Солнеч­ная энер­гия для ката­марана

Беспере­бой­ное пита­ние кри­ти­че­ских нагрузок

Roman Rubanovich, NENCOM

Мы строим сол­неч­ные элек­тро­стан­ции разных видов и для разных задач: сете­вые, авто­ном­ные и гибрид­ные, для соб­ствен­ных нужд и для про­дажи элек­три­че­ской энер­гии, для част­ных домов, офисов, скла­дов, фабрик, отелей, ферм, яхт и кораб­лей.

На этот раз мы полу­чили заказ от судо­стро­и­тель­ной ком­па­нии «Галера 07», кото­рая раз­ра­ба­ты­вала тури­сти­че­ский ката­ма­ран на 100 пас­са­жи­ров для общины Бургас. Катама­ран будет осна­щён двумя дизель­ными дви­га­те­лями общей мощ­но­стью 544 kW (740 hp), а также дизель­ным гене­ра­то­ром мощ­но­стью 35 kW для пита­ния элек­три­че­ских при­бо­ров.

Содержа­ние

Задача
Строитель­ство
Спуск на воду
Испыта­ния
Дорога домой
Таинствен­ный остров
Видеоро­лики
Спустя три года

Задача

Наша задача — создать систему резерв­ного пита­ния для таких кри­ти­че­ских нагру­зок как осве­ще­ние, радар, эхолот, нави­га­ция, радио­связь, руле­вая система, пожар­ная сиг­на­ли­за­ция, насосы и прочее. Одна часть из них нуж­да­ется в пере­мен­ном токе (AC) с напря­же­нием 230 V, другая — в посто­ян­ном токе (DC) с напря­же­нием 24 V.

Для эко­но­мии топ­лива в нор­маль­ном режиме и уве­ли­че­ния про­дол­жи­тель­но­сти авто­ном­ной работы при выходе из строя гене­ра­тора в свет­лое время суток, необ­хо­димо уста­но­вить фото­воль­та­и­че­ские (PV) модули, кото­рые будут пре­об­ра­зо­вы­вать сол­неч­ную энер­гию в элек­три­че­скую.

Заказчик предо­ста­вил нам 3D-модель корабля с пла­ни­ру­е­мым рас­по­ло­же­нием сол­неч­ных моду­лей — в носо­вой части, по бокам от капи­тан­ского мостика и на «кры­льях» над ним, а также на арке в задней части судна:

Мы согла­со­вали с заказ­чи­ком тех­ни­че­ские пара­метры и ком­по­ненты системы с учётом выде­лен­ного бюд­жета и при­сту­пили к про­ек­ти­ро­ва­нию.

Строитель­ство

Как только алю­ми­ни­е­вое тело ката­ма­рана было готово, мы при­е­хали для осмотра и пла­ни­ро­ва­ния мон­таж­ных работ. По вер­ти­кали корабль раз­де­лён на три уровня: верх­няя откры­тая палуба, глав­ная закры­тая палуба и два кор­пуса под ней.

Длина ката­ма­рана — 20 метров

В правом кор­пусе рас­по­ло­жен один из двух дви­га­те­лей и гене­ра­тор, в левом — второй дви­га­тель и резер­вуар с запа­сом питье­вой воды.

Ширина ката­ма­рана — 7.8 метра

К мон­тажу обо­ру­до­ва­ния мы при­сту­пили в июле, так что нам при­шлось в прямом смысле попо­теть, рабо­тая внутри рас­ка­лён­ного на солнце кор­пуса корабля. Процесс ослож­нялся тем, что вместе с нами рабо­тали другие бригады, задей­ство­ван­ные в стро­и­тель­стве судна, и нам зача­стую при­хо­ди­лось ждать своей оче­реди, чтобы полу­чить доступ к нуж­ному месту. Охладиться и пере­дох­нуть можно было в тени под ката­ма­ра­ном, где мы обна­ру­жили кули­нар­ные фан­та­зии неиз­вест­ного худож­ника:

Живая рыба, омары

Жареная свинья

После мон­тажа теп­ло­изо­ли­ру­ю­щих мате­ри­а­лов, нахо­диться внутри корабля стало намного при­ят­нее и работа пошла весе­лее. На глав­ной палубе, точно под капи­тан­ским мости­ком, рас­по­ло­жено тех­ни­че­ское поме­ще­ние, в кото­ром нам пред­сто­яло уста­но­вить ком­по­ненты фото­воль­та­и­че­ской системы (в центре на фото):

В этом тех­ни­че­ском поме­ще­нии мы уста­но­вили обо­ру­до­ва­ние нидер­ланд­ской ком­па­нии Victron Energy, кото­рое иде­ально под­хо­дит для мор­ских при­ло­же­ний: пять сол­неч­ных кон­трол­ле­ров заряда BlueSolar MPPT (по одному для каждой группы PV моду­лей) и бата­рей­ный инвер­тор MultiPlus мощ­но­стью 5 kV·A.

Солнеч­ные кон­трол­леры заряда пони­жают напря­же­ние, гене­ри­ру­е­мое фото­воль­та­и­че­скими пане­лями, до уровня, необ­хо­ди­мого для заряда акку­му­ля­то­ров, про­пор­цио­нально повы­шая ток. По сути они явля­ются пони­жа­ю­щими DC-DC пре­об­ра­зо­ва­те­лями с функ­цией MPPT (maximum power point tracking).

Двунаправ­лен­ный инвер­тор MultiPlus имеет встро­ен­ное заряд­ное устрой­ство, поэтому он не только пре­об­ра­зо­вы­вает посто­ян­ный ток от акку­му­ля­то­ров и сол­неч­ных моду­лей в пере­мен­ный с напря­же­нием 230 V, но также может заря­жать бата­реи от бере­го­вого пита­ния или гене­ра­тора.

В левой нижней части фото­гра­фии виден раз­де­ли­тель­ный транс­фор­ма­тор, кото­рый необ­хо­дим для обес­пе­че­ния элек­тро­без­опас­но­сти на борту и для защиты от галь­ва­ни­че­ской кор­ро­зии при под­клю­че­нии судна к бере­го­вому пита­нию. Victron Energy про­из­во­дит изо­ли­ру­ю­щие транс­фор­ма­торы и галь­ва­ни­че­ские изо­ля­торы для мор­ских при­ло­же­ний, но в нашем случае транс­фор­ма­тор был достав­лен и уста­нов­лен под­ряд­чи­ком, кото­рый отве­чал за основ­ную систему элек­тро­пи­та­ния ката­ма­рана.

По тре­бо­ва­ниям Болгар­ского Корабель­ного Регистра (БКР), акку­му­ля­тор­ные бата­реи не должны уста­нав­ли­ваться в одном поме­ще­нии с ком­му­ти­ру­ю­щими устрой­ствами из-за воз­мож­ного искро­об­ра­зо­ва­ния. Для них преду­смот­рен отдель­ный вен­ти­ли­ру­е­мый отсек за стеной. Несмотря на рас­сто­я­ние в несколько сан­ти­мет­ров между бата­ре­ями и другим обо­ру­до­ва­нием, мы не имели права нару­шать гер­ме­тич­ность этой стены, поэтому кабели (как сило­вые, сече­нием 95 mm², так тонкие, исполь­зу­е­мые для балан­си­ровки и для кон­троля напря­же­ния и тем­пе­ра­туры бата­рей) про­де­лали длин­ный путь через капи­тан­ский мостик над тех­ни­че­ским поме­ще­нием.

Обычно в наших про­ек­тах мы исполь­зуем дол­го­веч­ные, без­опас­ные и эффек­тив­ные литий-железо-фос­фат­ные (LiFePO₄ или LFP) акку­му­ля­торы, но в этом случае, из-за огра­ни­чен­ного бюд­жета, выбрали свин­цово-кис­лот­ные бата­реи Victron типа AGM (absorbent glass mat). Мы уста­но­вили шесть 12-воль­то­вых бата­рей ёмко­стью по 240 A·h, сгруп­пи­ро­вав их в 3 стринга по 2 бата­реи для полу­че­ния номи­наль­ного напря­же­ния 24 V. Общий запас энер­гии в бата­реях — 17.3 kW·h, что при реко­мен­ду­е­мой глу­бине раз­ряда 50% для такого типа бата­рей озна­чает около 8.6 kW·h полез­ной энер­гии. Срок службы AGM бата­рей обычно состав­ляет от 2 до 4 лет, в зави­си­мо­сти от усло­вий экплу­а­та­ции, после чего их можно будет заме­нить на такие же или на более дол­го­веч­ные LFP акку­му­ля­торы.

На листе алю­ми­ния слева от акку­му­ля­то­ров виден индекс сплава, из кото­рого сде­лано судно: EN AW-5083-H111. Благодаря очень высо­кой кор­ро­зи­он­ной стой­ко­сти, этот сплав в основ­ном исполь­зу­ется в судо­стро­е­нии и хими­че­ской про­мыш­лен­но­сти. Даже при дли­тель­ном воз­дей­ствии солё­ной воды, меха­ни­че­ские свой­ства алю­ми­ния 5083-H111 не ухуд­ша­ются. Сплав сохра­няет исклю­чи­тель­ную проч­ность после сварки.

Для пре­об­ра­зо­ва­ния сол­неч­ной энер­гии в элек­три­че­скую мы исполь­зо­вали десять фото­воль­та­и­че­ских моду­лей Longi стан­дарт­ного раз­мера, мощ­но­стью по 370 Wp, уста­но­вив их на фрон­таль­ной части (3), арке (3) и по бокам от капи­тан­ского мостика (2+2). На кры­льях и над капи­тан­ским мости­ком мы также инстал­ли­ро­вали четыре ком­пакт­ных модуля Victron Energy по 175 Wp. Таким обра­зом, общая пико­вая мощ­ность сол­неч­ных пане­лей соста­вила 4.4 kWp.

Учитывая воз­мож­ные дина­ми­че­ские нагрузки, мы уве­ли­чили коли­че­ство точек креп­ле­ния: вместо четы­рёх для каж­дого модуля исполь­зо­вали 16 для стан­дарт­ных и 12 для ком­пакт­ных моду­лей.

Солнеч­ные модули мас­со­вого про­из­вод­ства имеют пло­щадь около 2 m², что иногда явля­ется про­бле­мой для нестан­дарт­ных инстал­ля­ций. Виктрон пред­ла­гает более 10 раз­лич­ных раз­ме­ров PV моду­лей (начи­ная от совсем мини­а­тюр­ных 20-ватт­ных 44 × 35 cm), давая воз­мож­ность выбрать опти­маль­ный вари­ант для любой яхты, лодки, кем­пера или кара­вана.

Модули Victron Energy 175 Wp

Victron Energy также про­из­во­дит инвер­торы и кон­тро­леры заряда раз­лич­ной мощ­но­сти, что поз­во­ляет постро­ить как мини-систему, напри­мер, для путе­ше­ствий, теле­ком­му­ни­ка­ций или улич­ного осве­ще­ния, так и мощную ком­мер­че­скую систему для обес­пе­че­ния энер­гией про­из­вод­ствен­ных пред­при­я­тий, офисов или сель­ского хозяй­ства.

Итак, ката­ма­ран покра­шен и готов к спуску на воду для завер­ше­ния мон­таж­ных работ и тести­ро­ва­ния всех систем. Алюмини­е­вый корпус и брон­зо­вые греб­ные винты допол­ни­тельно защи­щены от галь­ва­ни­че­ской кор­ро­зии цин­ко­выми жерт­вен­ными ано­дами (справа на фото):

Спуск на воду

Началась слож­ная опе­ра­ция по транс­пор­ти­ровке корабля к морю в сопро­вож­де­нии дорож­ной поли­ции и сотруд­ни­ков сете­вого опе­ра­тора, кото­рые кон­тро­ли­ро­вали отклю­че­ние линий элек­тро­пе­ре­дачи по пути сле­до­ва­ния.

«Крылья» над капи­тан­ским мости­ком при­шлось вре­менно демон­ти­ро­вать, чтобы пройти под высо­ко­вольт­ными про­во­дами. Ювелир­ной точ­но­сти потре­бо­вало пере­се­че­ние узкого моста через реку.

Наконец, два мощных подъ­ём­ных крана плавно опу­стили ката­ма­ран на поверх­ность Чёрного моря.

© Sky Pictures Bulgaria

После спуска на воду мон­таж­ные работы и настройки раз­лич­ных систем ката­ма­рана про­дол­жа­лись ещё несколько дней.

Мы снова уста­но­вили сол­неч­ные модули над капи­тан­ским мости­ком, а также на арке в задней части судна.

Важно отме­тить, что ката­ма­ран пол­но­стью спро­ек­ти­ро­ван и построен силами бол­гар­ских спе­ци­а­ли­стов — сотруд­ни­ками вар­нен­ской судо­стро­и­тель­ной ком­па­нии «Галера 07» и мно­го­чис­лен­ных ком­па­ний-под­ряд­чи­ков. Менеджер про­екта — капи­тан Андрей Станев:

Андрей Станев на капи­тан­ском мостике

В про­екте также при­ни­мали уча­стие спе­ци­а­ли­сты вар­нен­ского «Техниче­ского уни­вер­си­тета» и бол­гар­ского науч­ного «Центра по гидро- и аэро­ди­на­мике», рас­по­ло­жен­ного в Варне.

Таким обра­зом, в целом Болгарии и в част­но­сти в городе Варна есть весь необ­хо­ди­мый тех­ни­че­ский и чело­ве­че­ский потен­циал для про­ек­ти­ро­ва­ния и стро­и­тель­ства судов, в том числе на гибрид­ной тяге и пол­но­стью элек­три­че­ских.

Наша команда вдох­нов­лена тем, что ком­па­нии НЕНКОМ ООД было дове­рено про­ек­ти­ро­ва­ние и стро­и­тель­ство системы ава­рий­ного пита­ния с фото­воль­та­и­че­скими моду­лями для ката­ма­рана. Для нас это боль­шая ответ­ствен­ность и уни­каль­ный опыт.

Стоимость этой «пла­ву­чей сол­неч­ной элек­тро­стан­ции» соста­вила в 2021 году 29 870 лв (15 270 €), вклю­чая про­ек­ти­ро­ва­ние, доставку, монтаж, запуск в экс­плу­а­та­цию и НДС.

Испыта­ния

Процесс стро­и­тель­ства и испы­та­ний ката­ма­рана про­хо­дил под над­зо­ром Болгар­ского кора­бель­ного реги­стра. Судно под­твер­дило про­ект­ную ско­рость 13 kn (узлов), а фак­ти­че­ская мак­си­маль­ная ско­рость соста­вила 14 kn (26 km/h):

© Sky Pictures Bulgaria

Все системы во время испы­та­ний рабо­тали исправно, корабль был одоб­рен при­ём­ной комис­сией, сер­ти­фи­ци­ро­ван и вписан в регистр под назва­нием «Burgus».

© Sky Pictures Bulgaria

Дорога домой

28 авгу­ста 2021 года наш «сол­неч­ный» ката­ма­ран отпра­вился в свой первый рейс из Варны в Бургас, к месту своего бази­ро­ва­ния. Мы сле­дили за его дви­же­нием через Marine Traffic (MMSI 207836540).

© Sky Pictures Bulgaria

День был сол­неч­ный, и в тече­ние всего пла­ва­ния фото­воль­та­и­че­ская система про­из­во­дила мощ­ность более 3 kW, что с боль­шим запа­сом покры­вало потреб­ле­ние всех кри­ти­че­ских нагру­зок.

© Sky Pictures Bulgaria

Для целей уда­лён­ного мони­то­ринга и управ­ле­ния нашей систе­мой, мы уста­но­вили на борту ком­му­ни­ка­ци­он­ный центр Cerbo GX, а для локаль­ного кон­троля всех пара­мет­ров — инте­гри­ро­вали в при­бор­ную панель на капи­тан­ском мостике дис­плей GX Touch:

Система мони­то­ринга поз­во­ляет отдельно наблю­дать за про­из­во­ди­тель­но­стью каждой из пяти групп сол­неч­ных моду­лей и состо­я­нием бата­рей:

Контроль свин­цово-кис­лот­ных акку­му­ля­то­ров воз­мо­жен бла­го­даря бата­рей­ному мони­тору, кото­рый под­клю­чён к Cerbo GX и пере­даёт данные на портал.

Поскольку часть кри­ти­че­ских нагру­зок пита­ется посто­ян­ным током напря­мую от акку­му­ля­то­ров, мы уста­но­вили BatteryProtect для предот­вра­ще­ния глу­бо­кого раз­ряда.

© Община Бургас

Спустя 6 часов пла­ва­ния «сол­неч­ный» ката­ма­ран тор­же­ственно прибыл в порт Бургас, где еще несколько дней был в центре вни­ма­ния жур­на­ли­стов и обще­ствен­но­сти.

Таинствен­ный остров

Катама­ран «Burgus» совер­шает регу­ляр­ные рейсы из порта Бургас до ост­рова Святой Анаста­сии. Возник­ший из древ­них вул­ка­ни­че­ских пород, этот остров хранит мно­же­ство исто­рий и зага­док.

© Община Бургас

Здесь рас­по­ло­жен сред­не­ве­ко­вый мона­стырь, кото­рый пере­жил не только пират­ские набеги и пожары, но и пре­вра­тился в тюрьму для 43 полит­за­клю­чён­ных в начале XX века. Об их побеге в Советский Союз режис­сёр Рангел Вылчанов снял фильм «На малень­ком ост­рове» (1958).

Ещё одна яркая глава в кино­и­сто­рии ост­рова — съёмки фильма «Остров» (2011) режис­сёра Камена Калева с Летицией Кастой и Туре Линдхард­том в глав­ных ролях.

В роман­ти­че­ской драме, пред­став­лен­ной на Каннском кино­фе­сти­вале, пара стал­ки­ва­ется с неожи­дан­ными испы­та­ни­ями своей любви на зага­доч­ном бол­гар­ском ост­рове, что при­дает особую атмо­сферу этому мисти­че­скому месту.

© Община Бургас

Сегодня остров — это уютное про­стран­ство, где можно посе­тить музей, побы­вать на кон­церте, насла­диться блю­дами мест­ной кухни и даже пере­но­че­вать. Дорога до ост­рова на ката­ма­ране зани­мает 25 минут.

Видеоро­лики

Предла­гаем вашему вни­ма­нию несколько инте­рес­ных видео с нашим «сол­неч­ным» ката­ма­ра­ном. Во-первых, музы­каль­ный клип бра­тьев Аргиро­вых и Тони Димитро­вой «Името ти е жена», снятый на ката­ма­ране Бургус и ост­рове Святой Анаста­сии:

Во-вторых, увле­ка­тель­ное видео с эле­мен­тами тайм­лапс, снятое и смон­ти­ро­ван­ное нашим другом Петром Петровым из «Sky Pictures Bulgaria», в кото­ром весь про­цесс про­ек­ти­ро­ва­ния, стро­и­тель­ства и тести­ро­ва­ния ката­ма­рана сжат до 14 минут:

В-тре­тьих, позна­ва­тель­ный сюжет Maritime Global о ката­ма­ране Бургус с инфор­ма­цией о его харак­те­ри­сти­ках:

Спустя три года

Прошло доста­точно вре­мени, чтобы можно было с уве­рен­но­стью ска­зать, что наша система не только оправ­дала ожи­да­ния, но и пре­взо­шла их. Выполняя, по сути, функ­цию резерв­ного пита­ния, фото­воль­та­и­че­ская уста­новка фак­ти­че­ски ока­за­лась основ­ным источ­ни­ком элек­тро­энер­гии на борту.

За три года экс­плу­а­та­ции общее потреб­ле­ние кри­ти­че­ских нагру­зок на ката­ма­ране соста­вило 11.2 MW·h, из кото­рых только 2.2 MW·h (20%) было обес­пе­чено гене­ра­то­ром и бере­го­вым пита­нием.

На скрин­шоте ниже, кото­рый был сделан 28 авгу­ста 2024 года, можно уви­деть рас­пре­де­ле­ние источ­ни­ков энер­гии за послед­ние 24 часа, 7 дней, 30 дней и 365 дней:

Диаграмма пока­зы­вает, что за послед­ние 365 дней потреб­ле­ние от гене­ра­тора и бере­го­вой сети состав­ляет всё те же 20%, что и за послед­ние 3 года. Каких-либо замет­ных при­зна­ков дегра­да­ции системы за этот период мы не обна­ру­жили, а недав­ний визу­аль­ный осмотр обо­ру­до­ва­ния на месте также под­твер­дил, что все ком­по­ненты нахо­дятся в пре­крас­ном состо­я­нии.

В сол­неч­ную погоду система пол­но­стью авто­номна, так как про­из­вод­ство энер­гии PV моду­лями цели­ком покры­вает теку­щее потреб­ле­ние, а бата­реи не раз­ря­жа­ются. Лишь в облач­ную погоду недо­ста­ток PV гене­ра­ции допол­ня­ется запа­сами энер­гии из бата­рей, кото­рые, впро­чем, успе­вают вос­ста­нав­ли­ваться во время сто­я­нок ката­ма­рана между рей­сами.

На самом деле, наша система может быть пол­но­стью авто­ном­ной круг­лый год, а неболь­шое потреб­ле­ние от бере­го­вого пита­ния и гене­ра­тора обу­слов­лено необ­хо­ди­мо­стью под­дер­жи­вать опре­де­лён­ный запас энер­гии в бата­реях (около 80%) на случай выхода из строя гене­ра­тора. Наши настройки раз­ре­шают бата­реям более глу­бо­кий разряд только при отсут­ствии внеш­него пита­ния.

Кроме того, раз­меры бата­рей­ного отсека ката­ма­рана поз­во­ляют уста­новку LFP акку­му­ля­то­ров гораздо боль­шей ёмко­сти. Это может суще­ственно уве­ли­чить авто­ном­ность элек­тро­пи­та­ния корабля не только напря­мую (за счёт уве­ли­че­ния запаса энер­гии в бата­реях), но и кос­венно (бла­го­даря более высо­кой эффек­тив­но­сти LFP тех­но­логии).