Электрические лодки

В течении последних десяти лет электрические и гибридные силовые установки на катерах и яхтах получили широкое распространение. Покупателей привлекают бесшумное движение, отсутствие затрат на обслуживание двигателя и возможность передвигаться по закрытым для судов с двигателями внутреннего сгорания водоемам. Электрический мотор удобно использовать на лодке, которая проходит небольшое расстояние, возвращается на место стоянки и заряжает аккумуляторы от береговой сети. Например, электродвигатели для яхт на озере используются только для входа и выхода из гавани. Большая емкость аккумуляторов в этом случае не нужна, их вес и размеры сохраняются в разумных пределах, но появляется возможность маневрировать и двигаться бесшумно.

Сравнение энергозатрат подтверждает преимущества электромотора. КПД небольшого дизельного двигателя около 20%. Четыре литра топлива содержат 40 кВтч энергии, но когда двигатель сжигает их, для вращения винта останется только 8 кВт-ч.

По-другому обстоят дела в установке с электродвигателем. Электрическая энергия, вращающая вал электромотора, поступает от береговой сети в зарядное устройство, которое предает 90% аккумуляторной батарее. Аккумуляторы сохраняют 80% полученной энергии, а электродвигатель использует 85% созданного запаса для вращения винта. Таким образом, чтобы получить на валу 8 кВтч необходимо иметь:

• на входе в электродвигатель 8 кВтч / 0,85 КПД = 9,41 кВтч
• перед аккумуляторами 9,41 кВтч / 0,8 КПД = 11,76 кВтч
• на входе в зарядное устройство 11,76 кВтч / 0,9 КПД = 13,07 кВтч

Как видим лодке с электромотором требуется в три раза меньший запас энергии, чтобы получить на валу туже мощность, что и у судна с двигателем внутреннего сгорания.  Затраты на энергию в денежном выражении у электрической лодки также меньше. Если дизельное топливо стоит 2,5 USD за 4 литра, а электричество 0,075 USD за кВтч, то стоимость энергии для электрического судна 0,075 × 13,07 кВтч = 0,98 USD. Это в два с половиной раза меньше стоимости дизельного топлива.

Поскольку с учетом потерь на винте КПД двигателя внутреннего сгорания еще меньше, то реальная относительная эффективность электрической силовой установки еще выше. Например полный КПД электромоторов Torqeedo достигает 50%, а небольшой электродвигатель Torqeedo Travel сопоставим по мощности на винте с подвесным бензиновым двигателем мощностью 3 л.с.

Запас хода с электродвигателем

Электрические лодки редко используют режиме глиссирования из-за высоких затрат мощности. На судах водоизмещающего типа существует порог скорости после которого сопротивление корпуса резко возрастает. Часто для водоизмещающих судов увеличение скорости на два узла приводит к росту потребляемой мощности в два раза. Например, если для движения со скоростью 6 узлов требуется мощность на валу 9кВт, то для скорости 7 узлов она возрастает до 18 кВт, а для скорости 8 узлов до 36 кВт.

Из-за этого емкость аккумуляторов необходимая для движения в течении часа со скоростью 8 узлов оказывается в четыре раза больше, чем для движения со скоростью 6 узлов. Иными словами, чтобы пройти 20 миль на скорости 6 узлов потребуется (20 миль / 6 узлов) час × 9 кВт = 30 кВтч доступной емкости аккумуляторов. А для того, чтобы пройти те же 20 миль на скорости 8 узлов необходима аккумуляторная батарея емкостью (20 миль / 8 узлов) час х 36 кВт = 90 кВтч.

Волны, течение или ветер повышают потребление энергии. В результате для преодоления даже небольшого расстояния необходима аккумуляторная батарея большой емкости. При этом судно должно двигаться со скоростью значительно меньшей, чем с двигателем внутреннего сгорания. Этим электрические лодки отличаются от электромобилей, в которых на крейсерской скорости потребляемая энергия уменьшается и расходуется только на поддержание скорости. Для судна ситуация обратная — чем больше скорость приближается к крейсерской, тем значительнее затраты энергии на поддержание этой скорости.

Другие источники энергии

Запас хода электрической лодки можно увеличить, если использовать солнечные батареи или установить на яхту ветрогенератор. Однако даже катамараны не имеют достаточной поверхности для того чтобы достичь сколько-нибудь значительной скорости под ярким солнцем, а ограниченный размер лопастей ветрогенераторов устанавливаемых на лодках делает их вклад в энергоснабжение незначительным.

Парусные яхты для зарядки аккумуляторов могут использовать регенерацию. Регенерацией называется процесс при котором установленный на яхте электродвигатель работает в режиме генератора. Так происходит когда во время движения под парусом гребной винт вращает ротор двигателя и вырабатывать электрическую энергию

Регенерация становится эффективной при движении со скоростью 4 — 5 узлов. Мощность, вырабатываемая в это время, зависит от размера винта и возрастает с увеличением скорости, но как правило не превышает 1 кВт до тех пор, пока скорость судна не достигнет 8 узлов.

За исключением гоночных яхт, только небольшое количество однокорпусных парусных судов постоянно развивают такую скорость. В результате, несмотря на то, что регенерация может сыграть значительную роль в обеспечении электрической нагрузки, требуется несколько часов непрерывного движения на высокой скорости, чтобы восстановить энергию, потраченную в течении часа движения под электромотором

Однако быстрые катамараны легко вырабатывают 2 кВт или более на корпус. Если скорость парусника достигает 10-12 узлов, то во время продолжительного плавания он произведет и сохранит большое количество энергии.