sciencetalk

Beste forumleden,

Voor in de vrije tijd naast mijn studie ben ik een project begonnen om een elektrische sportboot te ontwerpen. Mocht dit succesvol slagen en de kosten niet al te hoog worden, dan zit ik er ook aan te denken om de boot daadwerkelijk te realiseren.

Wat ik eerst duidelijk wil hebben is hoe ik bereken welke elektromotor, met een bepaald wattage en koppel, ik nodig heb voor een bepaalde topsnelheid en acceleratie.

Ik volg de opleiding mechatronica op het HBO, dus om dit te doen voor een auto of machine of dergelijks is geen probleem, maar hoe ik dit voor een boot moet bereken kan ik zo snel niet zeggen. Je zit nu natuurlijk met een schroef (propeller), waterweerstand, stuwkracht en al dat soort begrippen.

Wat de boot ongeveer moet gaan wegen of dergelijks weet ik nog niet. Dat het een kleine boot wordt ( circa 3 meter) en dat ik hem zo licht mogelijk ga construeren staat wel vast. De topsnelheid wil ik indien mogelijk rond de 80 km/h laten uitkomen. Qua acceleratie heb ik nog geen doel opgesteld

Mij gaat het nu vooral om de theoretische kant van het verhaal.

Kan iemand mij hiermee helpen? (formules bv.)

Met vriendelijke groet,

Berry

Wat wordt de energiebron?

80 km/h lijkt mij extreem ambitieus.

Het wordt een elektrische sportboot, dus komt er een elektromotor in.

Of 80 km/h elektrisch haalbaar is is bij mij niet bekend. Ik weet dat als een bepaalde speedboot met verbrandingsmotor bij een propeller toerental van circa 5 a 6 duizend rpm, een snelheid heeft van rond de 70 km/h.

Het is zeker ambitieus. Voor zover ik weet zijn er ook nog geen elektrische speedboten. Daarom leek mij het ook een leuk project om aan te beginnen.

Mocht 80 niet haalbaar zijn, maar misschien maar de helft, dan zou ik daar ook al heel blij mee zijn.

De motor zal overigens met accu`s gevoed worden. Met zonnepanelen gaat dit nooit lukken, te duur en te weinig energieopbrengst.

Ook 40 km/h lijkt mij nauwelijks haalbaar zeker niet voor zo'n klein bootje, kijk eens op de evin site klik voor meer praktische informatie. Zo rond de 8 pk lijkt wel het maximum te zijn voor een elektrische boot. Op veel plaatsen wordt vermeld dat elektrische boten en snelheid (nog) niet samengaan.

Mogelijk heb je wat aan de rekenmodule van Elektrisch Varen (aanmelden verplicht) : KLIK

Er is wel een voorbeeld, 293 volt, 55Ah accu's zeggen ze, hier het monster (top zo te horen 58 km/h):

80 km/h is extreem hard voor een boot. Als je kijkt naar een snelle ferry waar pakweg 20 a 30 passagiers in gaan (met een vorm die gebouwd is voor prestaties) dan zit daar gerust een megawatt aandrijving achter, en blijft de snelheid alsnog beperkt tot pakweg 60 km/h.

Nu is die megawatt aandrijving an sich het probleem niet, alleen de stroomvoorziening die je ervoor nodig hebt wel. Dat gaat zo zwaar worden dat je zoveel displacement krijgt dat je nog meer vermogen nodig hebt dan bij een vergelijkbare boot op brandstof dat het gewoon ophoudt.

Uiteraard zou je wel voor topsnelheid kunnen gaan, maar dan met een extreem korte gebruiksduur, wellicht een paar minuten, net genoeg om uberhaupt de top te halen.

In het filmpje gaat de elektrische boot 58 km/h en zo te zien is het nog een redelijke boot ook. Groter en zwaarder dan wat ik in gedachte had voor mijn project. Sneller dan 60 moet volgens mij daarom ook geen probleem vormen.

Maar even los van de accu`s en het bereik ervan. Ik heb thuis een speedboot met 260 pk en die boot weegt circa 1500 kg en heeft een top van 80 km/h. Ik neem aan dat als je deze vervangt door een elektromotor van 200 kW dat de prestaties ongeveer hetzelfde blijven. Als ik dit verkeerd zie, meldt dit dan even erbij.

Maar waar ik nu echt benieuwd naar ben, is hoe ik bereken welke motor ik nodig heb. Los ervan of deze specs al dan wel of niet haalbaar zijn (op dit moment). Is er iemand die mij daarmee verder mee op weg kan helpen?

Ik denk dat het probleem vooral het gewicht van de accu's zal zijn. De brandstof voor die 260 pk motor weegt wellicht 100 kilogram als je er lang mee wilt varen. De accu's om een 200 kW electromotor een uur aan te drijven zijn een ander verhaal. Als je een ton accu's meeneemt met een energiedichtheid van 100 Wh/kg heb je vermogen voor een half uur vol vermogen, maar is je boot wel bijna 2x zo zwaar geworden, met bijbehorende extra weerstand door het water.

Het zoeken naar de motor op zich is overigens een goed punt - het zal iets moeten zijn dat behoorlijk hoge toerentallen haalt bij 200 kW vermogen, en die combinatie is niet zo heel gebruikelijk. Wellicht bestaat er industrieel wel zoiets om een grote propellor of mixer mee aan te drijven, maar het is zeker niet iets dat je 'zomaar' ergens kunt kopen.

Dat de accu`s een probleem gaan vormen qua gewicht en bereik is absoluut duidelijk. Ze worden natuurlijk wel steeds beter en lichter maar tot op heden zijn ze nog verre van ideaal.

Maar goed, als je uitgaat van 200 kW, wat natuurlijk zwaar is, wordt het idderdaad moeilijk. Maar of ik 200 kW ook echt nodig heb is nog niet duidelijk. Dat moet ik eerst gaan berekenen. En daar loop ik op dit moment op vast.

Ik heb formules en misschien ook een stappenplannetje nodig om dit te berekenen. Daarna als ik heb vastgesteld wat voor motor erin zou moeten komen kijk ik verder naar de accu`s.

Mocht het sportbootje later ook interessant genoeg zijn om te maken, dan wordt deze puur gebruikt om lekker mee over het water te raggen. Hij hoeft geen uren mee te gaan. Half uur max zou prima zijn of anders 20 minuutjes. Je hebt het hier over een eventueel prototype. In de toekomst zou ik deze, met de techniek dan, kunnen verbeteren.

Een prototype bouwen lijkt me zeker geen gek idee - wellicht kom je daarmee aan wat praktische punten, bijvoorbeeld een grotere schroef die langzamer draait vergeleken met wat je met een dieselmotor zou doen.

Electrisch aangedreven schepen bestaan natuurlijk wel, maar meestal zijn dat geen raceboten maar juist zeer grote schepen (ijsbrekers, vliegdekschepen etc) waarbij de stroom niet uit accu's komt maar uit een op brandstof draaiende turbine of zelfs een kernreactor.

Je zal moeten beginnen met een aanname, want het vereiste vermogen levert een bepaalde massa voor accu's motor et cetera op. Dat levert een bootafmeting en - massa en bepaalde waterverplaatsing op, en daaruit volgt dan weer een benodigd vermogen voor een streefsnelheid. Zit je er ver naast, dan pas je het vermogen aan en doet het rondje opnieuw. Een soort van Monte Carlo benadering dus.

Je kan ook bij botensites op zoek gaan naar praktijkgegevens. Dat is de weg die ik zou opgaan, want het berekenen van weerstanden bij verschillende waterverplaatsingen, boot/bodem vormen, rompsnelheden en al dan niet planeren bij bepaalde snelheden is complex. Daarnaast krijg je te maken met constructie en stabiliteitsproblemen als het motorvermogen in verhouding tot de bootmaten groot is (de schroef trekt de boot dan ahw. onder). In het algemeen geldt: kleine boot, lage snelheden.

Al met al aardig complexe materie waarbij veel praktijkervaring/kennis vereist is. Een kleine aanzet vind je misschien hier en wat informatie over de hull speed (rompsnelheid) vind je hier

Dit zijn wel aardige theorie`n van de 2 website`s, kan ik zeker wat mee.

Ik zal eerst beginnen met een schatting van alles en wat het gewicht dan wordt.

Vervolgens zal ik moeten kijken hoeveel stuwkracht ik nodig heb (rekening houdend met de massa en waterverplaatsing) of hoeveel ik kan leveren met die bepaalde motor. Hier ga ik nog even goed voor zitten om alles uit te vogelen. Vooral even de theorie over stuwkracht en de relatie met de propeller even doornemen.

Wat de beste volgorde is durf ik niet te zeggen.

Ik heb een beetje rond gekeken en ik denk dat ik nu wel wat verder ben gekomen. Ook al geloof ik niet veel in de uitkomst.

Per 25 kg waterverplaatsing (oftewel 25 kg van de massa van de boot) heb je circa 5 Newton ( 1lbs) stuwkracht nodig +20 voor snelle boten. (zie http://www.vaartips..../stuwkracht.htm)

Stel je hebt een boot van 500 kg, dan heb je minimaal 200 N nodig.

Stel de boot moet 40 km/h gaan, is ongeveer 11 m/s.

Dan pak ik de formule P=Fv

Dan krijg je: 200 x 11 =2.2 kW

2.2 kW klopt natuurlijk nooit. Wat gaat hier fout? Je krijg natuurlijk ook nog luchtweerstand en wrijving met het water enz maar dan kom je nooit aanzienlijk hoger (laat staan 200 kW) of wel?

Geld voor een snelle sportboot misschien niet 5 N per 25 kg maar misschien 5 N per 1 Kg??

Dan kom ik bv uit op ongeveer 29 kW. Lijkt mij ook nog niet te kloppen.

Bij nader inzien kan ongeveer 30 kW wel kloppen. Een beekman sprinter (25pk) van 500 kg gaat ongeveer 50 km/h. Klopt dit volgens jullie ook?

Maar dan nog blijf die 29 kW een aanname. Iemand misschien een idee wat er fout kan gaan of zie ik iets over het hoofd??

Ik kwam deze cijfers tegen voor een licht spitfire speedbootje van 3,2 meter:

29,5 kW topsnelheid 50 km/h (volledig vermogen kan niet worden gebruik, anders slaat de boot om)

18,5 kW topsnelheid 45 km/h (maximum motorvermogen voor dit bootje)

7,5 kW topsnelheid 25 km/h