afhankelijk. Bij de shuntmotor neemt het koppel met het toerental toe. Combinaties van shunt en seriewikkelingen komen ook voor. Naast motoren, die spoelen gebruiken om het veld op te wekken, zijn er ook motoren die permanente magneten gebruiken. Permanent magneetmotoren hebben de laatste jaren veel in populariteit gewonnen. Dit komt doordat een aantal nieuwe magneetstoffen zijn ontwikkeld waarmee extreem sterke permanente magneten kunnen worden geproduceerd. Met name het materiaal neodemium-ijzer-boor (NdFeB) is enorm populair. Dit materiaal heeft een zestienvoudige veldsterkte ten opzichte van het oude vertrouwde ferriet. Met dit nieuwe materiaal kunnen zeer compacte motoren met een hoog koppel gebouwd worden. De kracht van deze magneten ondervond ik op hardhandige wijze toen ik bij een constructeur van elektromotoren aan tafel zat. Hij liet me twee magneetsegmenten zien en zei nog, let er op ze zijn al bekrachtigd hoor! De twee magneten wilden met een vaart naar elkaar toe, dit ging niet omdat mijn vingers ertussen zaten!!! 5.1.7 Achteruit varen Zoals hiervoor al kort werd vermeld heeft de elektromotor geen keerkoppeling nodig. Een gelijkstroommotor kan heel eenvoudig in beide draairichtingen werken en ook in beide richtingen het nominale vermogen leveren. 28

Bij een gelijkstroommotor met een gewikkeld veld, dus een shunt of seriemotor, kan de draairichting omgedraaid worden door de polariteit van ofwel het veld ofwel de rotor te veranderen. Eenvoudiger geformuleerd betekent dit dat we de + en – van het veld of de rotor moeten omwisselen.

Veld Rotor

Als we veld en rotorspanning omkeren dan blijft de motor gewoon dezelfde richting uit draaien en dat zal niet de bedoeling zijn. Bij de permanent magneet motor is het veld constant aanwezig. Alleen de rotor heeft elektrische aansluitingen. We kunnen dus volstaan met het omdraaien van de polariteit van de gehele motor. Hoe we dit op een nette manier doen, wordt in het hoofdstuk 6, Regelaars besproken. 5.1.8 Welk type motor voor elektrisch varen. Omdat onze accucapaciteit beperkt is, moeten we letten op het rendement van de aandrijving. Zowel bij de serie of shuntmotor wordt een deel van de elektrische energie gebruikt om een magnetisch veld op te wekken. Een permanent magneetmotor doet dit niet. Hierbij wordt alle energie gebruikt om motorvermogen te genereren. Een serie of shunt motor van tussen 2 en 6 KW vermogen heeft een rendement van 55 tot 75 %, afhankelijk van de toegepaste materialen en het ontwerp. Een moderne permanent magneet motor haalt een rendement van tussen de 80 en 93%. Als een seriemotor voor elektrisch varen wordt gebruikt, kan de eigenschap van een hoog koppel bij stilstand een nadeel zijn. Stel dat de schroef vastloopt op een stuk hout of plastic. Juist bij stilstand kan de motor zijn hoogste koppel genereren, waardoor schroef en as beschadigd kunnen worden. De elektronische snelheidsregelaar kan de motorstroom begrenzen. Bij een seriemotor moet deze begrenzing exact ingesteld worden om beschadiging van schroef en as te voorkomen. Een andere eigenschap van de seriemotor is, dat het toerental erg hoog wordt als de belasting wegvalt. Zou de schroef van de boot door bijvoorbeeld hoge golven boven

29

water komen, dan valt op dat moment de belasting weg en vliegt het toerental omhoog. Dit laatste is de reden waarom op grote professionele elektrisch aangedreven schepen, nooit seriemotoren worden toegepast. Mijn voorkeur gaat voor boten tot 10 meter uit naar permanent magneet motoren met hoogwaardige neodemium-ijzer-boor magneten. Deze motoren zijn klein en licht en hebben het hoogste rendement. Daarboven is een synchrone motor of een gelijkstroommotor met gewikkeld shuntveld te prefereren. Voor motoren tot 3 KW geef ik de voorkeur aan laagtoerige direct gekoppelde motoren, daarboven wordt een direct aangedreven motor te duur. Een hoger toerental met reductiekast is dan de oplossing. 5.1.9 Motorgegevens interpreteren. Op een elektromotor zit altijd een fraai plaatje waarop naast de naam van de bouwer een heleboel gegevens in geheimschrift staan. Tevens is deze informatie in de technische documentatie terug te vinden. Nu we toch besloten hebben om experts te worden, moeten we ook hier iets van weten. Op het plaatje vinden we gegevens terug die we reeds besproken hebben zoals: Motorspanning in Volt V Maximale stroom in Ampère A . Eventuele veldspanning en stroom Nominaal toerental. n Nominaal koppel in Nm. Verder kunnen we nog een aantal volgens de Europese IEC norm vastgestelde gegevens vinden. Deze zijn: Isolatieklasse. De elektrische windingen van de motor zijn van elkaar geïsoleerd met een materiaal, dat een bepaalde temperatuur kan verdragen. Bij een hogere temperatuur zou de isolatie doorbranden. Enige klasse aanduidingen zijn: Klasse B 130 °C Klasse F 155 °C Klasse H 180 °C De meeste moderne gelijkstroommotoren zijn in klasse F gebouwd.

Inschakelduur Hier moeten we even heel goed oppassen! De inschakelduur geeft aan hoe lang de motor het opgegeven vermogen kan leveren voordat hij oververhit raakt.

30

De inschakelduur wordt als volgt gecodeerd. S1. S2.

Het vermogen kan continue worden gegenereerd. Het vermogen kan een bepaalde tijd worden gegenereerd. De tijd 10, 30 of 60 minuten moet hierbij vermeld staan Bij voorbeeld: S2, 10 Min.

Bij elektrische varen is dit een belangrijk punt. We dienen het nominale vermogen continue beschikbaar te hebben Bij een elektrische boegschroef daarentegen wordt het vermogen nooit langer dan 10 minuten tijdens manoeuvreren gevraagd. Beschermingsklasse ( IP nummer) Dit getal geeft aan hoe “dicht” de motor is voor het binnendringen van deeltjes en water. De “dichtheid” wordt aangegeven met een getal van twee cijfers, waarvan het eerste cijfer de waterdichtheid aangeeft en het tweede cijfer de dichtheid voor binnendringende deeltjes. Enkele voorbeelden. IP 21 Bescherming tegen alles met een diameter groter dan 12 mm. Water kan vrij naar binnen. IP 44 Bescherming tegen alles groter dan 1 mm. Spatwaterdicht. IP 65 Stofdicht en waterdicht. Geschikt voor montage aan dek. Bij aandrijvingen, waarbij de motor in een afgesloten motorruimte staat, is IP 21 voldoende. Zou de motor in de buitenlucht staan, dan is IP44 een minimum vereiste. Moet alles nog blijven werken als de motor onder water staat, dan moeten we denken aan IP65 en hoger. De schipper zelf is ook ongeveer IP65, het nadeel is alleen dat hij het hooguit een paar minuten volhoudt en daarna spontaan in IP21 verandert. Motoren die geheel gesloten (in klasse IP44 en hoger) gebouwd zijn, kunnen hun warmte slecht kwijt. Daarom zal het continue vermogen voor de afmetingen van de motor relatief laag zijn. Anders gezegd, een volledig gesloten motor voor een bepaald continu vermogen is veel groter dan een open motor en kost ook veel meer. Om toch een hoog vermogen uit de geheel gesloten motor te kunnen halen, wordt meestal een geforceerde luchtkoeling of waterkoeling gebruikt. Bij elektrisch varen is waterkoeling met een gesloten systeem zeer aantrekkelijk door de betrekkelijk eenvoudige opstelling en het ontbreken van ventilatorgeluid.

31

Bouwvorm. In een Europese norm is een onderverdeling gemaakt in hoe de motor aan het aan te drijven apparaat wordt gekoppeld. Bouwvorm B3 betekent dat de motor horizontaal op 4 voeten staat. B14 geeft aan dat de motor met een flens direct aan het aan te drijven apparaat is gekoppeld. V1 betekent dat de motor verticaal met een flens gemonteerd wordt. 5.2 Borstelloze motoren, de toekomst. Bij industriële regelbare aandrijvingen worden hoe langer hoe meer borstelloze motoren ingezet. Bij dit type motoren is het toerental afhankelijk van de frequentie van de voedingsspanning. Dit in tegenstelling tot de gelijkstroommotor, waar het toerental afhangt van de spanning. In industriële toepassingen wordt meestal een 3 fasen, 380V, asynchrone draaistroommotor gebruikt die door een gecompliceerde toerenregelaar gevoed wordt. De asynchrone motor wordt zonder toerenregelaar al meer dan honderd jaar in de meest uiteenlopende industriële toepassingen gebruikt, kortom, het echte werkpaard van de industrie. Een belangrijk nadeel van de asynchrone motor is het lage rendement van ca. 75%. Dit maakt deze motor voor elektrisch varen minder geschikt. De afgelopen jaren is veel gedaan om deze motoren te verbeteren. Motoren met dunner en beter blik hebben een rendement dat rond de 85% ligt. Recentelijk zijn een aantal regelaars op de markt gekomen die de asynchrone motor als voortstuwing interessant maken. Bij aandrijvingen met accu voeding zien we nog een, voor het elektrisch varen interessante trend. Hier zien we de opkomst van borstelloze gelijkstroommotoren en synchrone motoren. Bij dit type motoren is het toerental net als bij de asynchrone motor, afhankelijk van de frequentie van de voedingsspanning. Dit in tegenstelling tot de gelijkstroommotor, waar het toerental afhangt van de spanning. Op beide motortypen zullen we kort ingaan. De borstelloze gelijkstroom aandrijving. De motor is hierbij opgebouwd als synchrone permanent magneet motor. Dit betekent, dat de rotor uit een aantal permanente magneten bestaat. De stator is, wat betreft zijn functie, te vergelijken met de veldspoelen van een gelijkstroommotor. Het zijn, in de eenvoudigste vorm, 3 spoelen die 120 ° verschoven van elkaar zijn aangebracht. De elektronische regelaar bekrachtigt de spoelen na elkaar, waardoor de magneten van de rotor telkens naar de volgende spoel getrokken worden en de rotor draait.

32

Stator, of veldspoel Rotor

N

Permanente magneet

Z

De elektronische regelaar stuurt de spanning en de frequentie waarmee de spoelen worden bekrachtigd. Omdat de motor met een blokvormige spanning wordt gevoed, zal het rendement van deze aandrijving niet boven de 80% uitkomen. Wel heeft deze motor een zeer hoog koppel. De synchrone aandrijving. Bij deze aandrijving wordt in principe dezelfde motor gebruikt als bij de borstelloze gelijkstroom motor. Op de motoras is een encoder gemonteerd. Dit is een nauwkeurig stukje techniek,dat exact de positie van de draaiende rotor ten opzichte van de stator bepaalt. De regelaar bestuurt elke spoel met een sinusvormige spanning waarvan de hoogte frequentie en fase door een microprocessor wordt berekend. De sinusvorm van de spanning wordt verkregen door de accuspanning met een speciale regelaar zodanig te sturen, dat met geringe elektrische verliezen de gewenste sinusvorm ontstaat. Het resultaat is een stabiele, extreem rustige en soepel lopende aandrijving. Het rendement van een synchrone motor met permanente magneten ligt ruim boven de 90%. De borstelloze gelijkstroomaandrijving zal in de toekomst veelvuldig gebruikt worden in minder kritische toepassingen zoals pompaandrijvingen in vorkheftrucks. Op het moment dat dit boekje uitkomt, wordt door een gerenommeerde leverancier van watersportartikelen een met blokvormige spanning gestuurde borstelloze aandrijving voor elektrisch varen aangeboden. De motor en regelaar zijn ontwikkeld voor pompaandrijvingen door een fabrikant van vorkheftruckmotoren in Slovenië. Kort na de introductie werd de motor voorzien van een koelwatermantel omdat de motor, bij het opgegeven nominale vermogen, te heet werd. De met sinusvormige spanningen geregelde synchrone en asynchrone aandrijvingen zullen in de toekomst zeer serieuze concurrenten worden van gelijkstroom. Met name voor de aandrijving van voertuigen zal dit het geval zijn. Een zeer recente ontwikkeling is de synchrone aandrijving zonder encoder. Een geavanceerd rekenprogramma berekent de positie van de rotor en bestuurt de 3 stromen door de spoelen van de stator. Deze regelingen zijn zeer betrouwbaar door 33

het ontbreken van de encoder. Bij lage toerentallen is het koppel echter gelimiteerd. De schroef vraagt bij een laag toerental een heel laag koppel. Dit maakt deze nieuwe regelingen uitermate geschikt voor onze toepassingen. Door het kostbare magneetmateriaal en de gecompliceerde regelaar, is de synchrone aandrijving momenteel nog erg duur. De verwachting is echter dat de synchrone aandrijving over enkele jaren niet veel duurder meer zal zijn dan de gelijkstroomaandrijving. We wachten af. 5.3 Samenvatting Dit hoofdstuk heeft een hele berg informatie verschaft over het hart van onze elektrische aandrijving, de motor. De belangrijkste zaken zetten we nog even op een rijtje. Gelijkstroommotoren -

Hoogtoerige motor met reductiekast. Goedkoop. Wat minder rendement en iets meer lawaai.

-

Laagtoerige direct gekoppelde motor. Stil, duurzaam en met een hoog rendement. Duurder, groter en zwaarder.

-

Seriemotor Goedkoop door grote aantallen voor vorkheftruck toepassingen Laag rendement Hoog koppel bij stilstand en heel hoog toerental bij wegvallen van de belasting

-

Permanent magneet motor Zeer hoog rendement Constant koppel Wat duurder door hoogwaardige materialen voor de magneten.

-

Inschakelduur. Let op dat uw bootmotor het benodigde vermogen continu kan leveren. Indien dit niet op het motorplaatje staat, is het aan te bevelen de technische specificatie op te vragen.

Borstelloze motoren De hoog rendement asynchrone motor is geschikt voor elektrisch varen. De motor is absoluut onderhoudsvrij en erg stil. Helaas is deze techniek momenteel nog erg duur. De synchrone motor heeft een hoger rendement en is hierdoor zeer geschikt. Er zijn op dit moment echter nog nauwelijks goede, betaalbare motoren op de markt. 34

6. De regelaar. Uit het vorige hoofdstuk weten we dat de gelijkstroommotor een toerental heeft, dat afhangt van de aangelegde spanning. Eenvoudig voorgesteld, is de regelaar dan ook een apparaat, dat tussen de batterijen en de motor wordt geschakeld en de motorspanning regelt. Voor de ontwikkeling van de vermogenselektronica in de vijftiger jaren van de vorige eeuw, werd het toerental van een gelijkstroommotor meestal met behulp van weerstanden geregeld. Hierbij wordt het deel van het door de accu geleverde vermogen dat niet door de motor wordt opgenomen, in warmte omgezet. Hoog-rendement regelaars voor batterij gevoede aandrijvingen bestaan nu al zo’n 25 jaar. Gedurende de laatste 10 jaar zijn, door gebruik te maken van nieuwe elektronische componenten, enorme verbeteringen gerealiseerd. Alle moderne regelaars voor batterij gevoede systemen werken op het principe van de pulsbreedte modulatie. Deze methode laat zich als volgt eenvoudig verklaren. Stel, we nemen een accu, een schakelaar en een motor en maken de elektrische verbindingen. Als we nu de stroom inschakelen, zal de motor vlot naar het maximale toerental gaan. Nu schakelen we de stroom heel snel, afwisselend in en uit. De motor zal nu niet meer het maximale maar een (gemiddeld) lager toerental bereiken. Door de ingeschakelde tijd te variëren, kunnen we het toerental van de motor regelen. Deze techniek wordt pulsbreedte regeling genoemd. We waren er in de zeventiger jaren gelukkig ook al achter, dat je een hele lamme hand krijgt van het snel heen en weer halen van een schakelaar. Ook hier werd de elektronica met succes te hulp geroepen. Met behulp van vermogenstransistoren werden schakelingen ontworpen die de accuspanning heel snel in en uit schakelen. Als dit echt snel gebeurt, dan lijkt het voor de motor alsof hij met een lagere spanning wordt gevoed. Het zal duidelijk zijn, dat als we de spanning dezelfde tijd in en uit schakelen, het resultaat overeenkomt met de halve spanning. Zouden we de spanning 25% van de tijd in, en 75% van de tijd uitschakelen, dan komt dit overeen met 25% van de accuspanning.

50%

25% 35

Door de ingeschakelde tijd, ook wel de pulsbreedte genoemd, te variëren, regelen we de uitgaande spanning en daarmee het toerental. De meeste toerenregelaars schakelen zo’n 12.000 maal per seconde. Modernere versies gaan al tot 30.000 schakelingen en hoger. Om het in en uitschakelen met minimale elektrische verliezen te doen, zijn zeer snel schakelende vermogenstransistoren nodig. Voor regelingen tot ca. 150 volt, worden hiervoor veldeffect transistoren (mosfets) gebruikt. Door het toepassen van deze moderne componenten worden regelaars gebouwd met een rendement van boven de 95%. De verwachting is, dat in de nabije toekomst de mosfet massaal in de automobielindustrie ingezet zal worden. Deze trend zal de prijs van de regelaar voor onze boot ook gunstig beïnvloeden. 6.1 Voor en achteruit varen. De draairichting van een gelijkstroom motor kan worden omgekeerd door ofwel de rotorstroom, ofwel de veldstroom in richting om te draaien. De meest voor de hand liggende methode hiervoor, is de stroom door het veld om te draaien. Hiervoor wordt een gecompliceerde vermogensschakelaar gebruikt. Deze elektromechanische componenten worden in vorkheftrucks voor het voor en achteruit rijden gebruikt. Als gelijkstroom met een elektromechanische schakelaar wordt uitgeschakeld, ontstaat er een vonk. Hierdoor kunnen de veelal verzilverde koperen contacten van de schakelaar na verloop van tijd gaan inbranden. Dit kan dusdanige vormen aannemen dat de contacten vervangen dienen te worden. Bij een vorkheftruck in bij voorbeeld een continu opererend distributiecentrum, worden de contacten dan ook minstens eens per jaar vervangen. Ook al schakelt onze boot veel minder frequent tussen voor- en achteruit, toch moeten we er rekening mee houden dat de elektromechanische schakelaar niet onbeperkt mee gaat. Gelukkig hebben de specialisten op het gebied van de vermogenselektronica ook hier een heel fraaie oplossing voor gevonden, die ook nog relatief simpel is. We nemen gewoon twee regelaars. Een voor vooruit en een voor achteruit. Simpel toch! Vanzelfsprekend bouwen we de twee regelaars samen in een behuizing en laten ze besturen door een gemeenschappelijk elektronische schakeling. Motor

Rechts

Links

Regelaar

36

Een dergelijk apparaat wordt een vier kwadranten regelaar genoemd. De naam vier kwadranten regelaar kan aan de hand van het volgende schema verduidelijkt worden. Aandrijven

Linksom

Rechtsom

Remmen

Een regelaar die alleen maar kan aandrijven in één draairichting wordt een éénkwadrant regelaar genoemd. Als de regelaar ook nog in staat zou zijn de motor elektrisch te kunnen afremmen, dan was dit een twee-kwadranten regelaar. Een vier-kwadranten regelaar kan aandrijven en remmen in beide richtingen. Het grote voordeel van een vier-kwadranten regelaar bij elektrisch varen is, dat als van vol voor naar vol achteruit geschakeld wordt, de motor perfect beheerst bestuurbaar blijft. Allereerst wordt de schroef elektrisch afgeremd tot stilstand en vervolgens wordt het vermogen weer gecontroleerd vrijgegeven in de andere draairichting. Gelukkig voor het vaarvolk, zijn de prijzen van mosfets de laatste jaren al flink gedaald. Hierdoor is de prijs van een elektronische vierkwadranten regelaar nog maar een fractie hoger dan die van één-kwadrant regelaar met vermogensschakelaar.

6.2 Hoe zwaar kiezen we de regelaar. Het ligt voor de hand dat de regelaar geschikt moet zijn om het nominale vermogen van de motor continu te kunnen leveren. Bij een gelijkstroommotor die nominaal 100A trekt moet ook een regelaar worden gekozen die dit kan leveren of iets meer. Bij dit punt moeten we even goed oppassen. De meeste fabrikanten en leveranciers van regelaars schermen graag met de maximale stroom die de regelaar heel kort kan leveren. Na goed zoeken kom je dan de nominale of continue stroom in de documentatie tegen. Deze waarde ligt op minder dan de helft van de maximale stroom. Vooral de fabrikanten in noord Amerika zijn hier heel bedreven in.

37

6.3 Aanvullende informatie voor de liefhebbers. Het besturingssysteem van de regelaar. Tot voor enige jaren, werd het brein van de regelaar opgebouwd uit analoge schakelingen, die gebruik maakten van transistoren, versterker IC’s en dergelijke. Bij moderne regelaars zijn deze componenten vervangen door een microprocessor. Voordelen hiervan zijn: -Geringere storingskans -Nauwkeurige regeling -Foutanalyse via een display of de laptop -Eenvoudige instelling van parameters zoals aanloopstroom, maximale stroom, en bewaking van de accuspanning. -Een gegarandeerd stabiele regeling De spanning van de regelaar. Voor een gelijkstroommotor maakt het qua kosten niet veel uit of we hem in 24, 36, of 48 volt bouwen. Bij de regelaar ligt dit iets anders. De mosfets die het vermogen moeten schakelen, zijn in een lagere spanning aanzienlijk goedkoper dan voor hogere spanning. Dit maakt een regelaar bij dezelfde stroom, voor 48 volt meestal duurder dan een regelaar van 24 volt. Bij regelaars voor 72 volt, wordt het prijsverschil nog veel groter. Opbouw van een regelaar. Koeling. Zoals reeds vermeld, heeft een moderne regelaar een rendement van boven de 95%. De resterende 5% wordt omgezet in warmte. De regelaar is voorzien van een aluminium koelplaat die deze warmte moet afvoeren. Van vele regelaars is deze koelplaat voor continu gebruik te klein en moet het geheel nog op een aluminium plaat gemonteerd worden. Het is belangrijk hierbij de instructies van de fabrikant op te volgen. Ook zijn er regelaars die voorzien zijn van een automatisch werkende klein ventilator. Deze ventilator wordt automatisch ingeschakeld als de temperatuur van de regelaar te hoog dreigt te worden. Dit werkt natuurlijk perfect, het is echter wel een extra component met kans op storingen en een geluidsbron. Een kwestie van smaak!!! Overigens hebben alle regelaars een schakeling die het motorvermogen reduceert als de regelaar te heet dreigt te worden. Regelaars met waterkoeling heb ik tot op heden nog niet op de markt gevonden. Toeters en bellen. De grootste markt voor pulsbreedte toerenregelaars voor batterij gevoede aandrijvingen zijn elektrische voertuigen. Alle regelaars die voor deze toepassingen zijn ontworpen hebben een aantal, soms best dure, toeters en bellen, die we voor elektrisch varen echt niet nodig hebben. 38

Toeters en bellen wordt hier overigens letterlijk bedoeld. Vrijwel alle regelaars hebben een schakeling waarmee een claxon kan worden aangestuurd bij het achteruit rijden. Dit is bij een voertuig verstandig, en zelfs verplicht. Op een boot zie ik er echter de lol niet van in. Verder zien we regelaars met ingebouwde schakelingen voor het besturen van een hydraulische pomp. Een vorkheftruck zal hier blij mee zijn, op de boot heeft het geen nut. Gelukkig komen er de laatste tijd regelaars op de markt, die echt voor het elektrisch varen ontworpen zijn. Zonder toeters en bellen, zeer functioneel en prijstechnisch interessant. Elektrische aansluitingen. Een 3.5kW motor met een spanning van 24V zal bij maximaal vermogen een stroom vragen van 162 A. Voor de berekening van de motorstroom, ben ik van een rendement van 90% uitgegaan. Tijdens versnellen of omkeer van de draairichting kan de stroom oplopen tot 300 A. en hoger. Om deze hoge stromen goed te kunnen verwerken moet de regelaar voorzien zijn van robuuste aansluitklemmen voor de bekabeling naar de accu’s en de motor. Ook de interne opbouw van het vermogensdeel van de regelaar moet op deze hoge stromen zijn afgestemd. Helaas moet ik vaststellen dat dit laatste nog wel eens te wensen over laat. Overzicht van de belangrijkste zaken. -

Een mosfet pulsbreedte regelaar heeft een rendement van boven de 95% en is uitermate geschikt voor het regelen van de snelheid van onze boot. De elektronische vierkwadranten regelaar heeft de voorkeur boven de regelaar met elektromechanische omschakeling. Een moderne microprocessor gestuurde regelaar heeft de voorkeur boven een analoge regelaar. Een regelaar zonder ventilator kan een koelplaat nodig hebben. Volg de aanwijzingen van de leverancier op. Probeer een regelaar te vinden zonder de onnodige toeters en bellen De elektrische aansluitpunten voor de bedrading naar de motor en de accu’s moeten voor de hoge stromen geschikt zijn.

De regelaar voor borstelloze motoren. Zoals eerder vermeld, bestaat de borstelloze gelijkstroommotor uit een rotor met permanente magneten en drie 120° van elkaar verschoven spoelen in de stator. Elke spoel heeft een eigen pulsbreedte regelaar. De vrij complexe besturing wordt geregeld door een microprocessor. Bij de regelaar voor een synchrone of asynchrone motor wordt elke spoel gevoed door een pulsbreedte geregelde spanning die lijkt op een sinusvorm.

39

Omdat er 3 paren vermogenstransistoren gebruikt worden, in plaats van 2 bij een gelijkstroomregelaar en de elektronica vele malen complexer is, is deze regelaar nog vrij prijzig.

7. De accu’s In de accu’s van onze elektrische aandrijving wordt de energie opgeslagen die we voor de voortstuwing nodig hebben. De accu’s zijn dan ook de brandstoftank van het elektrisch varen en dus in hoofdzaak bepalend voor hoe ver we kunnen varen. 7.1 Geschiedenis. Elektrische tractie, het aandrijven van een voertuig door middel van elektriciteit, werd voor het eerst gedemonstreerd in Aberdeen, Schotland in 1837. Robert Davidson bouwde er de eerste elektrische trein die voorzien was van galvanische cellen als opslagmedium voor elektrische energie. Een galvanische cel ontstaat als twee verschillende metalen elektroden in een geleidend bad worden gehangen. Door de natuurlijke verschillen in elektrische potentiaal tussen de metalen zal, indien de stroomkring gesloten wordt, een stroom gaan lopen. De eerste cellen maakten veelal gebruik van koper en zink als elektroden, en worden naar de uitvinder “Daniell cellen” genoemd. Galvanische cellen hebben een veel te lage energie inhoud en zijn dus niet geschikt als modern opslagmedium voor elektrische energie. Op 26 mei 1860 introduceerde Gaston Planté zijn loodaccu aan de Franse academie van wetenschappen. Zijn accu maakte gebruik van lood en loodoxide als elektroden en zwavelzuur als elektrolyt. 40

De loodaccu zoals wij die veelvuldig toepassen was geboren. Toch duurde het nog zeker 20 jaar voordat de techniek zo verbeterd was dat een bruikbare accu geproduceerd kon worden. In 1911 vond Charles Kettering de elektrische startmotor uit. Hierdoor kwam er abrupt een einde aan de elektrische auto maar werd er tevens een enorme markt voor start accu’s geboren. De eerste auto’s hadden een startmotor van 6 Volt en een accu met geringe capaciteit. Halverwege de vorige eeuw werden vooral in Noord Amerika de automotoren steeds groter en werden de auto’s van hoe langer hoe meer elektrische accessoires voorzien. De 6 Volt installatie was niet meer toerijkend waarna besloten werd op 12 Volt over te gaan. 12 Volt loodaccu’s worden in enorme aantallen over de hele wereld gefabriceerd en zijn daarom ook goedkoop.

7.2 Verschillende soorten accu’s. Vrij snel na de uitvinding van de loodaccu werden de nikkel-ijzer en nikkel-cadmium batterij uitgevonden. Deze accu’s hebben een lagere spanning per cel en een lagere energie inhoud dan de loodaccu maar hebben het voordeel dat ze pas na lange tijd zonder lading hun capaciteit verliezen. Nikkel-cadmium batterijen zijn uit milieu overwegingen verdwenen. Soms zie je er nog die uit oude telefooncentrales zijn gekomen en daar als noodvoorziening dienden. Nikkel-ijzer en nikkel-cadmium zijn voor aandrijving van voertuigen te groot, te zwaar en veel te duur. Met de toenemende belangstelling voor elektrisch aangedreven voertuigen, is de vraag naar accu’s met een hoge energie dichtheid (vermogen per kg gewicht) sterk toegenomen. Het gevolg is dat de laatste decennia een hele reeks van nieuw batterijsystemen zijn ontwikkeld, waarvan de meeste dermate ingewikkeld zijn, dat ze wellicht nooit op commerciële basis geproduceerd zullen worden. Een technologie die hier zeker een uitzondering op maakt is de lithium ionen accu. Deze accu’s hebben bij gelijk gewicht, een tot 5 maal grotere capaciteit dan loodaccu’s en worden momenteel massaal toegepast in mobiele telefoons en notebook computers. Lithium ionen accu’s voor aandrijftechniek van voertuigen worden nu nog in heel kleine hoeveelheden geproduceerd en zijn daardoor nog extreem duur. De fabrikanten van lithium ionen batterijen investeren momenteel enorm in vereenvoudiging van de technologie en productieproces. Ook wordt fors geïnvesteerd in volledig geautomatiseerde fabrieken. We moeten dus nog een paar jaar geduld hebben. Naast de hierboven beschreven lithium ionen batterijen zijn ook de nikkel metaal hydride batterijen in opkomst. Ze worden net als de hierboven omschreven lithium ionen batterijen ook in palmtop computers, GSM telefoons en allerlei andere batterij gevoede apparaten gebruikt.

41

De automobielindustrie heeft de laatste jaren veel geld geïnvesteerd in deze technologie als accu voor elektrische en hybride auto’s. Zeer recentelijk is echter duidelijk geworden dat de resultaten in tractietoepassingen zodanig tegenvallen dat een aantal grote autofabrikanten het project hebben gestopt en weer verder gaan met loodaccu’s. Voor het elektrisch varen is de loodaccu momenteel de technisch en economisch gezien meest verstandige keuze. We zullen dan ook aan deze technologie wat meer aandacht besteden. 7.3 De loodaccu Bij een loodaccu bestaat de positieve elektrode uit loodoxide of sulfide, en de negatieve elektrode uit lood. De platen loodoxide en lood worden van elkaar gescheiden door separatoren. Als elektrolyt wordt zwavelzuur gebruikt. Ten opzichte van de andere accusystemen hebben loodaccu’s de volgende voordelen: De hoogste celspanning Inzetbaar bij lage en hoge stromen Groot temperatuurbereik Rendement beter dan 80% Daarentegen zijn ze letterlijk lood zwaar en is de energie-inhoud per Kg gewicht laag. De opbouw van een loodaccu hangt af van de toepassing. Een startaccu moet een korte tijd een heel hoge stroom kunnen leveren. Hiervoor is deze accu uitgevoerd met veel dunne platen met een relatief groot oppervlak. Hierdoor kan het elektrochemische proces op veel plaatsen tegelijkertijd plaatsvinden en er dus een hogere stroom lopen. Accu’s voor verlichting en voor lichte tractie moeten en lagere stroom heel lang kunnen produceren. Hiervoor hebben ze minder platen nodig dan startaccu’s maar de platen zijn wel dikker. Verderop in dit hoofdstuk wordt nader ingegaan op de verschillende soorten loodaccu’s. 7.4 Levensduur van een loodaccu. Accu fabrikanten spreken van het einde van de levensduur als de capaciteit van de accu is teruggelopen tot 80% van de capaciteit in nieuwstaat. Vele factoren spelen een rol bij de levensduur van een accu. We noemen de meest belangrijke:

Ontlading. Een zeer grote invloed heeft de mate waarin de accu wordt ontladen. Hieronder volgt een tabel van een willekeurige semi tractie accu die dit effect duidelijk weergeeft.

42

Ontlading in % van Levensduur in aantal capaciteit ontladingen 100% 350 80% 500 60% 800 40% 1400 20% 2500 De tabel laat duidelijk zien dat we de levensduur van een accu sterk kunnen verbeteren door ervoor te zorgen niet te diep te ontladen. Voor de berekening van de benodigde capaciteit voor de boot moet hiermee rekening gehouden worden. Persoonlijk reken ik met maximaal 80% ontlading. Hierbij zal het set accu’s een redelijk lange levensduur hebben. Zuiverheid van de gebruikte metalen. Een extreem zuiver metaal is duurder dan een metaal met lichte verontreinigingen. Fabrikanten van goedkope accu’s zijn eerder bereid hier wat concessies te doen dan de gerenommeerde merken, althans dat hopen we.

Temperatuur. Loodaccu’s verliezen bij lage temperatuur een deel van hun capaciteit. Dit hebben we allemaal wel eens ervaren toen onze auto op een zeer ongelegen moment, en natuurlijk in de winter, niet meer wilde starten. Hoge temperaturen van boven de 50 0C zijn nadelig voor de levensduur van de accu. Laadcyclus. Lood accu’s worden in een aantal verschillende uitvoeringen gefabriceerd, die allen een afwijkende laadkarakteristiek hebben. Bij moderne microprocessor gestuurde laders kan het type accu worden ingegeven waarna de accu op de juiste manier wordt geladen. Het laden met de verkeerde karakteristiek heeft over het algemeen een nadelig effect op de levensduur van de accu. 7.5 Zelfontlading van accu’s We hebben het allemaal wel eens meegemaakt. De auto, motorfiets, of ander van een startmotor voorzien apparaat heft een tijd stil gestaan en prompt is de accu dood. Dit probleem wordt veroorzaakt door zelfontlading. Normaal ontlaadt een accu zich doordat er extern een gesloten stroomkring op wordt aangesloten. Zelfontlading vindt plaats zonder externe stroomkring en wordt veroorzaakt doordat loodoxide in de nabijheid van zwavelzuur langzaam uiteenvalt. De snelheid van zelfontlading hangt af van de zuurconcentratie, de temperatuur en het ontwerp van de accu. Als vuistregel kunnen we stellen dat de accu 1% capaciteit verliest per dag. De enige manier om dit probleem tegen te gaan is gebruik te maken van een druppellader die de accu constant op volle lading houdt.

43

7.6 Capaciteit van een accu. De capaciteit van een accu wordt opgegeven in Ah, oftewel de stroom vermenigvuldigd met de tijd zolang de accu deze stroom kan leveren. Voor start accu’s wordt deze waarde opgegeven bij 20 uur ontlading. Een 80 Ah accu kan dus 4 A stroom gedurende 20 uur leveren voordat hij weer opgeladen dient te worden. Bij tractie en semi-tractie accu’s is deze waarde gebaseerd op 5 uur ontlading. Dit laatste maakt aardig wat verschil uit zoals we hieronder zullen verklaren.

Ontlaadstroom Capaciteit in A in Ah 10 130 20 100 30 86 40 77 50 71 60 66 80

56

100

54

De capaciteit van een accu is geen constante maar hangt af van een groot aantal factoren. We noemen de belangrijkste: Ontlaadstroom. Bij een hogere stroom neemt de capaciteit van een accu af. De volgende tabel geeft een indruk van de capaciteit van een 100 Ah ( 5 uur waarde) semi-tractie accu. De accu van dit voorbeeld heeft bij 20 A ontlaadstroom een capaciteit van 100Ah. Zouden we deze capaciteit opgeven bij een ontlading met 10 A, dan is de capaciteit ineens veel hoger. Volgens de tabel 130 Ah. Ontladen we deze accu met 100A dan is de capaciteit nog maar 54 Ah. Bij de aanschaf van accu’s moeten we er dus goed op letten bij welk ontlaadtijd de capaciteit (Ah waarde) is opgegeven; 5 uur of 20 uur. De accu met 100 Ah capaciteit bij 20 uur is aanmerkelijk kleiner en terecht voordeliger dan een accu met dezelfde capaciteit bij 5 uur. Vorm van de ontlaadstroom. Zoals we weten, is de stroom die de snelheidsregelaar van de accu vraagt niet constant maar pulserend. Dit heeft een nadelig effect op de capaciteit van de accu. Onderhoud. Bij natte accu’s zal er bij het laden water verdwijnen. Wordt dit niet bijgevuld, dan zal een deel van de platen boven het niveau van het elektrolyt uitsteken waardoor de capaciteit vermindert. Leeftijd. Met het aantal laad en ontlaad cycli, loopt de capaciteit terug. De fabrikanten beschouwen een accu aan het einde van zijn leven als de capaciteit tot 80% is teruggelopen. Temperatuur. De capaciteit van een accu is afhankelijk van de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur, des te hoger de capaciteit. Bij lagere temperatuur loopt de capaciteit 44

terug. Als onze accu in de auto wat ouder is en ons in de winter plotseling laat staan weten we nu tenminste waarom. 7.7 Meten van de accucapaciteit Wat zou het prettig zijn om een metertje in de boot te hebben dat de restcapaciteit van de accu exact aangeeft. Ik denk hierbij aan de vervanger van de tankmeter in de brandstoftank. Zelf heb ik de onaangename gewoonte mijn auto zover leeg te rijden dat de meter echt op leeg staat en de elektronica me al een aantal malen nerveus heeft gewaarschuwd dat het nu toch wel tijd wordt te gaan tanken. In mijn auto wordt mij zelfs verteld hoever ik nog kan gaan. Dit systeem is verbazingwekkend exact. Bij accu’s is dit heel wat moeilijker. De capaciteit is niet constant en afhankelijk van heel wat factoren zoals we hiervoor gezien hebben. Er zijn heel wat accu capaciteitmeters te koop. De meest eenvoudige typen meten de accuspanning en geven dit aan met een aantal gekleurde LED’s. Dit is de minst nauwkeurige methode, temeer omdat de spanning ook afhankelijk is van de stroomsterkte. Veel betere, maar ook veel duurdere systemen, zijn voorzien van een microprocessor die het aantal Ah laadstroom en ontlaadstroom berekent en de restwaarde aangeeft. De meest geavanceerde apparaten berekenen zelfs de invloed van de stroomsterkte, de temperatuur en de veroudering op de capaciteit. Het resultaat is redelijk nauwkeurig maar helaas niet zo nauwkeurig als het metertje voor de dieseltank. Heel prettig zij de capaciteitsmeters die de nog te varen tijd bij de huidige snelheid aangeven. Met dit soort meter is meteen duidelijk wat een enorme invloed een klein beetje meer snelheid voor gevolg heeft op de actieradius van de boot. Besluit men een capaciteitsmeter aan te schaffen dan dient dit instrument aan de volgende voorwaarden te voldoen: -

Duidelijke uitlezing Eenvoudig te programmeren Rekening houden met de laadstroom ( Peukert formule) Rekening houden met de veroudering van de accu’s Uitlezing van de nog te varen tijd. Uitlezing van de resterende laadtijd tot vol. Display van meerdere waarden tegelijkertijd zodat niet steeds moet worden omgeschakeld.

Een metertje met een paar gekleurde LED’s geeft onvoldoende informatie en is niet zo’n verstandige investering. 7.8 Soorten loodaccu’s De uitdrukking “we koken tenslotte allemaal gewoon met water”, is in acculand nog niet zo doorgedrongen. Vaak worden, met name in de Noord Amerikaanse markt, maar helaas ook bij gerenommeerde Europese leveranciers, hele nieuwe termen bedacht door marketing 45

specialisten die alleen worden ingehuurd als ze kunnen aantonen al meerdere generaties volkomen atechnisch te zijn. Het resultaat is dat het lijkt alsof een geheel nieuwe, baanbrekende technologie wordt gepresenteerd, terwijl het toch gewoon gaat om een bekend stuk elementaire accu techniek. Helaas zijn er ook handelaren die op een bekende accu hun eigen sticker plakken en daarmee meteen de capaciteit denken te kunnen opvoeren of eigenschappen compleet kunnen veranderen. Er bestaan een aantal productie technieken en principes waar alle fabrikanten het mee moeten doen. De betere fabrikanten gebruiken nauwkeuriger productietechnieken en zuivere grondstoffen. De meest eenvoudige indeling van de verschillende soorten loodaccu’s is de volgende:

De natte accu.

Bij deze accu is het elektrolyt vloeibaar en kan het er uitlopen, als bij een ongeluk de accu scheurt.

De droge accu.

Bij de droge accu is het elektrolyt ofwel gelvormig ofwel in Hele dunne glasbuisjes gevangen. Als deze accu openbarst, zal er geen vloeistof uitlopen.

Binnen deze globale indeling kennen we nog een aantal specifieke types. Deze zijn: De startaccu.

Nagenoeg altijd in natte technologe, wat te herkennen is aan de dopjes voor het bijvullen van het gedemineraliseerd water.

De deep cycle accu.

Deze accu kan dieper ontladen worden dan een standaard accu. Ook hierbij geldt echter dat een diepe ontlading de levensduur niet ten goede komt.

Deep cycle accu’s zijn uitermate geschikt voor elektrisch varen. Daarom zullen we Wat uitgebreider ingaan op de verschillende soorten. Onderhoudsarm Natte deep cycle accu’s `

Onderhoudsvrij AGM

Droge deep cycle accu’s Gel

46

Onderhoudsarme accu. De platen zijn gemaakt van lood-antimoon en antimoon waardoor minder gasvorming ontstaat en dus ook minder water moet worden bijgevuld. Onderhoudsvrije accu. Over het algemeen worden lood/antimoon en calcium/calcium platen gebruikt. Deze accu’s zijn geheel gesloten en worden niet bijgevuld. Het verlies aan water is 250% lager dan de onderhoudsarme accu, hij gaat 40% langer mee en de zelfontlading is de helft. Bij deze voordelen komt nog dat deze accu relatief voordelig is en voor onze toepassingen bijzonder geschikt. Wel moeten we bij de calcium/calcium accu’s voor het laden een hiervoor geschikte lader gebruiken. Als een calcium/calcium accu eenmaal volledig leeg is geweest is hij niet meer te gebruken. AGM accu. De naam van dit type accu is de afkorting van Absorptive Glass Microfibre. Tussen de platen van de accu zijn lagen glasmat aangebracht waarbij het elektrolyt als het ware gevangen zit in heel dunne glazen buisjes. De zuurstof die wordt gevormd bij het uitgassen wordt in de accu aan de negatieve pool teruggevormd in water. Deze accu’s kunnen heel hoge stromen verdragen, zijn lichter en hebben een lange levensduur. Ze kunnen niet zo goed tegen hogere temperaturen ( 45oC), moeten met een speciale laadcurve in minimaal 5 uur geladen worden en zijn relatief kostbaar. Gel accu Bij de gel accu is het elektrolyt geleiachtig van substantie. Ook hier wordt de gevormde zuurstof teruggevormd in water en behoeft de accu nooit bijgevuld te worden. De eigenschappen van de gel accu komen sterk overeen met de AGM accu. Opmerking. Zowel de calcium/calcium, de AGM als de gel accu worden ook wel V.R.L.A. accu’s genoemd. V.R.G is de afkorting voor “Valve Regulated Lead Acide”. Deze naam geeft aan dat de accu’s voorzien zijn van een ventiel. Dit is voor de veiligheid, zodat bij een te hoog opgelopen druk in de accu gas kan ontsnappen. AGM en GEL accu’s zijn uitermate geschikt voor tractie toepassingen. Ze hebben een lange levensduur, zijn kleiner, kunnen in elke stand gemonteerd worden maar zijn relatief duur. 7.9 Welk type accu voor het elektrisch varen? Het antwoord op deze vraag is afhankelijk van het vaargedrag en de vulhoogte van de schatkist. Recreatief varen waarbij de boot enkele malen per week voor een rustig tochtje gebruikt wordt op kalm binnenwater.

47

Hierbij is mijn eerste keus de onderhoudsvrije accu. We dienen voldoende capaciteit te installeren om al te diepe ontladingen te voorkomen. Is men bereid om ongeveer het dubbele uit te geven dan zijn AGM of gel accu’s een goede keuze. Deze accu’s gaan waarschijnlijk wel minstens 50% langer mee! Recreatief varen waarbij de nadruk ligt op een heel lange vaartijd. Hierbij bieden AGM en gel accu’s grote voordelen. Door hun kleinere afmetingen kunnen we meer Ah capaciteit onderbrengen en is ook het gewicht gunstiger. De semi-tractie deep cycle accu is ook hier een prima keuze maar zal wat meer plaats vragen en zwaarder zijn. Ook dienen we bij deze accu’s regelmatig het water bij te vullen. Ze zijn wel veel voordeliger dan gel of AGM accu’s. Professioneel gebruik voor korte vaartijden. Ik denk hierbij aan een rondvaartboot die dagelijks vele rondjes moet varen. Hierbij is van belang dat in een heel korte tijd veel energie in de accu geladen kan worden. Tractie accu’s zoals in vorkheftrucks worden gebruikt zijn hier de beste oplossing. Gezien het zeer hoge prijsniveau en kolossale afmetingen van deze industriële krachtpatsers wordt de tractie accu niet verder behandeld. De semi-tractie deep cycle accu is ook hier geen slecht alternatief maar gaat naar verwachting iets meer dan de helft van de tijd mee van een tractie accu. Professioneel gebruik voor lange vaartijden. Dit is voor alle elektrisch aangedreven voertuigen het hete hangijzer. Boeken vol, lezingen te over, laboratoria in de hoogste versnelling. Het resultaat is dat er nog geen betaalbaar product bestaat. Voorlopig zou ik voor onze toepassing de AGM accu aanbevelen en heel voorzichtig het woord hybride laten vallen!!! 7.10 Accuschakelingen. De meest gangbare accu’s hebben een spanning van 12 volt. Voor een 24 volt aandrijvingmoeten twee accu’s in serie geschakeld worden + -

Serieschakeling

+ Willen we de capaciteit van accu’s verhogen, dan moeten meerdere accu’s parallel geschakeld worden. Voorbeeld. We gaan uit van accu’s met een capaciteit van 100Ah, en een spanning van 12 Volt. De aandrijving werkt met 24 Volt 48

Om de gewenste actieradius te halen hebben we 200 Ah nodig. De schakeling wordt als volgt. +

7.11 Hoeveel accu’s heb ik nodig om hoe lang te kunnen varen? Deze heel vaak gestelde vraag is niet zo eenvoudig te beantwoorden. Uit de voorgaande hoofdstukken weten we dat het energieverbruik exponentieel toeneemt met het toerental van de motor. Zo stelden we reeds vast dat bij 80% van het nominale toerental de motor minder dan de helft van het nominale vermogen vraagt. Dit betekent dat we dus bij 80% toerental, minstens twee maal zo lang kunnen varen als bij vol toerental. Ook de accu maakt het ons in dit verband extra moeilijk. Zoals we weten is de capaciteit namelijk niet constant, maar neemt af bij een hogere stroom. De heer Peukert heeft in 1897 en formule ontwikkeld, die het verband tussen capaciteit van een lood accu en de ontlaadstroom redelijk benadert. De formule van Peukert houdt geen rekening met de temperatuur en de soort ontlading. (gelijkmatig of pulserend) Als een exacte berekening verlangd wordt, dienen de ontlaad/capaciteit curven van de toegepaste accu bekend te zijn Uitgaande van pessimistische gegevens heb ik voor verschillende motor accu combinaties de vaartijd uitgerekend. Voor de tabellen gaan we uit van semi tractie batterijen waarvan de capaciteit bij 5 uur ontlading is gedefinieerd. In de aanvullende informatie is de formule gegeven om de vaartijd voor elke willekeurige motor en accuset uit te rekenen. Motor met een nominale stroom van 100 A, vaartijd in uren.

Ah accu's 100 150 200 250 300 350 400

Motorstroom in A 20 30 5,00 2,86 8,75 5,00 13,01 7,44 17,71 10,12 22,77 13,01 28,17 16,10 33,87 19,36

40 1,92 3,36 5,00 6,80 8,75 10,82 13,01

50 1,41 2,47 3,67 5,00 6,43 7,95 9,56

60 1,10 1,92 2,86 3,89 5,00 6,19 7,44

70 0,89 1,55 2,31 3,14 4,04 5,00 6,01

80 0,74 1,29 1,92 2,61 3,36 4,16 5,00

90 0,63 1,10 1,63 2,22 2,86 3,53 4,25

100 0,54 0,95 1,41 1,92 2,47 3,06 3,67 49

Uit de tabel is duidelijk te zien welke enorme invloed de motorstroom op de vaartijd heeft. Een gelijkstroommotor met een hoog rendement levert bij 24Volt en een stroom van 100A, een vermogen van ongeveer 2,2 kW. Goed gelijnde sloepen van rond de 6 meter varen op een prettige ( vlotte) kruissnelheid bij 50 tot 60 A. Als we 300 Ah capaciteit aan boord installeren ( in totaal 6 accu’s van 12 Volt en een capaciteit van 100Ah) zullen na 5 tot 6 uur de accu’s leeg zijn. Zoals hiervoor is beschreven moeten we er echter voor zorgen de accu’s nooit geheel leeg te varen. Een marge van 20% is minimal als extra reserve vereist. Motor met een nominale stroom van 200 A Motorstroom in A Ah accu's

40

60

80

100

120

140

160

180

200

100

1,92

1,10

0,74

0,54

0,42

0,34

0,28

0,24

0,21

200

5,00

2,86

1,92

1,41

1,10

0,89

0,74

0,63

0,54

300

8,75

5,00

3,36

2,47

1,92

1,55

1,29

1,10

0,95

400

13,01

7,44

5,00

3,67

2,86

2,31

1,92

1,63

1,41

500

17,71

10,12

6,80

5,00

3,89

3,14

2,61

2,22

1,92

600

22,77

13,01

8,75

6,43

5,00

4,04

3,36

2,86

2,47

In deze tabel valt op dat bij een capaciteit van 100Ah en vol vermogen de accu’s al in ca. 12 minuten leeg zijn. Deep cycle accu’s zoals in dit hoofdstuk beschreven zullen een dergelijke afranseling niet al te vaak kunnen doorstaan. Bij dergelijke extreme toepassingen verdient het aanbeveling om professionele tractieaccu’s toe te passen of deelname aan wedstrijden verder op te geven. 7.12 De plaats van de accu’s aan boord Voor de plaatsbepaling van de accu’s aan boord gelden drie belangrijke criteria. Deze zijn: Minimale kabellengtes Goede gewichtsverdeling Plaatsing volgens ISO voorschriften. Minimale kabellengtes. Om de verliezen in de kabels zo laag mogelijk te houden verdient het aanbeveling de accu’s niet te ver van de regelaar en motor te plaatsen. Ook is belangrijk dat de kabels naar parallel geschakelde accu’s even lang zijn. Als er grote verschillen in lengte bestaan zal een accu meer stroom trekken dan de andere. Goede gewichtsverdeling. Bij kleine en lichte schepen is het aan te bevelen de definitieve plaats van de accu’s te bepalen als het schip in het water ligt. Meestal worden de accu’s geplaatst onder de achterbank, de zijbanken of in het vooronder. We kunnen de accu’s dan tevens gebruiken om de boot te trimmen. 50

Plaatsing volgens de ISO voorschriften. ISO 10133 geeft een aantal belangrijke voorschriften met betrekking tot de plaatsing van accu’s aan boord. We noemen er enkele: In een droge geventileerde ruimte boven het verwachte bilgewater niveau. Accu’s moeten zodanig zijn vastgezet dat ze niet meer dan 10 mm in iedere richting kunnen bewegen. In motorboten mag bij 30º helling geen elektrolyt uit de accu’s of accukisten lekken. Bij enkelromps zeilboten is dit bij 45º Accu’s dienen zodanig te worden geplaatst of afgedekt dat metalen voorwerpen niet per ongeluk op de accupolen kunnen vallen.

7.13 Aanvullende informatie voor liefhebbers. Geheugenwerking. Heel vaak wordt gesproken over het geheugen effect van accu’s. Als een accu een aantal malen tot hetzelfde niveau ontladen is, wordt de capaciteit automatisch tot dit punt gereduceerd. Je hoort dan ook wel eens zeggen dat je de ontlading zo veel mogelijk moet variëren. Deze verhalen komen uit de beginperiode van de nikkelcadmium batterijen, waarbij dit fenomeen optrad. Loodaccu’s kennen dit verschijnsel absoluut niet. Dus gewoon even glimlachen als iemand beweert dat hij een semi tractie batterij in de aanbieding heeft zonder geheugenwerking. Bedenk daar maar bij dat de verkoper misschien zelf last van verminderde geheugenwerking heeft. 7.13.1 Serie schakeling van cellen en accu’s. Een accu is opgebouwd uit cellen die elk een nominale spanning hebben van 2 Volt. Als we uitgaan van 12 Volt accu’s staan er per accu dus 6 cellen in serie. Als een van deze cellen een veel lagere capaciteit heeft dan de anderen zal de totale capaciteit tot deze laagste waarde gereduceerd zijn. Als we accu’s met een verschillende capaciteit in serie schakelen zal de totale capaciteit die van de kleinste accu zijn. Het is dus van belang om accu’s van dezelfde capaciteit en van hetzelfde fabrikaat in serie te schakelen. Ook bij normaal bedrijf zullen de in serie geschakelde gelijke cellen in capaciteit gaan verschillen. Om de capaciteit van alle cellen weer gelijk te krijgen kan gedurende een korte tijd een verhoogde laadspanning ( 15,1 tot 15,8 Volt) worden aangelegd. Als deze laadtoestand te lang duurt of de spanning te hoog is zal de accu beschadigd raken. Het is dan ook niet aan te bevelen hiermee te experimenteren. Dit zogenaamde egaliseren is met name bij VRLA accu’s van zeer groot belang. Moderne, microprocessor gestuurde laders, verdelen de totale laadcyclus In 5 delen. Voorladen, snel laden, volladen, egaliseren en druppel laden, en zijn dus in staat dit, indien nodig, geheel automatisch bij elke laadcyclus te doen. 51

7.13.2 Parallel schakeling van accu’s Accu’s kunnen zonder problemen parallel geschakeld worden. Wel moeten we er voor zorgen dat het dezelfde soort accu’s zijn. Om echter alle mogelijke problemen te voorkomen is het aan te bevelen van een type met gelijke capaciteit uit te gaan. 7.13.3 De vaartijd afhankelijk van de accucapaciteit en de vaarsnelheid Voor de tabellen van het algemene deel van dit hoofdstuk heb ik de formule van Peukert gebruikt en in een Excel spreadsheet verwerkt. Dan te bedenken dat de heer Peukert hooguit een logaritme tabel een potlood en een matige hoeveelheid papier tot zijn beschikking moet hebben gehad. De formule: K C=

Id( p-1)

Hierin is: C:

De capaciteit van de accu

K:

Een constante waarde afhankelijk van de toegepaste accu.

Id:

De ontlaadstroom

P:

Een constante die afhangt van de constructie en kwaliteit van de accu en ligt tussen 1,28 en 1,4. ( voor de tabellen ben ik van de zeer ongunstige waarde 1,38 uitgegaan)

Hoe wordt de constante waarde K van een bestaande accu berekend. Stel we gaan uit van een accu met de volgende gegevens: Capaciteit 100Ah. Ontlaadtijd 5 uur. Bij de nominale ontlaadtijd is de stroom 100/5 = 20A In de formule kennen we nu de waarden van C, Id, en P. Hiermee kunnen we K berekenen. K = C X Id( P-1) K = 100 X 20 0.38 = 312,1702 52

Met de waarde voor K kunnen we nu de capaciteit bij verschillende stroomsterktes berekenen. Hebben we de capaciteit van een accu bij verschillende ontlaadstromen, dan kunnen we ook de waarde voor P van deze accu berekenen. Beperkingen van de formule van Peukert: - De invloed van de temperatuur is niet in de formule meegenomen. - P is alleen juist voor een beperkte variatie in ontlaadstroom - De formule houdt geen rekening met de soort ontlading. ( pulserend of gelijkmatig) Voor diegenen die het helemaal exact willen weten is er nog het rekenmodel van de heren Kaushik en Mawston waarbij de onnauwkeurigheden van de hier gebruikte formule niet gelden. ( Boek “Power Sources” 1989)

8. De lader De lader speelt een heel belangrijke rol in de levensduur van de accu. Vooral het overladen van de accu’s is niet bevorderlijk voor de gezondheid van de accu en de portemonnee van zijn eigenaar. Voor het optimaal gezond houden van de accu’s moet de lader in staat zijn de laadstroom te variëren, afhankelijk van de laadtoestand van de accu’s. Goedkope, niet elektronisch geregelde laders kunnen dit niet, en zijn voor het elektrisch varen niet aan te bevelen. Moderne elektronische laders regelen de laadstroom, afhankelijk van de laadtoestand. Hierbij wordt de laadcyclus in vijf delen verdeeld: Voorladen Als de accu door omstandigheden helemaal leeg is, moet eerst met een betrekkelijk lage stroom geladen worden tot een bepaalde spanning bereikt is. Snel laden vanaf laagste spanning. De accu’s worden met een hoge stroom geladen totdat de accuspanning een exact gedefinieerde waarde bereikt heeft. Volladen. De laadstroom neemt hierbij af, zodat de accuspanning niet te hoog wordt. Egaliseren Met een verhoogde spanning ervoor zorgen dat de in serie geschakelde cellen op een zelfde capaciteit komen. Op capaciteit houden. Met een lage stroom worden de accu’s in optimale conditie gehouden. Deze fase wordt ook wel druppel laden genoemd. Als er niet gevaren wordt moet de lader permanent op de accu’s aangesloten blijven om na een voltooide laadcyclus continue te kunnen druppel laden. De spanning bij druppel laden is afhankelijk van de

53

temperatuur. De betere laders zijn voorzien van een temperatuur voeler die in de nabijheid van de accu moet worden geplaatst. De microprocessor van de lader berekent de optimale accuspanning bij elke temperatuur. De hierboven omschreven laadcyclus is afhankelijk van het type accu. Goede elektronisch geregelde laders zijn microprocessor gestuurd . Het type accu wordt via een schakelaar of een keyboard geselecteerd waarna de lader de optimale laadcyclus zal uitvoeren.

Capaciteit van de lader. Vanzelfsprekend wordt een lader gekozen voor de spanning van de installatie. Bij kleinere schepen zal deze 24, 36, of 48 volt bedragen. De stroom die de lader moet kunnen leveren, hangt af van het soort en de capaciteit van de accu’s. Een goede vuistregel is dat de lader 20% van de accucapaciteit als maximale stroom mag kunnen leveren. VRLA accu’s mogen maximaal met 20% van de 5 uur capaciteit worden geladen. Open accu’s en onderhoudsvrije natte accu’s kunnen over het algemeen met een veel hogere stroom worden geladen. Het voordeel hiervan is dat de batterijen eerder opgeladen zijn. Lood accu’s mogen ook niet met een te kleine lader worden opgeladen. 10% van de capaciteit bij 20 uur ontlading is een goede gemiddelde waarde. Als we een 200 Ah(20 uur) accubatterij hebben geïnstalleerd, dan moet de lader minimaal 20A kunnen leveren. Bij een 300Ah accubatterij is dit 30A. 8.1 Snelladers. Bij industrieel gebruik bestond al jaren de behoefte om de accu’s veel sneller op te kunnen laden. Een continu werkend overslagbedrijf heeft immers zijn vorkheftrucks maar de helft van de tijd beschikbaar, uitgaande van een 12 uur laadtijd. Als de laadcyclus kan worden teruggebracht tot een uur, dan zijn enorme besparingen mogelijk. Het totaal aantal benodigde vorkheftrucks kan in dit geval aanmerkelijk lager zijn. De laatste jaren zijn voor deze markt snelladers ontworpen die tractie accu’s binnen een uur opladen, zonder de levensduur van de accu nadelig te beïnvloeden. Deze gecompliceerde microprocessor gestuurde krachtpatsers zijn zeker 5 maal duurder dan normale elektronische laders en daardoor alleen voor tractie accu’s in de professionele markt interessant.

9. Rendement van de totale installatie. Het zal de lezer niet ontgaan zijn dat voor elk deel van de aandrijving het rendement vrij gedetailleerd aan de orde kwam. De energie die we in onze accu’s mee kunnen nemen is vrij beperkt. Toch willen we zo ver mogelijk kunnen varen. 54

Ook zouden we het aantal accu’s in de boot willen beperken omdat die elke 5 tot 9 jaar vervangen moeten worden. Aan de hand van een voorbeeld zullen we zien hoe belangrijk het is om hoogrendement componenten te kiezen, en hoe dit kan schelen in onze totale kosten. Voor dit voorbeeld gaan we uit van een goed gelijnde boot van een lengte van 6 meter, een waterlijn 5.4 meter en een waterverplaatsing, inclusief accu’s, van 950 kg. De voorgaande hoofdstukken leren ons, dat de rompsnelheid 5,65 knopen ofwel 10,46 km/uur zal bedragen. Tevens weten we dat we bij benadering 1kW aan door de schroef afgegeven vermogen nodig hebben, om het schip op zijn rompsnelheid te krijgen. Gezien het relatief kleine vermogen kiezen we voor een 24 Volt systeem. Bij deze spanning is de regelaar relatief goedkoop en is een standaard, in grotere aantallen gefabriceerde acculader toe te passen

Omschrijving

Rendement Vermogen

in % Voortstuwing Schroef Motor Reductie Regelaar

Voorbeeld 1

Benodigde stroom

bij een 24 Volt systeem*

onvoldoende berekend seriemotor hoogtoerig 1:3 met V snaar

35 65 92 90

in kW 1.00 2.86 4.40 4.78 5.31 221A

Omschrijving

Rendement

Vermogen

in % 58 91

in kW 1.00 1.72 1.89

90

2.11

Voorbeeld 2 nauwkeurig berekend perm. magneet laag toerig Geen

bij een 24 Volt systeem

88A

* Stroom= Vermogen in Watt/ Accuspanning in Volt

Bij voorbeeld 1 zijn we uitgegaan van een schroef die niet exact berekend is en een rendement heeft van 35%. We moeten dus 2.86 kW vermogen aan de schroef toevoeren om er 1 kW uit te krijgen. Bij voorbeeld 2 is de schroef beter berekend. We behalen een rendement van 58%. De motor van voorbeeld 1 is een seriemotor met een rendement van 65%. Deze hoogtoerige motor heeft een reductiekast, waardoor het rendement nog 8% extra verlaagd wordt. De motor van voorbeeld 2 is een permanent magneet motor met een rendement van 91%. In beide voorbeelden wordt een standaard toerenregelaar toegepast. Conclusie. Om de schroef in beide voorbeelden 1kW vermogen te laten leveren, hebben we in het eerste voorbeeld 221 A stroom nodig. Bij het tweede voorbeeld is slechts 88 A. Duidelijk is dus aangetoond dat het rendement van de schroef en van de motor een heel grote invloed hebben op het opgenomen vermogen. Bij een gelijke accucapaciteit zal het schip uit het tweede voorbeeld ruim twee en een half maal verder kunnen varen. Anders geredeneerd kan met de helft van de accucapaciteit dezelfde afstand gevaren worden. 55

Het is dus ook vanuit het economisch perspectief aan te bevelen een wat duurdere hoogrendement aandrijving te kiezen, en de daarmee gepaard gaande extra kosten weer terug te verdienen met minder of kleinere accu’s.

10. Bekabeling In de internationale standaard ISO 10133 worden de normen beschreven waaraan laagspanningsinstallaties aan boord van kleine schepen dienen te voldoen. Het is absoluut noodzakelijk deze normen goed te bestuderen voordat de elektrische installatie wordt aangelegd. In principe kunnen we de bekabeling van de elektrische installatie onderverdelen in drie categorieën. Deze zijn: Hoofdstroom.

Dit zijn de kabels van de regelaar naar de motor en de batterijen.

Besturing

Dit zijn de kabels die verlichting verzorgen, elektromagnetische schakelaars bedienen etc.

Signalen

Bekabeling voor signaallampen, joystick, sleutelschakelaar etc.

Voor alle bekabeling aan boord van een schip geldt dat soepele kabel gebruikt moet worden. Bij deze kabel is de koperen kern opgebouwd uit meerdere geleiders. Installatiekabel zoals in een woning wordt toegepast heeft een vaste kern en zou bij langdurig blootstellen aan trillingen kunnen breken. Welke kabeldikte moet worden toegepast? Voor de hoofdstroombekabeling met korte afstanden kunnen we ruwweg uitgaan van 5 A per mm2 kabel oppervlakte. Stel dat de nominale stroom van de motor 120A is, dan zou een kabel van 24mm2 voldoende zijn. Een kabel van 25mm2 kan nominaal met een stroom van 125 A belast worden en zou voor deze toepassing aan te bevelen zijn. In het hoofdstroomcircuit moet de kabeldoorsnede worden gekozen op de waarde van de toegepaste smeltzekering. Het voorbeeld van installatie met een maximale motorstroom van 120 A, zal worden gezekerd met een smeltveiligheid van 160A. We dienen dus een hoofdstroomkabel te kiezen van 35mm2 Altijd geldt, dat een te dunne kabel onnodige elektrische verliezen veroorzaakt. Een veel te dunne kabel kan zelfs oververhit raken, en brand kunnen veroorzaken. Mijn voorkeur gaat voor deze toepassing uit naar het type kabel dat voor elektrisch lassen gebruikt wordt. Deze kabel is zeer flexibel en is gunstig in prijs. Voor de besturingskabels, waarbij de stroom niet boven de 10A uitkomt, wordt een kabel van 2,5mm2 aanbevolen.

56

Voor signaalkabels, waar nauwelijks stroom door loopt, kan theoretisch een heel dunne kabel gebruikt worden. We zien vaak, dat een meeraderige kabel tussen regelaar en bedieningspaneel wordt toegepast. Mochten er losse eenaderige kabels gebruikt worden, dan is aan te bevelen niet dunner dan 0,75mm2 te gaan. Deze keuze is gebaseerd op de mechanische sterkte, en niet op de elektrische eigenschappen.

11. Onderhoud Nooit meer zitten knoeien met zo’n ongemakkelijk oliepompje voorzien van een veel te dun plastic slangetje om de oude olie uit het carter te pompen. Alleen dit vooruitzicht zou al voldoende moeten zijn om elektrisch te gaan varen. De elektrische aandrijving is zo goed als onderhoudsvrij. De koolborstels in de motor dienen na ongeveer 2000 draaiuren geïnspecteerd en zonodig vervangen te worden. Dit is een klus voor de specialist. Afhankelijk van het type accu moet het niveau van de elektrolyt ( vloeistof in de accu) een aantal malen per seizoen gecontroleerd worden. Bij een te laag niveau dient dit te worden aangevuld met gedestilleerd water. Hoe vaak er water bij moet en hoeveel hangt sterk af van het aantal ontladingen en de gebruikte lader. Bij een goed gedimensioneerde lader zal het waterverbruik minimaal zijn. Gebruik nooit leidingwater om de accu’s bij te vullen en kijk goed op de fles of het wel echt gedestilleerd water is en geen verfverdunner. Dit laatste overkwam een heel ijverige watersporter. Hij keek heel beteuterd toen het gebeurd was en heel erg bedroefd toen hij de nieuwe accu moest betalen. 11.1 Onze elektrische aandrijving in de winter. De motor, regelaar en lader hebben bij het winterklaar maken van de boot geen bijzondere aandacht nodig. Mocht de boot voor een langere periode, bij voorbeeld een jaar of meer, uit de vaart genomen worden, dan is het aan te bevelen de koolborstels van de collector te isoleren. Dit kan gedaan worden door ze geheel uit de houders te halen of door een stukje papier tussen de borstel en de collector te plaatsen. Niet vergeten om die papiertjes later weer te verwijderen, want anders loopt de motor echt niet. Een asynchrone of synchrone motor behoeven geen enkel onderhoud. Als de boot in de winter buiten blijft, dan is het aan te bevelen de accu’s eruit te halen. Ligt de boot binnen, waarbij de temperatuur niet te ver onder het vriespunt zal komen, kunnen de accu’s in de boot blijven. In alle gevallen is het van belang de accu’s onder lading te houden.

57

Dit kan gedaan worden met de lader op de boot, die voorzien is van een automatische lader, of met een aparte druppellader die we op de accu’s aansluiten in de opslag. Gebruik voor dit laatste nooit een goedkoop ladertje van de doe-het-zelf winkel, maar een echte druppellader. 11.2 Aanvullende informatie voor de liefhebber De regelaar. Alleen als we een regelaar hebben met elektromagnetische schakelaar, zullen na verloop van een aantal jaren de contacten moeten worden schoongemaakt of vervangen. Mochten de contacten zijn voorzien van een laagje zilver, dan is het schuren niet aan te bevelen. In dit geval moeten de contacten of de hele schakelaar worden vervangen. Koperen contacten kunnen, nadat de ingebrande putjes zijn weggevijld, met fijn schuurpapier weer glad gemaakt worden. Het is niet aan te bevelen deze klus uit te voeren als men geen ervaring heeft in dit soort werkzaamheden. Een reden te meer om een elektronische vierkwadranten regelaar toe te passen. De motor. De gelijkstroommotor vergt mechanisch geen onderhoud. Moderne motoren hebben volledig gesloten lagers die, bij normaal gebruik, vele jaren probleemloos mee moeten gaan. Lagers die beschadigd zijn dienen te worden vervangen. Dit is een klusje voor de specialist. Koolborstels zijn aan slijtage onderhevig. We mogen ervan uitgaan dat een koolborstel maximaal 6 mm zal slijten per 1000 draaiuren. Ligt deze waarde aanmerkelijk hoger, dan is er iets in de motor of de regelaar niet in orde en dient de motorenspecialist hier naar te kijken. Overigens kan men bij dit soort problemen het beste bij de fabrikant van de motor of een goed wikkelbedrijf van elektromotoren terecht. Deze laatste zal ook uw aanspreekpartner zijn voor het vervangen van de koolborstels. Als we uitgaan van een effectieve borstellengte van minimaal 12 mm, dan zal onder normale omstandigheden deze klus pas na 2000 uur, of langer nodig zijn. Bij mijn elektrische sloep zijn na 10 jaar de borstels nog nauwelijks gesleten. Ik verwacht nog minstens 5 jaar zonder vervanging verder te kunnen. Voor de echte liefhebbers, die deze werkzaamheden zelf willen uitvoeren, volgen hier een paar tips. Collector, borstels en de borstelhouders moeten we bij het vervangen van de borstels grondig inspecteren. Een paar belangrijke punten . -

Gaan de borstels soepel in de houder op en neer? Zijn de veren die op de borstels drukken gelijk van druk?

58

-

Is de collector ingelopen of zijn er brandvlekken?

-

Zitten de elektrische verbindingen goed vast?

-

Is er veel koolstof of ander vuil in de motor? De meeste motoren zoals hier worden toegepast, hebben koolborstels waarin naast koolstof ook koperpoeder is verwerkt. Koolstof en koperstof zijn goede geleiders en dienen dus verwijderd te worden.

Bij het vervangen van de koolborstels moet het contactvlak tussen borstel en collector exact passend gemaakt worden. Dit wordt gedaan met behulp van een stuk schuurlinnen dat met de gladde kant op de collector word gedrukt en onder de koolborstel wordt doorgehaald. Zo krijgt de borstel dezelfde radius als de collector. Nadat alle borstels zijn ingeschuurd, moet het stof met een krachtige stofzuiger uit de motor worden verwijderd. Let op. Met perslucht wordt het stof alleen maar verder de motor in geblazen. Mocht de collector brandplekken vertonen of ingelopen zijn, dan kan dit door een specialist worden verholpen. Probeer nooit met een stukje schuurpapier of een slijpsteen de collector op te knappen. Hiermee wordt het probleem alleen maar erger. Het wikkelbedrijf voor elektromotoren heeft op dit gebied de juiste kennis en ervaring in huis. De batterijen. Loodaccu’s kunnen, afhankelijk van het type enig onderhoud nodig hebben. Tijdens het laden kan wat water uit de accu verdwijnen. Het is belangrijk het niveau van de elektrolyt zo nu en dan te controleren. Bij een te laag niveau moet dit aangevuld worden met gedestilleerd water. Het spreekt vanzelf dat de accuklemmen schoon moeten zijn en de verbindingsklem goed te zijn aangedraaid. Het is aan te bevelen de accuklemmen voor montage met een dun laagje zuurvrije vaseline in te smeren. Dit vertraagt het oxidatieproces.

12. Binnenboord en buitenboord. Tot op heden hebben we alle componenten van een elektrische aandrijving besproken. We hebben een motor met regelaar, een set accu’s met lader en een schroef. Nu moet dit nog op de een of andere manier aan of in de boot gemonteerd worden. Hierbij moet de techniek altijd droog en de schroef altijd nat zijn. Uitgaande van deze eisen kunnen we twee verschillende systemen bedenken. De binnenboord en de buitenboord motor. Elektrische buitenboordmotoren worden al geruime tijd op de markt aangeboden. De meest gebruikte types komen uit de VS waar ze bij het vissen als hulpaandrijving worden gebruikt. Grote snelle visboten worden over kleine afstanden van de ene visstek naar de andere verplaatst. Voor hoofdaandrijving zijn ze niet ontworpen. De motor is onder water geplaatst. Omdat de motor een relatief kleine diameter moet hebben, is gekozen 59

voor een hoog toerental en een relatief kleine schroef. Het resultaat is een zeer laag rendement en een schipper die, ofwel verveeld om zich heen zit te kijken, ofwel hoopt dat het niet echt gaat waaien. Technisch gezien zijn deze motoren ook niet echt voor langdurig gebruik ontworpen. Zo laten de schroefasafdichtingen het nogal eens afweten met alle gevolgen van dien. Concluderend zou ik deze motoren alleen aanbevelen voor heel lichte bootjes waarmee zo nu en dan een stukje gevaren wordt. In Europa worden ook een aantal elektrische buitenboordmotoren gebouwd. Sommige typen maken gebruik van de staart van een bestaande buitenboordmotor waarbij de benzinemotor vervangen is door een elektromotor. Ook hier geldt dat door de te kleine schroef het rendement niet al te geweldig is. Buitenboordmotoren met de motor onder water worden ook in Europa geproduceerd. Technisch zijn ze aanmerkelijk beter dan de motoren uit de VS. Doordat deze motoren in betrekkelijk kleine series worden gebouwd zijn ze relatief kostbaar. Helaas worden ook hier meestal hoogtoerige motoren met veel te kleine schroeven toegepast. Het rendement is niet geweldig en de vaarprestaties zijn matig. Veel zien we deze motoren achter verhuurscheepjes waarbij de betrouwbaarheid absoluut bewezen is. De vaareigenschappen zijn voor deze toepassingen niet zo belangrijk. Concluderend kunnen we stellen dat er nog nauwelijks keuze is aan elektrische buitenboordmotoren die echt voor het elektrisch varen met redelijk grote en zwaardere schepen ontworpen zijn. De meeste elektrische buitenboordmotoren zijn alles behalve fraai. De technisch betere motoren zijn helaas vrijwel allemaal erg prijzig. Voor heel lichte bootjes en matig gebruik kunnen de lichte en prijstechnisch interessante motoren uit de VS toegepast worden. Systemen met een vaste schroefas worden meestal voor wat grotere schepen toegepast. Veelal wordt een standaard schroefas met watergesmeerd achterlager en zwevend binnenlager gebruikt. De elektromotor wordt op vier rubber motorsteunen geplaatst zoals die worden toegepast bij dieselmotoren. Bij een dergelijke opstelling dient op de volgende punten gelet te worden: 1. Zijn de rubbers niet te stug en te zwaar voor de relatief lichte elektromotor? 2. Is de schroefas gericht? Een slinger van 0,3 mm is helaas bij de goedkopere aanbieders van schroefassen geen uitzondering. Bij een lawaaierige diesel valt dit misschien niet op, bij een stille elektrische aandrijving des te meer. Een slinger van 0,05 mm is het maximum. Een technisch fraaie oplossing is het “Aquapella”systeem waarbij gebruik gemaakt wordt van een in rubber opgevangen stuwdruklager en flexibele koppeling. Bij deze opstelling wordt de aangeflanste motor niet op stuwdruk belast maar levert hij uitsluitend het benodigde koppel. Het watergesmeerde teflon lager is in rubber opgehangen.

60

Het onderwaterschip. We kopen een stille elektromotor, balanceren de schroef, richten de schroefas, hangen het geheel overvloedig in rubber en toch trilt de aandrijving bij hogere vermogens. Bij een door een diesel aangedreven schip zullen we dit schoorvoetend willen accepteren. Een diesel is nu eenmaal niet stil. Bij een elektrische aandrijving zijn we veel minder vergevingsgezind. Als de aandrijfcomponenten niet in onbalans zijn en de aandrijving uit het water heeft gedraaid waarbij geen noemenswaardige trillingen optraden moeten we wel concluderen dat het schip zelf de boosdoener is. Het antwoord is de aanstroming van het water naar de schroef. De ervaring heeft mij geleerd dat dit het belangrijkste aandachtsveld is voor een stille elektrische aandrijving. Waar moet op gelet worden: 1. Als de boot een kiel heeft moet de hak zo veel mogelijk verjongd zijn en de schroefas relatief ver uitsteken om het water de gelegenheid te geven goed naar de schroef toe te stromen. 2. De ruimte tussen het vlak van het schip en de schroef moet zo groot mogelijk zijn. Algemeen geldt dat het water zo gemakkelijk mogelijk bij de schroef moet kunnen komen en dat water dat door de schroef wordt weggeslingerd niet te veel bonkt op het vlak van de boot. Te weinig ruimte Slechte aanstroming

Een boot met een vrije op één punt opgehangen schroefas is dus over het algemeen aanmerkelijk stiller dan een boot met een kielbalk waar de schroefas doorheen steekt. Ter verduidelijking. Een 2,4 kW aandrijving bij 1000 toeren met een schroef van 12 X 9 inch verpompt per seconde bijna 280 liter water! We kunnen ons voorstellen wat er onder de boot gebeurt als de aanstroming verstoord is.

13. Hybride systemen. 61

Een hybride systeem is een aandrijving waarbij een elektromotor en een brandstofmotor gecombineerd worden toegepast. Het grote voordeel van een hybride systeem is dat zowel heel stil maar ook heel ver gevaren kan worden. Het nadeel is dat in feite twee complete systemen zijn ingebouwd wat het geheel erg kostbaar kan maken. De volgende hybride systemen kunnen worden onderscheiden. 13.1. Diesel met elektrische hulpmotor. De dieselmotor is voorzien van een standaard keerkoppeling en vormt als zodanig de hoofdaandrijving. Achter de keerkoppeling is een elektromotor gemonteerd die voor de elektrische voortstuwing zorgt. Er zijn twee mogelijkheden om de diesel en de elektromotor te laten samenwerken deze zijn: 1.Op de uitgaande flens van de keerkoppeling is een snaarschijf bevestigd waarmee een gelijkstroommotor wordt gekoppeld. De gelijkstroommotor werkt als generator als de diesel loopt en laadt de accu’s op. Bij het elektrisch varen is de diesel uitgeschakeld en drijft de gelijkstroommotor de schroefas aan.

Elektromotor

Snaar

Diesel

Keerkoppeling

Koppeling

Deze opstelling heeft als voordeel dat een bij de botenbouwers zeer bekende aandrijving wordt gebruikt waar alleen een extra gelijkstroommotor wordt opgebouwd. Het nadeel van deze aandrijving is dat we bij het varen op de diesel nog steeds het geluid en de trillingen van de brandstofmotor zullen ondervinden. 2.De elektromotor wordt tussen de diesel met keerkoppeling en de schroefas gemonteerd. Hierbij vervalt de snaaraandrijving hetgeen het rendement verbetert. Het nadeel van deze opstelling is dat het geheel vrij lang wordt en dat het uitlijnen van de diesel en de elektromotor niet altijd eenvoudig is.

Elektromotor 62

Dit laatste kan opgelost worden door de elektromotor te voorzien van een lager dat als stuwdruklager gebruikt kan worden. De elektromotor wordt dan direct op de schroefas gekoppeld en de diesel met behulp van een homokinetische koppeling met de elektromotor verbonden. Deze opstelling maakt de diesel ook nog stiller .

Elektromotor Dwarsschot

Homokinetische koppeling

Starre koppeling

13.2 Elektrische aandrijving met dieselgenerator. Bij deze vorm van hybride aandrijving wordt het schip altijd aangedreven door een elektromotor. De elektromotor wordt ofwel gevoed door de accu’s ofwel door de dieselgenerator. De accu’s worden bij het varen op de diesel tevens door de dieselgenerator opgeladen.

Dieselgenerator

Elektromotor

Deze vorm van hybride aandrijving heeft de volgende voordelen: -

-

Altijd de perfecte regelbaarheid van de elektromotor Een trillingsvrije aandrijving De dieselgenerator kan op een willekeurige plaats in het schip worden ingebouwd. De diesel kan trillingsvrij en goed geluigeïsoleerd worden opgesteld. De diesel loopt altijd op een vast toerental met een heel hoog rendement. 63

- De levensduur van de diesel kan aanzienlijk worden verlengd doordat hij altijd -

voor een langere periode draait en dus goed warm kan worden. De dieselgenerator kan ook andere elektrische apparaten aan boord van energie voorzien, zoals een magnetron, elektrische oven of kookplaat. Hierbij is de fles propaangas niet meer nodig. Wat een geweldig vooruitzicht!

Nadelen van deze vorm van hybride aandrijving: -

-

Een vrij dure oplossing. Er zijn nog geen gestandaardiseerde systemen op de markt beschikbaar.

13.3 Aanvullende informatie voor de liefhebber. Bij de hybride aandrijvingen met standaard scheepsdiesel en elektrische hulpmotor moet de overbrenging van de elektromotor naar de schroefas zodanig gekozen worden dat de elektromotor zijn nominale vermogen leveren kan. Omdat de dieselmotor veelal een veel groter vermogen kan leveren dan de elektromotor en de schroef is berekend op de dieselmotor moeten we enig rekenwerk verrichten om beide systemen goed samen te laten werken. Voor alle hier volgende berekeningen gaan we uit van de propellerwet, waarin het verband tussen toerental en opgenomen vermogen van een propeller of schroef is vastgelegd. De formule: Hierin is:

P = C X N3

P: Het door de schroef opgenomen vermogen. C: Een constante waarde die afhangt van de schroef. N: Het toerental van de schroef.

Elektromotor met een snaaroverbrenging Uitgaande van deze propellerwet kan een formule herleid worden warmee de overbrengingsverhouding van de elektromotor berekend wordt. De formule: Ne n = Pe Pd Hierin is: n: Ne: Pe: Pd: Nd:

1/3

X Nd

De overbrengingsverhouding van de pullies en V snaar. Het nominale toerental van de elektromotor. Het nominale vermogen van de elektromotor. Het nominale vermogen van de diesel. Het nominale toerental van de diesel gemeten aan de schroefas ( dus na de vertraging van de keerkoppeling)

We zullen deze formule gebruiken in het volgende praktijkvoorbeeld: 64

Dieselmotor. Elektromotor.

13 kW 3600 Omw, vertraagd tot 900 Omw. door de keerkoppeling 2,2 kW 1200 Omw.

De overbrengingsverhouding van de pullies kan nu berekend worden: 1200 n = 2,2 13

1/3

= 2,4 X 900

De vertraging tussen de elektromotor en de schroefas moet dus 1 : 2,4 zijn om optimaal van het vermogen van de elektromotor gebruik te maken. Opmerking: Voor deze formule is ervan uitgegaan dat de dieselmotor bij vol toerental ook daadwerkelijk zijn nominale vermogen levert en de schroef hiervoor dus juist berekend is. Elektromotor tussen de diesel en de schroefas. Ook bij deze opstelling moet enig rekenwerk worden gedaan om beide motoren optimaal te laten functioneren. We gaan uit van de hierboven reeds gebruikte propellerwet waaruit we kunnen herleiden dat het door de propeller gevraagde vermogen bij een willekeurig toerental is: N13 P=

Pmax X

Hierin is: P Pmax N1 Nmax

Nmax3

Het gevraagde vermogen in kW. Het maximale motorvermogen in kW. Het toerental van de schroefas. Het maximale toerental van de schroefas.( De diesel loopt op vol toerental en vol vermogen)

We gaan uit van een dieselmotor met een nominaal vermogen van Pd bij een astoerental van Nmax. Het vermogen dat de diesel bij een willekeurig toerental levert is dus: N13 P=

Pd X

Nmax3 De diesel met keerkoppeling is direct gekoppeld met de elektromotor. Als de elektromotor op vol toerental Ne en vol vermogen Pe loopt is dus Pe = P uit de vorige formule. Anders gezegd: de diesel en de elektromotor leveren op dit moment een gelijk koppel. 65

Ne3 Pe =

Pd X

Nmax3

Uit deze formule herleiden we: 3 Ne=

Pe Pd

X Nmax

Het volgende voorbeeld zal het belang van deze berekening aantonen. Dieselmotor: 8,2 kW, bij 1500 toeren op de schroefas Elektromotor 2,2 kW bij 1250 toeren De schroef is berekend op het nominale vermogen van de diesel. 3 Ne=

2,2 8,2

X 1500 = 967 omw.

Uit deze berekening blijkt dat de elektromotor bij 967 toeren zijn nominale koppel heeft bereikt. Zouden we de motor verder in toerental uitsturen dan zal het koppel en het vermogen exponentieel verder stijgen. De elektromotor levert bij 967 toeren een lager dan nominaal vermogen. Voor de berekening gebruiken we de volgende formule: N P=

X P max N max

Hierin is: P: N: Nmax: Pmax:

het door de motor geleverde vermogen het toerental het nominale toerental het nominale vermogen

In ons voorbeeld levert de elektromotor dus: 967 P=

X

2,2 = 1,70 kW

1250 We stellen vast dat de elektromotor maar tot 77,2% van zijn nominale vermogen wordt gebruikt. Conclusie:

66

Het is bij hybride aandrijvingen van groot belang de vermogens en toerentallen van de diesel met keerkoppeling en de elektromotor goed op elkaar af te stemmen. Als dit niet het geval is zal ofwel de elektromotor nooit zijn nominale vermogen leveren of zelfs continue overbelast kunnen worden.

14. Brandstofcellen, de toekomstdroom van elke watersporter. Een glimmend metalen kast met bescheiden afmetingen in je boot monteren, aansluiten op de dieseltank, elektromotor erbij en varen, doodstil varen, tot de volgende dieselpomp en het woord onderhoud uit het woordenboek schrappen. Het lijkt veel te mooi om waar te zijn, maar het is mogelijk, en wellicht niet eens zo heel ver weg. Hoe dit allemaal kan en hoe het werkt, wordt in dit hoofdstuk besproken.

14.1 De brandstofcel. Een brandstofcel is een elektrochemisch apparaat waarin waterstofgas wordt gevoerd door een systeem van elektrisch geleidende platen waarbij de waterstof wordt omgezet in water en op de geleidende platen een elektrische spanning ontstaat en een elektrische stroom kan gaan lopen. Brandstofcellen zijn al zo’n 50 jaar geleden uitgevonden en werden al regelmatig in onder meer satellieten en specifieke militaire apparaten toegepast. De voordelen van een heel bedrijfszekere en compacte elektrische stroombron bepaalden hierbij de keuze. De prijs is bij deze toepassingen volslagen secundair. De laatste jaren is heel veel onderzoek verricht naar brandstofcellen, is er heel veel vooruitgang geboekt en zijn er inmiddels al heel wat aanbieders van functionerende systemen.

67

Brandstofcel

Waterstof Lucht

Elektriciteit Warmte en water

Een van de grootste potentiële toepassingen is de elektrische auto. Als we hierin de accu’s kunnen vervangen door een brandstofcel dan is in één klap het nadeel van de beperkte actieradius opgelost en hebben we een auto die geen schadelijke stoffen uitstoot. Alle grote autofabrikanten stortten zich de afgelopen jaren op deze nieuwe technologie, niet zelden alleen maar voor de extra publiciteit. Het verkoopt goed als je kunt zeggen heel veel geld te investeren in de ontwikkeling van “Zero Emission” voertuigen. Maar ja, zoals eerder gesteld, loopt de brandstofcel op waterstof. Dit is een zeer explosief gas, zoals het ongeluk met de zeppelin Hindenburg in 1937 pijnlijk duidelijk bewees. Hier ligt het probleem. De pompstations staan niet te dringen om waterstof onder heel hoge druk te verkopen, en het vloeibaar maken en houden is veel te duur. De bouw van een veilig distributienet parallel aan dat voor de bestaande brandstoffen is zeer kostbaar en niemand staat te springen om in deze installaties te investeren. Enkele autofabrikanten worden al wat stiller, zeker nu het publiek zich langzamerhand ook nog eens gaat afvragen hoe waterstofgas gewonnen of gemaakt moet worden en wat dat betekent voor het energierendement en het milieu. Als ik een groot artikel in een zaterdagkrant lees waarin uitgebreid verslag gedaan wordt van een mini brandstofcel voor mijn notebook computer of GSMmetje dan krijg ik wegwerp aansteker visioenen, alleen wel met een klein tankje zeer explosief waterstofgas onder hoge druk. Kortom niet meer met je telefoontje smijten als je boos bent want dan ga je voor de rest van je leven door voor terrorist. Ik kies nog maar even voor mijn Lithium ionen batterij.

14.2 De reformer. Een heel fraaie oplossing van het probleem van het opslaan van waterstof is gebruik te maken van een reformer. Dit is een apparaat dat een koolwaterstof verbinding, lees normale brandstof, omzet in waterstofgas en kooldioxide. We kunnen nu een bekende brandstof zoals benzine of diesel, maar ook ethanol of methanol, direct omzetten in waterstofgas en hiermee direct de brandstofcel voeden. 68

Pomphouder blij, automobilist blij, politiek blij, kortom het ei van Columbus.

Reformer

Brandstofcel Elektriciteit

Brandstof

Warmte

Lucht

Warmte en water

Technisch kleven er helaas nog een aantal problemen aan de reformer. Het vermogen is niet onmiddellijk beschikbaar en de extreem koude start is ook nog niet geweldig, om maar te zwijgen van het rendement. Voor grote vermogens die nodig zijn om een middenklasser auto voort te bewegen is nog heel wat research nodig. Een voor het elektrisch varen heel interessante ontwikkeling is echter de veel kleinere brandstofcel met reformer die is ontworpen voor hulpaandrijving in vrachtwagens en heel dure auto’s. Als de vrachtwagen met gekoelde lading in de file staat moet de diesel gewoon door blijven draaien om de energie op te wekken voor het koelaggregaat. Dit is een dure oplossing omdat een grote dieselmotor draait waar maar een klein beetje energie nodig is. Voor de hele dure personenauto geldt in wezen hetzelfde. De koeling of verwarming, koelkastje, verlichting en nog veel meer heerlijkheden moeten blijven functioneren als de auto stil staat. Het is uiterst waarschijnlijk dat de brandstofcel hier op redelijk grote schaal zijn intrede doet. De hiervoor benodigde techniek is redelijk ver ontwikkeld en heeft een sterke publiciteitswaarde, kortom het komt er. De hiervoor in aantallen gefabriceerde brandstofcellen hebben een vermogen tussen 5 en 25 kW. Waarschijnlijk bij een spanning van 42 Volt. Als dit gebeurt, zal er een ideale energiebron voor elektrisch varen voor een betaalbare prijs op de markt komen. Deze brandstofcel met reformer zou dan geschikt zijn voor boten tot 10 meter en een heel geduchte concurrent voor de diesel worden. We zullen nog een paar jaar geduld moeten hebben, maar dat het eraan komt is naar mijn mening absoluut zeker.

69

15. Kostenvergelijking elektrisch varen. Als we het roeien en zeilen even buiten beschouwing laten, zijn er voor de aandrijving van een boot drie reële mogelijkheden. Deze zijn: Een buitenboordmotor, over het algemeen op benzine Een diesel binnenboord motor Een elektrische binnen of buitenboordmotor We gaan uit van een schip met een waterverplaatsing van 900Kg en een waterlijnlengte van 5,60 m. Voor de motorisering kiezen we: 1. Een 9,9 PK elektrisch startende viertakt buitenboordmotor in langstaartuitvoering. 2. Een 11 PK twee cylinder dieselmotor met keerkoppeling en toebehoren 3. Een hoogrendement 2,4 kW elektrische aandrijving bij 1100 toeren met een schroef van 12 X 9 inch. Voor de berekeningen gaan we er verder van uit dat: 1. Per jaar 100 uur gevaren wordt. 2. Over het algemeen zo’n 8 Km per uur wordt gevaren. 3. De boot en aandrijving professioneel worden onderhouden. 4. De rente 5% bedraagt Kostenpost

Buitenboordmotor € Diesel

Afschrijving aanschaf

2800 over 6 jaar

467 7200 met inbouw 10 jr 70

720 5200 met inbouw 15 jr. 205 inclusief accu's

347 137

80 over 4 jaar 100uur X 4 L

20 120 over 4 jr. 484 100 uur X 3 L

30 420 Ah/24V over 5 jr. 267 140 kW.Uur

256 20

Renteverlies gemiddeld per jaar Afschrijving accu's Brandstof Onderhoudsbeurt Totaal Kosten per uur

90 1131 11,31

€

Elektrisch

€

160 1382 13,82

0 760 7,60

Uit de voorgaande berekeningen wordt duidelijk dat de elektrische aandrijving per uur het voordeligst is. De dieselmotor is relatief duur door de hoge investering. Een belangrijke factor hierin is de relatief lange inbouwtijd en dure toebehoren zoals brandstoftank, uitlaatsysteem en motorbedieningen. Bij de elektrische aandrijving vallen de lage kosten voor brandstof op. In Nederland betalen we €. 0,17 per kW.Uur. Dit in tegenstelling tot de fossiele brandstoffen benzine en dieselolie waarop enorme percentages belasting wordt betaald.

70

16. Elektrisch varen, wanneer wel en wanneer niet. De keuze elektrisch te gaan varen wordt meestal gebaseerd op het volgende: 1. 2. 3. 4. 5.

Stil willen varen Geen stank Geen onderhoud Lage kosten Eenvoudige bediening

De laatste twee factoren zijn van belang voor verhuurbedrijven. In deze markt is gebleken dat de elektrische aandrijving uiterst betrouwbaar is, eenvoudig kan worden bediend en zoaks in het vorige hoofdstuk werd aangetoond de laagste kosten heeft. De eigenaar van een schip zal zijn keuze voor een elektrische aandrijving hoofdzakelijk baseren op het stil kunnen varen. Dit laatste is alleen interessant als men door relatief smalle sloten en kanalen door natuurgebieden vaart. Op groot water is dit een minder belangrijk voordeel. Met een hoog rendement aandrijving en voldoende accucapaciteit kunnen we zo’n 60 Km bij een snelheid van 80% van de rompsnelheid varen zonder de accu’s te laden. Dit is voor dagtochten meestal ruimschoots voldoende. Wordt de boot ook gebruikt voor lange meerdaagse tochten dan is de diesel aan te raden. Voor zeilschepen die op zee zeilen is de elektrische aandrijving niet geschikt. De motor wordt gebruikt als er te weinig of veel te veel wind is. In dit laatste geval moet vele uren op hoog vermogen tegen de storm in gevaren kunnen worden. Voor een zeilboot die bij voorbeeld uitsluitend op de Friese meren vaart kan de elektrische aandrijving juist een uitkomst zijn. Voor het manoeuvreren voor een brug of in een sluis is de elektrische aandrijving perfect geschikt. Geschikt.

Ongeschikt

Dagtochten In natuurgebieden Van huis naar huis Hulpaandrijving zeilboot meren Geen haast Minder ervaren schippers Verhuur

Lange tochten Op groot water Gebieden zonder laadmogelijkheden Grote zware schepen Snel varen

Bij de keuze van een aandrijving is het dus belangrijk goed te weten waar gevaren zal worden en wat het vaargedrag zal worden. Een voorbeeld van een goede toepassing van een elektrische aandrijving is deze boot die dienst doet in de haven van Hoorn. De elektromotor heeft een vermogen van 4,8 kW bij 900 toeren. Hierdoor heeft de boot voldoende kracht om grote schepen weg te slepen. Geen stank, geen herrie, uiterst betrouwbaar, perfect manoeuvreerbaar en zeer lage kosten. 71

Over de schrijver. Kok Kroef werd in 1950 te Rotterdam geboren. Na de HBS studeerde hij elektronica aan de HTS aldaar. Gedurende zijn gehele loopbaan heeft hij altijd met elektrische aandrijfsystemen te maken gehad. In het begin als projectleider en marketing specialist voor regelbare aandrijfsystemen, later als presidentdirecteur van een van de grootste multinationale bedrijvengroepen gespecialiseerd in de fabricage van onderdelen van elektromotoren. Een groot deel van zijn jeugd bracht hij de zomers door op het schip van zijn ouders. Tegenwoordig is hij zelf met zijn Beneteau 40CC genaamd Dreamcatcher op het IJsselmeer, de wadden of de Noordzee te vinden. e Op zijn 50 besloot hij zijn wereldbaan op te zeggen en zich met leukere dingen bezig te gaan houden. Voor hem zijn dat: Restauratie van oude auto’s en motoren, langere zeiltochten en natuurlijk het elektrisch varen. In dit boekje heeft hij zijn jarenlange ervaring op het gebied van elektrische aandrijvingen weten te combineren met zijn liefde voor alles wat vaart.

Dit boekje is in eigen beheer uitgegeven door: IDTechnology / E-Motion. Elektrisch Varen Nobelweg 26 3899BN Zeewolde Tel. 036-5387270 www.idtechnology.nl [email protected]

72