Olika laddare
Alla ackumulatorer behöver ny laddning ibland och det finns åtskilliga sätt att fylla på sina batterier. Här beskrivs några metoder som är vanligt förekommande bland båtägare. Om man har en båt som är utrustad med en inombordsmotor, så är motorgeneratorn en pålitlig energikälla. Solpaneler och vindgeneratorer ger kontinuerlig laddström till batterierna genom att utvinna energi ur sol- och vindkraft. Här beskrivs också hur man med en släpgenerator kan få elektrisk energi bara ur förflyttningen som man gör i vattnet när man seglar. Oavsett vilken utrustning eller metod som man använder måste laddströmmen alltid regleras. Det gör man enklast med en regulator, för att läsa om laddströmsreglering hänvisar vi till sidan: laddningsregulatorer.
Innehåll:
Motorgenerator
Generatorn som sitter i inombordsmotorn är båtens lilla elkraftverk, där produceras elektrisk ström som förhållandevis snabbt kan ladda en batteribank ombord. Motorn driver runt generatorn och den mekaniska energin omvandlas till elektrisk energi. Numera är det vanligast med växelströmsgeneratorer. De är mer effektiva än de likströmsgeneratorer som förekom tidigare på äldre motorer. Dessutom undviker man andra problem som t.ex. gnistbildning. Men, eftersom batterier endast kan ta emot likström, är det ju likström som man önskar och därför sker det i växelströmsgeneratorer en likriktning av strömmen innan den skickas ut från generatorn. För att erhålla en mer jämn och stabil ström används trefaslindade växelströmsgeneratorer.
Olika strömstyrkor
Till inombordsmotorer finns det olika generatorer med varierande strömstyrkor, vanligen 35 A upp till 120 A. En större generator kan avge mer laddström till batterierna, men det är inte alltid batterierna förmår att ta emot all ström som en större generator ger. Därför är en generator på 50 A oftast tillräcklig.
Generatorns konstruktion
I en generator alstras strömmen genom tillämpning av induktionslagen, vilken beskriver fenomenet att en inducerad spänning uppstår då en ledare eller ett magnetiskt flöde förflyttas i relation till varandra. I generatorn finns det två kraftiga elektromagneter. En som är ringformad och sitter fast i huset. Den kallas för stator. Den andra är formad som en spole, och kallas för rotor. Rotorn, som är förbunden via en kilrem med motorn, roterar inuti statorn när motorn är igång.
När man slår på tändningen till motorn aktiveras rotorns elektromagnet genom att dess fältlindning blir spänningssatt och en ström börjar gå genom den. Strömmen skapar ett magnetfält. Man säger att rotorn magnetiseras. Magnetfältets storlek beror på spolens geometri, antal lindningsvarv, strömstyrka och rotationshastighet. Den kontaktanslutning på generatorn som är märkt med bokstäverna: DF, betecknar rotorns spänningsanslutning. Matarspänningen överförs till rotorlindningen med hjälp av s.k. kolborstar som kontakterar mot blankpolerade släpringar som sitter fast på rotorn.
Statorn utgörs av en ringformad, stillastående elektromagnet. En trefaslindad stator har tre lindningar, vilka är åtskilda från varandra med 120 °. När rotorn med dess omgivande magnetfält snurrar runt inuti statorn, ger magnetfältets rörelse upphov till inducerade spänningar i statorns tre lindningar och det genereras elektrisk ström i dem. Dessa tre spänningar/strömmar är fasförskjutna 120 °.
Läs mer om elektromagnetism och om hur växelspänning och växelström genereras på sidan: Grundläggande ellära.
Den inducerade spänningen likriktas inne i generatorn. Likspänningen kan sedan plockas ut på generatorns kontakter som är markerade med beteckningarna: B+ och D+. Jordanslutningen D- finns sällan, oftast är generatorn jordad genom höljets kontakt med motorblocket. På en del generatorer förekommer andra beteckningar:
| B+ = | BAT |
| D- = | B-, Earth eller GND |
| D+ = | STA eller 61 |
| DF = | FLD |
Med en regulator justeras inspänningen till generatorn för att reglera utspänningen och stabilisera den
även om generatorn snurrar fortare. Regulatorns uppgift är alltså att hålla generatorns utspänning på rätt nivå, oavsett motorns varvtal. Mer information om regulatorer finns att läsa här: Laddningsregulatorer.
Skötsel av generatorn
En varning!
Koppla aldrig loss batterikablarna när motorn går, då kan generatorn skena iväg och ge mycket hög spänning.
SolcellspanelerUPP ↵
Solcellspaneler används till kompletterande laddning av båtens batterier. Solceller ger lite ström, men tillräckligt mycket för att kontinuerligt motverka batteriernas självurladdning. Solceller är perfekta att använda till den sista toppladdningen. Batterier som ständigt är anslutna till solcellspaneler sulfaterar mindre.
En solcell, eller en s.k. fotovoltaisk cell, består av ett dopat halvledarmaterial (ofta kisel). Solcellen fungerar som en backspänd diod. När den belyses med ljus uppstår en elektrisk ström i diodens backriktning. Varje enskild cell ger upphov till en ganska låg spänning och därför används solcellspaneler med många solceller sammankopplade i serie, eller så kan de vara parallellkopplade för att istället ge ökad strömstyrka.
En solcell är en typ av fotodiod. Vanligtvis är det kisel som utgör solcellens grundmaterial. Kisel är ett kristallint halvledarmaterial, vars elektriska ledningsförmåga varken kan betecknas som ledare eller som isolator. Kislets halvledande egenskap beror på materialets atomstruktur, att en kiselatom har fyra valenselektroner. Genom att tillsätta (dopa) små mängder tre- eller femvärda ämnen, s.k. störämnen, kan ledningsförmågan ändras radikalt hos halvledaren. Detta tillämpas i solceller. Man har i dessa skapat två skikt: ett P-dopat och ett N-dopat skikt. I N-skiktet är kislet dopat med ett ämne som har fem valenselektroner, exempelvis fosfor, och i P-skiktet har dopämnet tre valenselektroner, t.ex. bor. Det resulterar i att N-skiktet får ett överskott av elektroner, medan det i P-skiktet kommer att fattas elektroner. Elektronkoncentrationerna är alltså olika på ömse sidor om kontaktskiktet. Mellan P- och N-skikten skapas det en övergång, där elektroner och hål kan diffundera emellan. De femvärdiga störatomerna kallas för donatoratomer, eftersom de avger en fri elektron till kristallen och de trevärda atomerna, som har brist på elektroner, kallas för acceptoratomer. Donatoratomerna blir positivt laddade när de fria elektronerna lämnar atomen, och acceptoratomerna blir negatitivt laddade när de tar emot elektroner. Gränsskiktet mellan P- och N-materialen kommer att tömmas på fria laddningar. Detta område kallas därför för utarmningsområde.
Utarmningsområdet
I det N-dopade skiktet definieras elektronerna som majoritetsbärare och hålen som minoritetsbärare. I det P-dopade skiktet är det tvärtom, där är hålen majoritetsbärare och elektronerna minoritetsbärare. När majoritetsbärarna diffunderar över PN-övergången kommer N-skiktet att få en positiv laddningsfördelning och P-skiktet blir övervägande negativt. Det byggs upp ett elektriskt fält som är riktat från N- till P-skikt. Efterhand får majoritetsbärarna det allt svårare att ta sig över PN-övergången och till slut är det uppkomna elektriska fältet så kraftigt att ett jämviktstillstånd inträder och fältstyrkans ökning avstannar. Vid PN-övergången bildas det en potentialbarriär i storleksordningen några tiondels volt (typiskt värde är 0,5 till 0,7 V). Här möter majoritetsbärarna ett motstånd, men minoritetsbärarna däremot får det lättare att diffundera över PN-övergången.
PN-dioden som en solcell
Vid omvandling av solstrålning till elektrisk energi används en PN-övergång med stor area. När PN-dioden blir belyst avger ljusfotoner energi till dioden. Om den energin är tillräckligt hög kan elektroner frigöra sig från sina atombindningar och det bildas nya elektron-hål par. Fria elektroner dras mot områden med högre potential, och hålen mot områden med lägre potential. Det innebär att de elektroner som befinner sig i utarmningsområdet, eller på en diffusionslängds avstånd från övergången, kommer att röra sig mot det N-dopade skiktet, och hålen förflyttas mot det P-dopade skiktet. Om man då ansluter solcellen till en yttre krets erhålls en fotoström i diodens backriktning. Genom att låta den passera en ackumulator kan laddningen i fotoströmmen lagras. Ju mer solljus som träffar solcellen desto högre blir laddningsströmmen.
Spänning och verkningsgrad
En solcell ger likspänning som normalt, då cellen är solbelyst, har en nivå på ca 0,6 V (mindre i skugga). För att höja spänningen seriekopplas flera celler samman till en solcellspanel. Typiskt antal solceller i en solpanel är 36 stycken till laddning av ett 12 V batteri.
Varje sekund kommer det från solen en viss mängd optisk energi, men bara en del av den går att omvandla till elektrisk energi. Det är kvoten mellan dessa energier som utgör solcellens verkningsgrad. Kommersiella solceller har en verkningsgrad på mellan 13-16 procent, och högkvalitativa kiselsolceller har de senaste 15 åren (2000 - 2015) legat runt 25 procent i verkningsgrad. Detta är ett teknikområde som det forskas mycket inom och det har den senaste tiden gjorts stora framsteg i sökandet efter mer effektiva solceller. I ett fransk-tyskt samarbete har man lyckats ta fram en ny typ av solcell som har en effektivitet på hela 46 procent.
Verkningsgradens reduktion bestäms framförallt av två faktorer: 1. Ett ljuskvantum kan endast skapa en elektron. 2. Ljus med våglängder på 1100 nm och större absorberas inte av kisel. Solcellens effektivitet påverkas också av temperaturen. När temperaturen stiger tappar solceller i verkningsgrad. För att minska förlusterna när temperaturen stiger har passiv kylning visat sig förhållandevis enkelt att tillämpa.
Solpaneler för fritidsbåtar
Solpaneler för laddning av batterier är idag vanliga ombord på fritidsbåtar, och på marknaden finns ett stort utbud av olika paneler att välja på. Det val man gör bestäms utifrån flera faktorer:
Effektbehov
Solceller genererar momentant upp till 150 W eleffekt per kvm och från 50 till 150 kWh elenergi per kvm och år beroende på typ av system (källa: www.svensksolenergi.se/fakta-om-solenergi). Solpaneler säljs i olika effektstorlekar, vanligen mellan 20 - 80 W. Det energibehov som man har kanske inte kan täckas av en enda panel. Hela energibehovet måste ju inte heller komma från solstrålningen. Om solpanelen ska användas endast till batteriernas underhållsladdning kan nog en panel på 25 W vara tillräcklig.
Det effektvärde som anges för en solpanel gäller bara under optimala förhållanden, vilket det ju sällan är. Om panelen skuggas kommer energiladdningen att reduceras kraftigt. Temperaturen påverkar energiomvandlingen, ju varmare den omgivande luften är desto sämre blir verkningsgraden. Effektförluster kan också ske i energiöverföringen. När man beräknar laddningsenergi per dygn ska man komma ihåg att solen ju endast ger energi dagtid, och solstrålarnas infallsvinkel har stor betydelse.
Solpanelens placering och storlek
Var man väljer att placera sina solpaneler kan ha stor betydelse för hur mycket effekt man får ut. Optimalt skall panelens yta vara vinkelrät mot solstrålarnas infallsvinkel. Men, det är naturligtvis sällan som det går. Placeringen av solpanelerna blir därför alltid en kompromiss mellan bästa läge och möjligt utrymme. Montering på ett fäste i aktern brukar vara den mest effektiva och skyddade placeringen. En plan montering är bästa kompromiss. Laddningen blir inte optimal, men tillför alltid något, till skillnad från en vridbar panel som kan hamna helt fel.
Solpaneler finns i olika storlekar beroende på laddningsstorlek. Ett exempel på ett ungefärligt ytmått som förekommer är 70 x 55 cm. Solpaneler är inte alltid hårda i sin konstruktion med en fast form, det finns också flexibla paneler och även portabla paneler. Hårda paneler är bra för montering på stativ eller vridbara fästen. De flexibla panelerna är något böjbara och kan skruvas fast på välvda ytor, som ett rufftak t.ex. De har fördelen att de tål att gå på. Ett annat alternativ till de fasta installationerna erbjuder portabla paneler. De kan vara rullbara eller vikbara paneler. Dessa kan man stuva undan när laddningen är klar.
Kvalitetstyp
Solceller kan delas upp i två olika kvaliteter: kristallina solceller och tunnfilmssolceller. De kristallina solcellerna delas i sin tur upp i monokristallina och polykristallina. Båda förekommer i hårda såväl som flexibla solpaneler. Monokristallina består av enkristallblock. De har bättre verkningsgrad och längre livslängd än de polykristallina, men är också dyrare. Polykristallina solceller är uppbyggda med block av kristaller. De är den vanligaste typen av solceller tack vare det lägre kostnad per watt. Sämst verkningsgrad har amorfa solceller eller tunnfilmspaneler, som brukar användas i rullbara eller extremt flexibla solpaneler. Verkningsgraden för dessa är inte mer än runt 6 %. Tunnfilmspanelerna har dock fördelen av att de tål partiell skuggning bättre än kristallina solceller. Men det finns fler faktorer att ta hänsyn till; alla typer av paneler har sina för och nackdelar.
Installation
Solpaneler skall monteras så att vinkeln till solen blir optimal. Solens position i förhållande till en bestämd plats på jorden varierar med tiden. Om man, den 20 juni, befinner sig i Stockholm mitt på dagen, då solen står i söder, är solvinkeln 54 ° mot jordytans horisontalplan. För att erhålla max effekt (på årsbasis) är den optimala vinkeln 41 °. Läs mer om lutningsvinkel för maximal elproduktion här: Beräkna optimal vinkel.
VindgeneratorerUPP ↵
Ta vara på vindens energi och skapa el ur den. Med en vindgenerator omvandlar man vindkraften till elektrisk ström. Om det bara blåser tillräckligt kan en vindsnurra bidra med laddning till batterierna, också under dygnets obelysta timmar.
Egentligen kan vindkraft betraktas som en form av omvandlad solkraft. När solen värmer luften i jordatmosfären bildas det temperaturskillnader p.g.a. att uppvärmningen är ojämn. Dessa temperaturskillnader gör att lufttrycket skiljer sig mellan olika platser, vilket sätter luften i rörelse. Luftmassorna rör sig från områden med högre tryck till de med lägre tryck. Vindstyrkan bestäms, förutom av lufttrycksfördelningen, också av jordrotationen samt markytans beskaffenhet och dess topografi. På höjder, vid kustband och över havet är vinden oftast starkast. Därför är det extra gynnsamt med vindgeneratorer ombord på fartyg.
En vindgenerators verkningsgrad, vindens energimängd i förhållande till den energimängd som generatorn avger, har inte ett linjärt förhållande till vindstyrkan. Man brukar därför normalt uppge generatorers uteffekt vid en vindstyrka på 12 m/s. För att beräkna vindens rörelse energi kan man använda sambandet:
P = (m·v2)/2,
där m är lika med vindens massa i kg och v är vindhastigheten i m/s. Vid normalt lufttryck, nära havsytan och då temperaturen är 0 ° Celsius väger en kubikmeter luft 1,3 kg. Om en roterande vindsnurra upptar en yta på omkring en kvadratmeter och det blåser med 12 m/s, kan rörelse energin i den vind som vindsnurran utsätts för per sekund beräknas till:
(1,3·12·122)/2 = 1,3·6·144 = 1123,2 W
Detta motsvarar den maximala energimängd som, under nämnda villkor, finns i den vindkraft vilken driver runt vindsnurran och får den att rotera. Inte hela energimängden kommer att omvandlas till elektricitet. En betydande del av vinden blåser rakt igenom och fortsätter vidare bakom snurran, och i den andel vindkraft som övergår till vindsnurrans rörelse energi kan det ske ytterligare förluster i samband med omvandlingen till elkraft.
Det är flera faktorer som avgör hur stor effekt en vindsnurra ger. Den bestäms bl.a. av vindstyrkan, rotorbladens diameter, generatorns lindningstal, placeringen m.m. Vindgeneratorer för laddning av 12 volts batterier har vanligen en maxeffekt på mellan 200 W till 450 W vid 12,5 m/s. Vindstyrkan har särskilt stor betydelse för hur mycket effekt en vindgenerator ger. Vid svaga vindar erhålls knappt någon effekt alls. De flesta vindgeneratorer startar först när det blåser omkring 2 m/s, och då ger de mycket lite effekt.
Enligt principen "många bäckar små" är det en fördel att ha en vindgenerator installerad ombord på sin båt, eftersom den kan bidra med laddning dygnet runt, förutsatt att det blåser. En nackdel med vindgeneratorer dock, är att de flesta tyvärr låter mycket. När de roterar skapas ett ljud, som kan vara mycket irriterande, också för båtgrannar. Det finns vindgeneratorer som är tysta, men ofta ger dessa lägre effekt. Vad man dessutom bör tänka på, när man monterar en vindsnurra på sin båt, är att hitta en bra plats för den. En plats där snurran kan rotera fritt och dess vingar inte kan skada någon.
SläpgeneratorerUPP ↵
Med en släpgenerator i vattnet kan man samtidigt som man seglar ladda sina batterier av bara farten. En propeller driver en generator som omvandlar båtens förflyttning i vattnet till elektrisk ström. Det finns släpgeneratorer som enligt tillverkarna vid en hastighet på omkring 5 knop ger en ström på ca 10 A, och strömmen ökar när hastigheten ökar. Det krävs alltid en viss båtfart för att generatorn ska kunna alstra ström, det kan vara vid ca 2 knop. Släpgeneratorer orsakar att farten bromsas en del, omkring 0,2 - 0,5 knop. Vanligtvis monteras släpgeneratorer i båtens akter, där den sänks ner i vattnet. När man sedan är klar med laddningen kan man med ett enkelt handgrepp fälla upp generatorn ur vattnet. Släpgeneratorer är ytterligare exempel och en rännil till att fylla på ackumulatorerna ombord.
LandladdareUPP ↵
Med tillgång till landström behöver man inte längre oroas över laddningen i batterierna. Om man alltid har en lång skarvsladd och en batteriladdare ombord kan man enkelt få batterierna fulltankade så snart man lägger till vid en gästhamnsbrygga med elförsörjning. Man ska då vara uppmärksam på att den förlängningskabel som man använder är hel och avsedd för utomhusbruk. En bra batteriladdare är elektronik styrd. Den reglerar laddströmmen efter behov och bryter strömmen när laddningen är klar.
