Energiebalans: de dynamo's en schroeven

Er zijn drie ‘opwekkers’: de windmolens, de zonnepanelen en de schroeven onderwater. In het eerste artikel zijn de windmolens boven in het schip beschreven. Nu: de dynamo’s en de schroeven. 

De elektromotoren annex dynamo’s 

Onder het schip komen twee schroeven die ieder verbonden zijn met een elektromotor. Het Duurzaam Jacht is een zeiljacht, dus doorgaans zal er gezeild worden. De schroeven onder de boot geven dan weerstand en gaan draaien. En daar gaan we van profiteren!

Stroom halen uit een draaiende schroef is niet nieuw. Vanouds gebeurde dit door de kracht van de draaiende schroefas via een poelie en V-snaar over te brengen op een dynamo. Die overbrenging kost alleen veel energie. Het werkte alleen op grotere zeiljachten die vrij snel konden varen. Een hoge snelheid was nodig, want de schroef was hier eigenlijk niet geschikt voor. Deze was immers ontworpen voor de hogere snelheden die voor de voortstuwing nodig zijn.

Foto: de “ouderwetse” methode van energieopwekking via de schroef. Op de voorgrond is de schroefas te zien. Deze loopt links door de huid, en eindigt in de schroef die onder het zeilen gaat draaien. Rechts zien we een grote poelie, met daaroverheen een V-snaar, die de draai overbrengt en versnelt naar de dynamo (het groene ronde apparaat). Hoe harder de dynamo draait, des te meer stroom.

Naar een efficiëntere opwekking

Een efficiënte dynamo is de elektromotor met een permanente magneet. Technisch gezien is die hetzelfde als de ouderwetse fietsdynamo. De toeren van de huidige elektromotor (en dus dynamo) hoeven niet erg hoog te zijn, dus is doorgaans meestal geen aparte (V-snaar) overbrenging nodig. Ook vervallen de V-snaar overbrengingen, wat weerstand scheelt. Wel moet de schroef serieus anders ontworpen worden.

Nu is het een kwestie van kiezen: hoe efficiënt moet de schroef opwekken, en hoe efficiënt moet hij voortstuwen? We gaan er natuurlijk van uit dat het schip zal voornamelijk zal zeilen, en de motor alleen zal gebruiken voor manoeuvres van en naar havens en door bruggen en sluizen, de motor gebruiken. De schroeven worden dus ontworpen en gebouwd om op te wekken. Het betekent in hoofdzaak dat de schroef vooral goed is in de lagere toeren. Het streven naar een laag toerental is verstandig, want het voortstuwen in lage toeren is doorgaans efficiënter en het geeft minder geluid. 

De keuze voor de juiste elektromotor 

Voor het Duurzaam Jacht is gekozen voor twee 6,5 kW motoren van E-Tech. Deze motoren zijn permanent magneetmotoren en prima geschikt als dynamo. Omdat ze als generator veel zullen draaien (langzaam en hard) stellen we hoge eisen. Vijf zaken hebben de doorslag gegeven om voor deze motoren te kiezen. 

• Ze zijn borstelloos. Net als de meeste marine elektromotoren, hebben ze geen borstels meer die langs de rotor ‘slepen’. Deze zouden frequent moeten worden vervangen. Dat geldt met name voor het Duurzaam Jacht, omdat ze in bijna alle vaaruren zullen draaien: als dynamo (60-70% van de tijd) en als motor (10-15% van de tijd).
• Volledige vloeistofkoeling. Volledig, dus ook de controller waarin de transistoren en dergelijke zitten, wordt vloeistof gekoeld. Een goede koeling betekent dat er geen vermogen verloren gaat aan warmte. Dit is zowel winst bij het opwekken als bij het voortstuwen.
• Dubbele stuwdruklager. Een stuwdruklager zit vast op het schip tussen motor en schroef en vangt de druk op die de schroef afgeeft. Zo wordt voorkomen dat de schroef zijn kracht op de motor zelf uitoefent. Dat is voor even niet erg, maar permanente druk op de motor levert slijtage op. De meeste elektromotoren hebben alleen aan de ‘aandrijfkant’ een stuwdruklager. Maar op het Duurzaam Jacht staat de motor doorgaans op te wekken en staat de kracht doorgaans de andere kant op. De schroef ‘duwt’ niet, maar ‘trekt’ voornamelijk. De E-Tech motor is daarom met een tweede stuwdruklager uitgerust. 
• Synchroon motor. Een synchroonmotor is bij uitstek geschikt om als motor en als dynamo. Hij kan er als het ware ‘vloeiend’ in overgaan.
• Laag toerental. Verder is het lage toerental van de E-Tech motor van belang. Lagere toeren betekent minder geluid. Wel is een dergelijke motor duurder in aanschaf, dus past men vaak een reductiekast toe. Echter, door de tandwieloverbrengingen betekent zo’n reductie weer weerstandsverlies. Ander voordeel van de lagere toeren, is dat de schroefwerking doorgaans rendabeler is. 

Lees hier meer over de E-Tech motoren.

De schroeven

In de praktijk betekent een elektromotor (of dynamo) met lager toerental een grotere schroef. Zeilracers zouden dus kiezen voor een kleine hoogtoerige motor en een navenant kleine (klap)schroef, want dat geeft minder weerstand onder het zeilen. Maar het Duurzaam Jacht is een toerjacht, en bovendien willen we die weerstand, omdat we daarmee stroom opwekken.

Een vaste schroef is niet handig, want die is maar voor 1 snelheid ontworpen. En tijdens het zeilen, aan het werk als dynamo, zal de snelheid variëren. Een variabele schroef is dan beter. Variabel, waarbij je afhankelijk van de snelheid en het toerental, de spoed van de bladen kunt stellen. Dat zou om een voortdurende bediening vragen, aangezien de snelheid van een zeiljacht in de regel varieert. Je zou bij elke windvlaag de spoed moeten aanpassen en dat is niet handig.

De Autoprop regelt dit echter automatisch. Variëren de toeren, dan zullen de bladen de spoed variëren tot de optimale stand en vice versa. Dit is goed te zien in onderstaande film:

{literal}{/literal}

Altijd de optimale stand, is natuurlijk ideaal voor het opwekken en voortstuwen!

Tenslotte, als het Duurzaam Jacht te langzaam vaart om de schroeven te laten draaien en de dynamo dus teveel weerstand geeft, dan komen de schroeven in de vaanstand te staan. Dan hebben ze dus weinig weerstand. Je kunt ze ook bewust in de vaanstand zetten, door de schroefas te blokkeren. Bijvoorbeeld als je even vaart wilt maken.

Tijdens het schrijven van dit artikel laat Bomarine door een ingenieursbureau, gespecialiseerd in schroefontwerpen, nagaan welke Autoprop het beste kan worden ingezet. Lees hier meer informatie over de Autoprop.

De Energiebalans

In de Energiebalans zijn we uitgegaan van waarden die werden behaald door twee goed geïnstalleerde schroefasdynamo’s van 800 Watt piekvermogen. Deze halen dan een gemiddeld 30% hiervan, gedurende 20 uur per etmaal.

Dit is dus een defensief getal, ten eerste omdat we kunnen uitgaan van een betere installatie met minder weerstandsverliezen. Ten tweede hebben we nu 2 dynamo’s met 6500 Watt piekvermogen geïnstalleerd.

Toch zijn er grenzen aan het vermogen. De volle 6,5 kWatt zal waarschijnlijk nooit geleverd kunnen worden, aangezien de schroeven van deze omvang dit niet kunnen leveren en het schip nooit zo’n hoge snelheid kan halen.

Verder zal het onverstandig zijn om de dynamo’s te laten werken als we hoog aan de wind varen. Dan is alle energie nodig om vaart te houden. Er moet dus tijdens het opwekken in ieder geval gezeild worden met een knik in de schoot.

Ook zal het Duurzaam Jacht een behoorlijke snelheid moeten hebben om energie op kunnen wekken. Bij een snelheid van 7 knopen levert zelfs een ouderwetse schroefasdynamo van 800 Watt, aangedreven door een gewone voortstuwingsschroef, gemakkelijk 300 of 400 Watt (bleek uit de blog van een enthousiaste doe-het-zelver). Maar 7 knopen is al bijna de rompsnelheid van het Duurzaam Jacht.

Realistischer is om te rekenen met 5 of 6 knopen. En dat is eigenlijk al hard, als we nagaan dat men op de Round Britain Race een gemiddelde van ruim 5 knopen haalde.

Verzamelen we de uitspraken van elektromotor-leveranciers, dan ontstaat de indruk dat er met een propulsie-schroef misschien maar 5% energie wordt teruggeleverd. Dat zou op 2 keer 6,5 kW toch nog 750 Watt zijn en dus nog veel meer dan hier begroot. Maar hoe hard het jacht dan loopt, is niet duidelijk. In ieder geval, varend onder de 4,5 knoop kunnen we weinig van de schroeven en dynamo’s verwachten. En hoelang loopt een toerjacht van ruim tien meter wel niet onder de 4,5 knoop?

Het opwekken van energie door de schroeven is dus erg lastig in te schatten. Wat we wel weten is dat we bij bij voldoende wind, bijvoorbeeld windkracht 4-5, prima een dagje een op-en-neertje halve wind kunnen gaan zeilen, en zo de accu's vol laden.