Elektromotor en zonnepanelen modelboot
-
Hallo,
Ik maak voor mijn PWS een modelboot aangedreven door zonne-energie. Het bootje krijgt de vorm van een catamaran. Er komen twee drijvers van ongeveer 70 cm lang, 10 cm breed en 10 cm hoog. De drijvers zijn van piepschuim. Daarop komt een plateau van mdf wat iets korter is dan de drijvers en ong 35 cm breed. Het wordt een airboat, dus de propeller blijft boven water ipv eronder. Het plateau dat ongeveer dan 35cm x 50cm is, komt vol te liggen met zonnepanelen of 1 groot zonnepaneel.We knoeien een beetje met wat voor elektromotor en zonnepanelen we nodig hebben (hoe sterk ze moeten zijn). We willen sws het liefst een brushed elektromotor. Is er een manier om te berekenen wat voor vermogen de elektromotor moet hebben en welke zonnecel hierop aansluit? Zodat we zeker weten dat de boot dan ook echt vooruitkomt.
-
He Ise,
Ik ben Splinther en studeer Werktuigbouwkunde aan de TU Delft. Leuk onderwerp, en best een leuke uitdaging. Ik heb even gekeken naar jullie infrormatie en ben hierop uitgekomen.
Je kunt berekenen hoe sterk de elektromotor moet zijn met de formule: vermogen = weerstand × snelheid. De weerstand van de boot hangt af van het gewicht, de vorm van de drijvers en de snelheid waarmee je wilt varen. Voor jullie catamaran van ongeveer 3 kilo kun je schatten dat er bij lage snelheden weinig weerstand is, maar dat die snel toeneemt naarmate de boot sneller gaat.
Uit de berekeningen blijkt dat de boot bij een snelheid van ongeveer 1 meter per seconde (3,6 km/u) ongeveer 2 watt elektrisch vermogen nodig heeft, bij 2 meter per seconde (7,2 km/u) ongeveer 15 watt, en bij 2,5 meter per seconde (9 km/u) ongeveer 30 watt. Dat betekent dat je niet zo veel energie nodig hebt om rustig te varen, maar dat het vermogen flink stijgt als je sneller wilt.
Jullie zonnepaneel van ongeveer 0,18 vierkante meter met een rendement van ongeveer 20 procent levert op een zonnige dag rond de 30 watt. Dat is dus net genoeg om de boot op zonne-energie te laten varen met een snelheid van rond de 2 meter per seconde.
Een goede keuze is een brushed elektromotor van 20 tot 40 watt die werkt op 6 tot 12 volt, bijvoorbeeld een type 540-modelmotor. Daarbij past een luchtpropeller van 8 tot 9 inch zoals die ook bij modelvliegtuigen gebruikt wordt. De motor drijft de propeller aan, die lucht naar achteren blaast en zo de boot vooruitduwt.
Omdat de zon niet altijd even fel schijnt, is het handig om een kleine buffer te gebruiken, zoals een klein accuutje of supercondensator. Die kan even wat extra stroom leveren bij het opstarten of als er een wolk voor de zon schuift.
Ik hoop dat je hier wat aan hebt. Anders hoor ik het graag!Groet Splinther
PWS Team
TU Delft -
Heel erg bedankt voor het antwoord! We hebben een gewenste snelheid van 0,5 m/s, dus dat is niet zo flink, dus dan hebben we weinig vermogen nodig volgens uw berekeningen. Bedankt daarvoor! Ik vroeg me wel af hoe u precies de weerstand hebt berekend in het water, want daar lopen wij een beetje vast
-
He Ise,
Fijn dat dit jullie in de goede richting helpt! De berekening van de weerstand is wat ingewikkelder en komt uit de stromingsleer. Ik zal aan jullie uitleggen met bijbehorende waardes en dan zouden jullie dat eventueel kunnen gebruiken
F = 1/2 x rho x V^2 x A x Cf
Hierbij is rho de de dichtheid (circa 1000), V de snelheid (0,5), A de oppervlakte in het water (circa: 10x10) en Cf de wrijvingscoefficient (nu geschat op 0,02). Hier kom 2.5 uit, dit keer de snelheid (0,5) komt uit op een vermogen van 1,25 watt. Ik zou als julie het gaan maken dan atijd voor de zekerheid iets meer nemen.Dit is de formule met de grofe waardes voor jullie situatie erbij gegeven. Je zou het ook nog preciezer kunnen berekenen maar dat voegt niet per se veelt toe.
Laat maar weten of jullie hier iets aan hebben!
Groet Splinther
PWS Team
TU Delft -
Heel erg bedankt voor uw antwoord, dat helpt zeker! Ik heb nog wel twee vragen (sorry😅). Ten eerste: hoe kan het dat er volgens de theorie zo weinig nodig is, want dat voelt toch een beetje vreemd aangezien de boot zelf een aantal kilo zal wegen, en waarom moeten we zo ver boven de berekende waarde gaan zitten? Ten tweede: nadat we weten welke motor we nemen, moeten we daar ook nog een passende zonnecel bij vinden. Waar moeten we opletten om ervoor te zorgen dat ze goed bij elkaar passen?
Alvast bedankt!
-
Hi Ise,
Ik snap je vragen helemaal! Als eerste waarom lijkt het vermogen zo laag?
De berekende 1,25 W geldt voor een boot die al met constante snelheid vaart. Het gewicht van de boot bepaalt vooral hoeveel weerstand er ontstaat (via de diepgang en natte oppervlakte), maar niet direct het benodigde vermogen. In de praktijk moet je hoger gaan zitten omdat de formule uitgaat van ideale omstandigheden. Je krijgt te maken met verliezen in de motor, turbulentie, extra weerstand en piekvermogen bij het optrekken. Daarom is het verstandig om ongeveer 2–3 keer boven de theoretische waarde te gaan zitten. Als tweede de motor en zonnecel op elkaar afstemmen. Ik zou vooral op de volgende dingen letten, de spanning van de zonnecel moet passen bij de motorspanning. De zonnecel moet genoeg stroom kunnen leveren (P = U × I). Het maximale vermogen van de zonnecel moet hoger zijn dan dat van de motor. Houd ook rekening met wisselend zonlicht, dus neem wat extra marge.Als jullie specifieke onderdelen hebben uitgezocht, kijk ik graag even mee.
Groet Splinther
-
Wederom heel erg bedankt voor uw antwoord en sorry voor mijn late reactie, net toetsweek gehad😅. Ik snap nu inderdaad dat we boven de theoretische waarde gaan zitten, maar 20-40 W is wel veel meer dan 2 a 3x de theoretische waarde toch? En we moeten dus voor de zonnecel een spanning hebben die ongeveer even groot is en een stroomsterkte die er boven zit als ik het goed begrijp? Wij hebben van de docent gehoord dat het gemiddelde rendement van een zonnecel ongeveer 20% is, dus moeten we een vermogen van 5x zo groot hebben?😅
Alvast bedankt!
-
Ik heb zelf wat geprobeerd te rekenen aan de weerstand en het benodigde vermogen en ik kom uit op een heel laag vermogen, namelijk van 0,12 W. Ik heb mijn berekeningen hierboven toegevoegd. Doe ik iets verkeerd😅? Sorry voor alle vragen!
-
He Ise,
Ik snap niet helemaal hoe je op de 20-40 W uitkomt, ik zei hierboven rond de 1,25 toch? En als de zonnecel een rendement heeft van 20% dan moet je inderdaar een stukje hoger gaan zitten!
Nu even over de berekening, het lijkt grotendeels goed te gaan. De berkening van het natter oppervlak moet alleen alleen de onderkant van de drijver zijn, en jij hebt het hele volume berekent. En als de tweede de berekening van Cd, die berekening gaat uit van heel veel factoren en is dus niet zo makkelijk als jij probeert te doen te berekenen! Je kan die dus betet opzoeken of mijn waarde pakken.
Ik hoop dat je hier weer even verder mee kan en ik ben even benieuwd naar die 20-40 W.
Groet Splinther
-
Heel erg bedankt voor uw antwoord! Die 20-40 W had u gezegd in uw allereerste bericht aan mij, maar daar had ik de snelheid nog niet benoemd, dus foutje van mij, want met onze snelheid is het inderdaad veel minder zoals u zei. Dus met die 1,25 W zouden we dan een motortje moeten nemen van ongeveer 4 W? En dan een zonnepaneel van rond de 20 W met dezelfde stroomsterkte ongeveer en een grotere spanning? Het vermogen dat de zonnepaneel levert hangt af van het oppervlakte van het zonnepaneel neem ik aan toch?
Alvast bedankt!
-
Ik snap trouwens ook het natte oppervlakte nog niet helemaal. Ik heb niet het volume berekend, maar de oppervlakten van alle delen van de drijvers die onder water liggen. Is dat niet correct?
