Examensarbete, 15 hp Högskoleingenjör Energiteknik, 180 hp
Vt 2019
Energiberäkning på
Sjösäkerhetsanordningar
Energikartläggning och beräkningsverktyg för ljus
Douglas Eriksson
2
Sammanfattning
På uppdrag av Sjöfartsverket har detta examensarbete genomförts med syfte att dels göra en energikartläggning på befintliga lysanordningar men även att skapa ett användarvänligt beräkningsprogram. Energikartläggningen gjordes på ungefär 600 st. lysanordningar (lysbojar och lysprickar) som alla använder alkaliska engångsbatterier och är placerade runt om i Sveriges farleder. Beräkningsprogrammet skapades utifrån särskilda bestämmelser vid beräkning av ljusintensitet då dagens metod är bristfällig och inkonsekvent.
Resultatet blev att ett beräkningsprogram togs fram som gör det möjlig för användaren att med känd indata kunna beräkna vilken kapacitet på batteriet som behövs under en önskad driftperiod. Samma metod som i beräkningsprogrammet användes även vid energikartläggning som resulterade i att en stor del av den inköpta batterikapaciteten inte kom till användning. Batterier för ungefär 800 tkr inhandlas årligen och beräkningarna visar att med en bytesmarginal på 3 månader finns det fortfarande möjlighet att spara ungefär 300 tkr som procentuellt blir lite drygt 37 %.
I dagsläget köps de in alldeles för många engångsbatterier då siffrorna visar ett uppenbart
energisvin. Det som krävs för att minska användningen av batterier är bättre planerade
rutter, utökad kunskap om energi och bättre beräkningsverktyg. I de stora hela har detta
arbete bidragit till ökad kunskap och ett användarvänligt beräkningsverktyg.
3
Abstract
On behalf of the Swedish marine authority this report has been carried out with the purpose of partly making an energy survey on existing lightning devices, but also creating a user- friendly calculation program. 600 pcs. of light devices (light bouys and light dots), that all use alkaline unchargeable batteries, was used in the energy survey. All devices are located around the Swedish fairways. The calculation program was created on the basis of specific terms regarding calculating light intensity, as today’s method is deficient and inconsistent.
As result a calculation program was developed which makes it possible for the user to calculate, with known input data, the specific capacity needed for a battery regarding the period of time in use. The same method used in the calculation program was also used in the energy survey. With reference to the survey a large part of the purchased battery capacity is not being used. Batteries worth around SEK 800,000 are annually purchased and the report shows that, with a marginal for change of 3 months, a total saving of SEK 300, 000 could be made annually.
As of today the amount of unchargeable battieris purchased are to high, which the figures
above shows. In order to reduce the usage of batteries better planned routes, increased
knowledge about energy and better tools for calculation is needed. This work has
contributed to the increase of knowledge and a user-friendly calculation program.
4
Innehållsförteckning
1. Inledning ... 7
1.1 Bakgrund ... 7
1.2 Syfte ... 7
1.3 Målsättning ... 7
1.4 Avgränsning ... 7
2. Beskrivning av fakta och begrepp ... 8
2.1 IALA ... 8
2.2 Sjöfartsverkets fartyg ... 8
2.3 Sjösäkerhetsanordningar ... 9
2.3.1 Lykta ... 10
2.3.2 Batteri ... 11
2.4 Ljusets räckvidd ... 14
2.4.1 Luminal räckvidd ... 15
2.5 Ekvationer ... 16
2.6 Dagens metod vid installation ... 19
3. Metod ... 21
3.1 Arbetsmetod ... 21
3.2 Laborationsmetod ... 21
4. Resultat ... 22
4.1 Beräkningsprogram ... 22
4.1.1 Indata ... 22
4.1.2 Beräknad intensitet och energianvändning ... 23
4.1.3 Batteristorlek ... 24
4.2 Laboration ... 25
4.3 Beräkningar ... 27
5. Diskussion och slutsatser ... 29
5.1 Diskussion ... 29
5.1.1 Förluster ... 29
5.1.2 Laborationsresultat & beräkningsprogram ... 29
5
5.1.3 Energianvändning & ekonomisk jämförelse ... 30
5.1.4 Åtgärder ... 31
5.2 Slutsatser ... 32
Referenser ... 33
6
Ordlista
Nautik – Läran om sjöfart.
SSA – Står för sjösäkerhetsanordning och är anordningar med syfte att underlätta navigering till sjös. Exempel på anordningar är fyrar, lysbojar och lysprickar.
Nautisk karaktär – För att göra det möjligt att identifiera och skilja SSA:r från varandra så används ett flertal olika periodiska blinkmönster. Varje mönster har en kod t.ex. FL 3S ID103 som betyder att perioden är 3 s och under den blinkar det en gång.
Teknisk Karaktär – Matematisk översättning på de periodiska mönstret. Till exempel FL 3S ID 103 går att skriva som 0,3+(2,7)=3 s. Den blinkar först 0,3 s
(blinkduration) och sedan är det mörkt i 2,7 s, tillsammans motsvarar de en period på 3 s.
Andelen ljustid blir då 10 %.
Poseidon – Sjöfartsverket egna databas där information om alla SSA:r såsom typ, färg, karaktär placering går att finna.
Tvåvägs programmerare – En programmerare som både kan läsa av hur befintlig kod ser ut (läsa) och skriva över med ny kod (skriva).
Lumen – Är ett mått på den totala mängden ljus som avges från en ljuskälla i alla riktningar.
Steradian – Är den härledda SI-enheten för rymdvinkel. En rymdvinkel är den tredimensionella motsvarigheten till den vanliga vinkeln (tvådimensionella).
Candela – Candela är SI-enheten för ljusintensitet och är en lumen per steradian.
Enheten används för att beskriva ljusets intensitet (styrka) i en specifik riktning från en ljuskälla.
Sjömil – Nautisk mil förkortas M och definieras som 1852 m.
7
1. Inledning
1.1 Bakgrund
Sjöfartsverket har sedan många år tillbaka använt batterier för att driva ljuset i ungefär 600 lysbojar och lysprickar runt om i Sveriges farleder. De har fortfarande kvar engångsbatterier av Alkaline-typ men har på ljussidan ersatt glödljuset med energieffektiva halvledarlösningar och LED-teknik. Det finns ett behov av att se över hela energihanteringen för att bedöma om de har rätt energiteknik och att de utnyttjar den tekniken effektivt. Engångsbatterier för ca 800 000 kronor inhandlas årligen och en effektivisering med till exempel 10 % hade varit en stor vinst verksamheten. Inget tidigare arbete med effektivisering inom detta område finns sen tidigare och detta ger utrymme för förbättringar.
Med grund i detta består uppdraget av att sätta sig in i några förbättringsområden, göra beräkningar samt leverera resultat i form av tabeller, ett beräkningsverktyg och föreslå förbättringar eller förslag på områden som behöver utredas provas ytterligare.
1.2 Syfte
Syftet med projektet är att med hjälp av en energikartläggning och ett beräkningsverktyg avgöra vilket batteri som är lämpligast med hänsyn till ekonomi, miljö och ljusanordningens funktion. Arbetet ska därmed bidra till att eventuella oklarheter i befintligt arbetssätt reds ut.
1.3 Målsättning
Det som förväntas vara genomfört när projektet är avslutat är:
o Energikartlägga de befintliga ljusanordningarna och med hjälp av dess typ, karaktär, ljusintensitet och effekt skapa en tabell som kan användas som underlag till beräkningar.
o Skapa ett användarvänligt beräkningsprogram där värdena från energikartläggningen ska kunna nyttjas för att räkna energianvändning. Dessutom ska de kunna användas till framtida beräkningar t.ex. vid installation av ett nytt batteri.
o Göra en laboration där dagens tillvägagångssätt vid inställning av en lykta jämförs med teoretiskt framtagna inställningsvärden.
o Ekonomisk jämförelse mellan dagens inköp av batterier och möjligheten till inköp av mer anpassade batterier.
1.4 Avgränsning
Arbetet behandlar inte hur ljus i allmänhet fungerar eller grundläggande fysiska fenomen om hur ljus beter sig i olika sammanhang. Inte heller ljusets spektra eller våglängder.
Batteriets funktion, uppbyggnad och kemiska reaktioner redogörs inte i detta arbete. Den
visuella tidskonstanten, C, och hur de har kommit fram till dess värde beskrivs inte, dock
finns referens med utförlig förklaring.
8
2. Beskrivning av fakta och begrepp
I detta avsnitt behandlas allmän fakta och begrepp som används i arbetet såsom rekommendationer för ljus, sjösäkerhetsanordningar och dess funktion, ekvationer och antaganden som använts för beräkningar.
2.1 IALA
Sjöfartsverket likt motsvarande samhällsorgan runt om i världen arbetar under en och samma organisation vid namn IALA
1. Organisationens huvudsakliga syfte är att samordna rekommendationer och riktlinjer om marina navigeringshjälpmedel till medlemsländer, tillverkare av navigationsverktyg och forskningsanstalter. Genom deras arbete tillgodoses de behov sjöfarare har för att riskfritt kunna navigera fartyg runt om i världens farleder
2(1). Eftersom delar av de rekommendationer och riktlinjer samspelar med detta arbete används IALA:s rekommenderade tillvägagångssätt för beräkningar av ljusintensitet och ljusets räckvidd. Metoder och antaganden rörande detta presenteras längre ner i texten.
2.2 Sjöfartsverkets fartyg
Sjöfartsverket äger och driver ett större antal fartyg runt om i Sverige. De utmärkande fartyg som till större del ägnar sig åt underhåll av säkerhetsanordningar är Baltica och Scandica. Båda fartyg är av samma typ och utrustade med lyftkran i fören och aktern som möjliggör att anordningar kan lyftas upp ur vattnet och ner i fartyget för underhåll.
Figur 1. Fartyget Baltica i Norrköping hamn
Figur ovan visar ett av sjöfartsverkets fartyg som har gått in för att fylla på resurser till besättning och lasta på nytt material. Framför fartyget syns lysprickar som ska sättas upp runt Stockholm skärgård.
1 The International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities.
2 Sjöväg i inlandsvatten, inomskärs eller nära kusten, anvisad genom sjösäkerhetsanordningar eller utmärkt i sjökort eller i nautisk publikation (2).
9 2.3 Sjösäkerhetsanordningar
Lysbojar och lysprickar, som även kallas för flytande sjösäkerhetsanordningar, är stora stålkonstruktioner som flyter på vattenytan och är förankrade i sjöbotten med sänken.
Anordningarnas huvudsakliga syfte är att markera ut farleder och väderstreck men även farliga hinder såsom grund och strömmar (2). I bojarna och prickarna sitter en lykta och ett eller flera batterier. Hur dessa ställs in i dagsläget och hur batteritid beräknas redogörs utförligt längre ner i kapitlet.
Figur 2. Styrbordsboj i Stockholm skärgård
Figuren ovan visar en styrbordsboj där lyktan är placerad under en kupol överst och
batteriet är inbyggt i konstruktionen. Ljusförlust när ljuset passerar kupolen är antagen till
10 %.
10 2.3.1 Lykta
Det finns ett antal olika lyktor installerade men efterhand kommer samtliga vara utbytta med modellen LED 155
3av tillverkaren Sabik. Lyktorna LED 155 är främst avsedd för mindre lysanordningar såsom bojar och prickar då de är relativt små. Dessutom har de en låg effekt i förhållande till levererat ljus (lägre effekt ger lägre energianvändning) som är fördelaktigt vid användning av engångsbatterier. Lyktan klarar av en spänning på 28 V och slutar att lysa vid 10 V. Tillhörande lyktan finns även två olika tvåvägs programmerar som gör det möjligt att läsa och skriva ljusintensitet, teknisk karaktär och lyktans nuvarande effekt. De visar med andra ord inte lampans medeleffekt över tid utan den momentana effekten.
Programmerare som används idag heter easyprogrammer och är tillverkad av Sabik. Detta är en enklare typ av programmerare som har en begränsad funktion att skriva över önskade värden till lyktan, t.ex. går ljusintensitetsinställningen endast ställa på en skala med 5 % mellan varje steg. Dessutom har den bara ett visst antal tekniska karaktärer som är förprogrammerade. Beräkningsegenskaperna hos programmeraren är okänd då koden inte är öppen (3).
Figur 3. Easyprogrammer (3)
Programmeraren är tillverkad av plast och är vattenavvisande. Med en display till vänster och navigeringsknappar till höger visar figur 3 den ser ut.
Den andra typen av programmerare är egentligen bara en programvara från Sabik som går att installera på en vanlig Windows-dator. Denna programvara kan både läsa och skriva med hög noggrannhet. Med denna går det att ställa in intensiteten med 1 % mellan varje steg samtidigt som det går att ställa in exakt teknisk karaktär helt manuellt. Vanligtvis installerad på en handdator som är lätt att ta med sig (4).
3 Ungefär 80 % av alla lysanordningar använder lampan LED 155.
11
Nominell intensitet varierar och bestäms i vilken färg lyktan ska lysa. Nedan följer de olika färger lyktan kan lysa med respektive nominell intensitet och effekt (5).
Tabell 1. Nominell intensitet för LED-155 (5).
Nominell intensitet [cd] Färg Effekt [W]
120 [cd] Röd 6
160 [cd] Grön 6
240 [cd] Vit 6
240 [cd] Gul 6
2.3.2 Batteri
Batterierna är av typen Alkalisk-mangandioxid och i vardagligt sammanhang kallas de vanliga batterier (A, AA, AAA). Batterierna används bland annat i ficklampor, fjärrkontroller och klockor. Tidigare innehöll batteriet en liten mängd kvicksilver och kadmium men numera helt fria från dessa ämnen och klassas som ett miljövänligt alternativ.
För att uppnå önskad spänning och kapacitet i batterierna så tillämpas både seriekoppling och parallellkoppling. Seriekoppling av två batterier resulterar i dubblerad spänning (V) samtidigt som kapaciteten (Ah) förblir oförändrad och om två batterier parallellkopplas förblir spänningen densamma (V) men kapaciteten dubbleras (Ah) (6).
Figur 4. Batterier som används till lysanordningarna.
12
De batterier som används är så kallade staplar och består av 12 stycken seriekopplade 1,5 V batterier (18 V). Dessa staplar är sedan parallellkopplade till önskad kapacitet (Ah). Figur 4 ovan visar hur ett typiskt batteri som används ser ut. Kapaciteterna som sjöfartsverket använder presenteras nedan i tabell 2. Batterierna antas ha en självurladdning på cirka 2,5
% per år.
För att kunna göra beräkningar på mängden energiinnehåll (Wh) som finns i ett batteri måste en medelspänning antas då energiinnehåll (Wh) är spänning (V) multiplicerat med kapacitet (Ah). Spänningsfallet i ett batteri ser ut på olika sätt beroende på vilken last som kopplas på. I detta arbete antas en medelspänning på 14 V att vid samtliga laster då lyktans minsta operativa spänning är 10 V och batteriets startspänning 18 V.
Figur 5. Spänningsfall i batteri AL25-18, lykta LED155 (6W), teknisk karaktär 1=0,5+(0,5) och intensitetsinställning 100%
Figuren ovan visar spänningsfallet i ett av batterierna som används av sjöfartsverket. Med
hjälp av figuren så antas i en medelspänning på 14 V under hela perioden då lasten är aktiv.
13
Tabellen nedan visar de vanligaste batterierna som varje år inhandlas av Sjöfartsverket.
Energiinnehållet är beräknat med den antagna medelspänningen på 14 V. Spänningen i tabellen är spänningen på batteriet och används inte för beräkningar.
Tabell 2. De olika batterityper som köps in av sjöfartsverket med respektive kapacitet.
Typ Spänning [V] Kapacitet [Ah] Energiinnehåll [kWh]
AL 25-18 - 1 18 720 10,1
AL 25-18/47 18 520 7,3
AL 25-18 -2 18 240 3,4
AL 14-18 18 220 3,1
Tabell 3 visar den årliga köpta energin i form av batterier och hur stor kostnaden blir. År 2016 och 2017 är utelämnade då bokföring för åren inte finns i Sjöfartsverkets databas.
Likaså här har energiinnehållet beräknats med en medelspänning på 14 V. Pris per kWh är uppskattad till 500 kr (kostnad/energiinnehåll).
Tabell 3. Årlig köpt energi i form av batterier beräknat på 14 V medelspänning.
Inköpsår Kapacitet [kAh] Energiinnehåll [kWh] Kostnad [tkr]
2014 110 1 540 755
2015 108 1 520 747
2018 128 1 790 918
2019 111 1 550 777
Medelår 114 1 600 800
14 2.4 Ljusets räckvidd
För att uppskatta ljusets räckvidd som används vid beräkningar av ljusintensitet måste först begreppen Illuminans, metrologisk synräckvidd, atmosfärisk transmissivitet, nominell räckvidd och luminal räckvidd förklaras.
Med hjälp av figur 6 som presenteras nedan blir sambandet mellan de olika begreppen lättare att förstå. Hela figurens uppbyggnad är baserad på vilken illuminans som har använts, illuminans är i detta fall de minsta ljus som en människa kan uppfatta vid ett visst avstånd och under en viss period på dygnet (dag eller natt). Dessutom tar den även hänsyn till om det förekommer något annat ljus till exempel en större stad bakom själva ljuskällan.
Exempel på illuminans:
𝐸
𝑇= 2 ∙ 10
−7[𝑙𝑥] för nattetid utan bakgrundsljus
𝐸
𝑇= 2 ∙ 10
−6[𝑙𝑥] för nattetid med lite bakgrundsljus
𝐸
𝑇= 2 ∙ 10
−5[𝑙𝑥] för nattetid med mycket bakgrundsljus
𝐸
𝑇= 1 ∙ 10
−3[𝑙𝑥] för dagtid
De åtta logaritmiska kurvorna som syns i figuren nedan är ritade med följande samband där V är den metrologiska synräckvidden, 𝑇
𝑀är atmosfärisk transmissivitet och enheten är sjömil, M, som motsvarar 1852 m.
𝑉 =
ln 0,05ln 𝑇𝑚
[𝑀] (1)
IALA:s rekommendation och antagande för vidare beräkningar är att atmosfärisk transmissivitet, 𝑇
𝑀, ska sättas till 0,74 vilket leder till följande:
𝑉 =
ln 0,05ln 0,74
~ 10 [𝑀]
Nominell räckvidd är de längsta avståndet som ett ljus kan uppfattas beroende på den
metrologiska räckvidden. Nominell räckvidd används generellt som den officiella
räckvidden i ledningsdokument såsom räckviddstabeller och ljusintensitetslistor. Luminal
räckvidd är de längsta avståndet som en människa kan lägga märke till ett ljus under de
rådande väderförhållande, 𝑇
𝑀. Luminal räckvidd bestäms med hjälp av Nominell
räckvidd, metrologisk synräckvidd och atmosfärisk transmissivitet.
15 2.4.1 Luminal räckvidd
Figur 6. Luminous range chart for nighttime with no backgrund lighting (1).
Vid beräkning av ljus från lysanordningarna har IALA satt en standard att Nominell räckvidd ska sättas till 10 M och atmosfärisk transmissivitet till 0,74 i Sverige. Med hjälp av dessa två värden går det att räkna fram metrologiska räckvidden till 10 M. Genom att anta dessa värden går det konstatera att nominell räckvidd blir lika med luminal räckvidd.
Om illuminansen ändras så följer samtliga parametrar med och sambandet mellan
nominell räckvidd och luminal räckvidd förblir oförändrat (7; 1).
16 2.5 Ekvationer
Följande ekvationer och antagande har använts vid beräkningar av ljusintensitet, förluster, effekt och energi.
Den nominella intensiteten avläses på lyktan. Värdet används sedan för att beräkna den verkliga intensiteten, 𝐼
𝑣, genom att ljusförluster direktkopplat till den omslutande kåpan, 𝐹
𝑘å𝑝𝑎, tas med i beräkningarna. Följande samband används.
𝐼
𝑣= 𝐼
𝑁∙ 𝐹
𝑘å𝑝𝑎[𝑐𝑑] (2)
Blondel-Rey:
Den effektiva intensiteten beräknas med hjälp av den verkliga intensiteten, 𝐼
𝑣, blinkdurationen, B, och den visuella tidskonstanten, C. IALA har rekommenderat att använda C=0,2 s. Fast ljus från lyktan leder till att nämnaren och täljaren går mot oändligheten och den effektiva intensiteten blir samma som verkliga intensiteten, men på grund av att ljuset skickas i korta sekvenser når inte allt fram (1) (8).
𝐼
𝑒=
𝐼𝑣 ∙ 𝐵𝐶+𝐵
[𝑐𝑑] (3)
Enligt IALA bestämdes 2008 att varje lykta, oavsett typ, försämras över tid. Försämringen går vid benämningen Service Condition Factor, SCF. De primära faktorer som avgör lyktans nedgradering är smuts, salt och allmän försämring av dioderna.
Rekommendationen säger att den intensiteten som används vid beräkning av ljusets räckvidd borde inkludera SCF och en nedgradering på ungefär 25 % över en livstid.
Livstiden på lyktan är antagen till 10 år.
17
Figur 7. Service Condition Factor
Figuren visar hur prestandan på en lykta över en 10-årsperiod försämras procentuellt från 100 % år 0 till 75 % år 10. Om en t.ex. 8 år gammal lykta ska användas vid installation av nytt batteri måste då en faktor 0,8 vara med i beräkningarna.
Allards Law:
Kravet på intensitet,𝐼
𝑘𝑟𝑎𝑣, beräknas genom en viss önskad räckvidd på ljuset, D, minsta belysningsljus som ögat kan upptäcka vid en viss tid på dygnet och med eller utan bakgrundsljus, 𝐸
𝑡, och den nominella synräckvidden, 𝐷
𝑛. Krav på intensitet är i detta fall hur starkt ljuset måste vara för att nå ett visst avstånd under vissa väderförhållanden och bakgrundsljus. Den önskade räckvidden bestäms av en nautiker (7).
𝐼
𝑘𝑟𝑎𝑣=
𝐸𝑡 ∙ 𝐷20,05 𝐷 𝐷𝑛
∙ 𝑆𝐶𝐹 [𝑐𝑑] (4)
För att uppnå de önskade krav på intensitet krävs en inställd intensitet, 𝐼
𝑓𝑎𝑠𝑡, som beräknas med effektiva intensiteten, 𝐼
𝑒, verkliga intensiteten, 𝐼
𝑣, och kravet på intensiteten, 𝐼
𝑘𝑟𝑎𝑣.
𝐼
𝑓𝑎𝑠𝑡=
𝐼𝑒𝐼𝑣
∙ 𝐼
𝑘𝑟𝑎𝑣[𝑐𝑑] (5)
Inställning på lyktan görs via följande samband där kvoten mellan den inställda intensiteten och den verkliga intensiteten beräknas.
𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒𝑡𝑖𝑛𝑠𝑡ä𝑙𝑙𝑛𝑖𝑛𝑔 =
𝐼𝑓𝑎𝑠𝑡𝐼𝑣
∙ 100 [%] (6)
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 2 4 6 8 10 12
Service Condition Factor
År
18
Därefter så beräknas lampans drifteffekt, 𝑃
𝑑, genom att multiplicera med den uträknade intensitetsinställningen med lampans max effekt (den angivna effekten på lampans märkplåt) tillsammans med andel lystid.
𝑃
𝑑= 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑒𝑡𝑖𝑛𝑠𝑡ä𝑙𝑙𝑛𝑖𝑛𝑔 ∙ 𝑃 ∙ 𝑙𝑗𝑢𝑠𝑡𝑖𝑑 [𝑊] (7)
Till slut går energianvändningen att beräkna genom att multiplicera drifteffekten med antal timmar lyktan lyser per dag.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖
𝑑𝑦𝑔𝑛
= 𝑃
𝑑∙ 𝑙𝑦𝑠𝑡𝑖𝑑 [
𝑊ℎ𝑑𝑦𝑔𝑛
] (8)
Energisambandet går även att utrycka i ström, då beräknat med en medelspänning under drifttid. Följande samband används.
𝐾𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑒𝑡
𝑑𝑦𝑔𝑛
=
𝑃𝑑 ∙ 𝑙𝑦𝑠𝑡𝑖𝑑𝑈
[
𝐴ℎ𝑑𝑦𝑔𝑛
] (9)
19 2.6 Dagens metod vid installation
När det är dags att byta ut befintliga lysanordningar eller sätta i nya batterier så går det till på följande sätt:
Varje höst gör besättningen på fartygen en prognos över hur nästkommande års batteribyte och allmänt underhåll ser ut. Oavsett om inget ska bytas eller repareras har alla säkerhetsanordningar tillsyn varje år där funktionen fastställs. För att kunna göra en prognos används Poseidon där de kan hitta bytesintervallet för batterierna, som de lagt in vid tidigare batteribyte.
När ett nytt batteri ska installeras går besättningen på fartyget in i Poseidon och läser av vilken räckvidd, teknisk karaktär och färg anordningen ska ha. Vidare väljer de en lykta i rätt färg och ställer in med hjälp av easyprogrammer. Verktyget säger då vilken effekt lyktan körs på för att nå den önskade räckvidden. Effekten använder de sedan i egna beräkningar för att hitta ett lämpligt batteri
4. Samtliga fartyg med besättning använder olika metoder för att räkna fram vilket batteri som är lämpligt. Om ett batteri inte planeras att bytas så läses spänning på de befintliga batteriet av och används för att uppskatta hur länge batteriet kan fortsätta vara i bruk. Hur uppskattningen går till är okänd.
Fartygen arbetar med långa avstånd med bas i södra Sverige. Då alla anordningar besöks varje år blir byten av batterier i avlägsna delar av landet mer frekvent då resan dit är lång.
Detta medför att ett fullt fungerande batteri kan bytas ut innan den egentliga perioden för batteribyte är avverkad.
För att klargöra hur programmeraren fungerar i praktiken och kunna jämföra med senare framräknade värden genomförs en laboration. I laborationen används 3 olika lyktor i olika färger. Rekommenderade inställningarna från programmeraren jämförs sedan med de framräknade värdena.
4 Beräkningsmetoden och huruvida de följer rekommendationer framgår inte på något sätt.
20
Figur 8. Bild från besök på båten Arkö.
Figur 8 illustrerar en underhållsbåt (även kallad farledsbåt) och personerna på bilden
arbetar med att byta ut lysprickar i Västervik skärgård. Kranen på bilden används för att
lyfta upp pricken och sänket på båten för att sedan kunna byta lykta, batteri eller hela
konstruktionen. I vanligt fall är det 3 man i besättningen inklusive kapten.
21
3. Metod
3.1 Arbetsmetod
Examensarbetet har skett på plats i Norrköping på Sjöfartsverkets huvudkontor. Första steget i arbetet var att läsa in sig på de material som handledaren tillhandahållit, detta pågick sedan under större delen av arbetet. Information om sjösäkerhetsanordningarna (SSA:r) har hämtats från sjöfartsverkets egna databas Poseidon och samlats i ett excelark.
Uppgifterna har kontrollerats och kompletterats med saknad data tillsammans med min handledare. Beräkningarna som användes för energikartläggningen är även de som använts till beräkningsprogrammet.
3.2 Laborationsmetod
Laborationen utförs med hjälp av 3 olika lyktor, en spänningskälla och en programmerare.
Var och en av lyktorna kopplas in i spänningskällan och med hjälp av programmeraren ställs den önskade räckvidden och tekniska karaktären in. Efter att programmeraren skriver över de inställda data till lyktan går det att läsa av vilken momentaneffekt lyktan körs på. För att få en uppskattad medeleffekt görs 10 mätningar på vardera lykta.
Figur 9. Spänningskälla, lykta LED 155 och easyprogrammer.
Figuren visar uppställningen av laborationen. Till vänster är spänningskällan som är
inställd på 14 V, samma som den antagna medelspänningen. Till höger syns två lyktor
tillsammans med easyprogrammer.
22
4. Resultat
I detta avsnitt presenteras resultatet av laborationen och beräkningar på energianvändning som har gjorts. Även en version av de skapade beräkningsprogrammet kommer att visas upp.
4.1 Beräkningsprogram
Beräkningsprogrammet är uppdelat är uppdelar i tre delar. Nedan följer del för del med förklarande text till. De ekvationer och antagande som har använts presenteras i tidigare avsnitt Beskrivning av fakta och begrepp, under ekvationer.
4.1.1 Indata
Första delen av beräkningsprogrammet består av indata. I denna del skrivs all känd data in, denna data ligger till grund för de beräkningar programmet utför. Informationen hämtas främst från Poseidon och hos lykttillverkaren. De antaganden som har gjorts i tidigare beräkningar går att justera i detta program då vidare studier kan visa på mer exakta antaganden.
Figur 10. Indata beräkningsprogram
Figur 10 visar de indata som krävs för att göra de nödvändiga beräkningarna för att få
fram energianvändningen.
23 4.1.2 Beräknad intensitet och energianvändning
Baserat på de indata som skrivits in i del 1 beräknar programmet, med hjälp av ekvationerna, fram värden på ljus, effekt och energi. Dessa värden är teoretiskt framtagna och bygger på de fysikaliska lagar och antaganden.
Figur 11. Approximerade värden
Figuren visar de approximerade värden som har beräknats av de indata som skrivits in i
del 1. Intensitetsinställningen är mest relevant i denna del och även den som ska skrivas
över till lyktan (med programvaran från Sabik) för att nå den önskade räckvidden på ljuset.
24 4.1.3 Batteristorlek
Sista delen består av att med hjälp av de tidigare uträknade energibehov uppskatta vilken storlek på batteri som behövs. Batteriet utformas efter önskad säkerhetsmarginal och självurladdning. Dessa antaganden går även att justera då batterier i framtiden kan bli bättre och mer pålitliga.
Figur 12. Batteristorlek beräknat på indata.
Figur 12 visar, baserat på tidigare uträkningar, vilken batteristorlek som är lämplig med
hänsyn till vissa felmarginaler.
25 4.2 Laboration
Nedan presenteras resultatet för de 3 olika lyktorna. Alla lyktor har körts med 14 V spänning och under samma allmänna förhållande. Likaså har beräkningsprogrammet varit inställt på 14 V. De förluster som är antagna i samtliga 3 fall är Service Condition Factor, SCF, antaget till 25 % och ljusförlust direktkopplat till den omslutande kupolen, 𝐹
𝑘å𝑝𝑎, antagen till 10 %.
I tabell 4 nedan har en grön lykta med nominell intensitet 160 cd används. Den önskade räckvidden på ljuset är satt till 4,5 M och resultatet visar vilken intensitetsinställning som de olika metoderna bedömer lämplig. Resultatet visar även vilken effekt lyktan körs på.
Tabell 4. Grön lykta, 160 cd, inställd med räckvidd 4,5 M.
Intensitetsinställning [%] Lykteffekt [W]
Easyprogrammer 40 % 2,47
Beräkningsprogram exkl. förlust 44 % 2,83
Beräkningsprogram inkl. förlust 52 % 3,21
Tabell 5 bygger på samma förutsättningar som tabell 4 men istället med en vit lykta som har nominell intensitet 240 cd.
Tabell 5. Vit lykta, 240 cd, inställd med räckvidd 4,5 M
Intensitetsinställning [%] Lykteffekt [W]
Easyprogrammer 30 % 1,74
Beräkningsprogram exkl. förlust 33 % 2,03
Beräkningsprogram inkl. förlust 39 % 2,31
26
Likaså bygger tabell 6 på samma förutsättningar som tabell 4 och 5 men visar då resultat från en röd lykta med nominell intensitet 120 cd.
Tabell 6. Röd lykta, 120 cd, inställd med räckvidd 4,5 M.
Intensitetsinställning [%] Lylteffekt [W]
Easyprogrammer 50 % 2,75
Beräkningsprogram exkl. förlust 54 % 3,12
Beräkningsprogram inkl. förlust 62 % 3,81
27 4.3 Beräkningar
Ett flertal olika beräkningar har gjorts för att sedan kunna jämföras och diskuteras i senare kapitel. De ekvationer som har använts vid beräkningarna av energianvändning redovisas i avsnittet Beskrivning av fakta och begrepp, under ekvationer. Den teoretiska kostnaden hittas i tabell 3. Kostnaderna för batterierna är teoretiska och kan skilja sig från praktiken.
Beräkningarna i tabell 7 är gjorda på samtliga lysbojar och lysprickar ägda av sjöfartsverket (ungefär 600 st.). Den visuella tidskonstanten, C, är satt till 0,2 s. Ljusförluster kopplade till försämring av lykta (Service Condition Factor) och den omslutande kupolen är med i dessa beräkningar.
Tabell 7. Total Energianvändning inkl. förluster under 12 mån.
Bojar Prickar Totalt
Medelblinkduration [s] 0,33 0,3 -
Energianvändning [kWh/år] 650 42 692
Kapacitet [kAh/år] 45 3 48
Teoretisk kostnad [tkr/år] 325 21 346
Avvikelse från dagens inköp [tkr/år] - - 454
Tabell 8 visar samma beräkning som i ovanstående tabell men utan några förluster.
Tabell 8. Total Energianvändning exkl. förluster under 12 mån.
Bojar Prickar Totalt
Medelblinkduration [s] 0,33 0,3 -
Energianvändning [kWh/år] 550 36 568
Kapacitet [kAh/år] 39 2,5 41,5
Teoretisk kostnad [tkr/år] 275 18 293
Avvikelse från dagens inköp [tkr/år] - - 507
28
Tabell 9 visar liknande resultat som tabell 7 men i detta fall är driftperioden 15 månader istället för 12 månader. Detta medför en bytesmarginal på 3 månader.
Tabell 9. Total energianvändning inkl. förluster under 15 mån.
Bojar Prickar Totalt
Medelblinkduration [s] 0,33 0,3 -
Energianvändning [kWh/år] 925 69 994
Kapacitet [kAh/år] 66 5 64
Teoretisk kostnad [tkr/år] 462,5 34,5 497
Avvikelse från dagens inköp [tkr/år] - - 303
29
5. Diskussion och slutsatser
I detta avsnitt diskuteras resultatet av laborationen, energikartläggningen och beräkningsprogrammet.
5.1 Diskussion
5.1.1 Förluster
De förluster jag har tagit med i beräkningarna är dels SCF. Denna förlust är relativt svår att uppskatta då de kan skilja sig kraftigt från fall till fall. Detta beror främst på placering i farleden, mattning av solen och fågelspillningen. Om t.ex. lysanordningens står i relativt lugnt vatten i en vik med större delen av dagen i skugga blir försämringen betydligt mindre än om hade stått ute i havet med under direkt sol och sköljande vågor. Fågelspillningen är desto svårare att uppskatta men det är bra att känna till dess bidrag till försämring av lyktan.
Den andra förlusten är ljusförlust direktkopplat till den omslutande kupolen. Denna förlust är rakt på sak och går genom praktiska exempel att räkna fram. Kupolen bidrar dels med förluster då den är rundformad och ger upphov till en optisk påverkan men även förluster kopplat till kupolens material.
Med grund i detta har jag valt att göra valet fritt i beräkningsprogrammet där användaren själv fyller i vad som anses vara rimliga antaganden enligt dem. Som nämnt tidigare ska de även kunna regleras från fall till fall då varje placering är unik på sitt sätt.
5.1.2 Laborationsresultat & beräkningsprogram
Beräkningsprogrammet är, som nämns tidigare i rapporten, framtaget med hänsyn till IALA:s rekommendationer/riktlinjer för beräkning av ljus. I laborationsresultatet jämförs lykttillverkarens programmeringsverktyg med teoretiskt framtagna värden (beräkningsprogrammet). De teoretiska värdena (utan förluster) överensstämmer relativt bra med programmeringsverktyget då de endast visar enstaka procents skillnad.
Beräkningsprogrammet visar vid varje tillfälle en högre inställning på intensitet än verktyget, vilket är bra för de beräkningar jag har gjort då felmarginaler uppåt är betydligt bättre än felmarginaler nedåt. Skillnaden kan bero på ett antal olika faktorer såsom felmarginaler i avläsning men även avvikande maxeffekt och nominell intensitet.
Felmarginaler i avläsning beror främst på att verktyget läser av lyktan momentant, ett
medelvärde hade varit mer rättvist för vidare kalkyler. Vad som menas med avvikande
effekt och nominell intensitet är att märkplåten på lyktorna visar samma maxeffekt och
nominell intensitet på samtliga lyktor, utan några felmarginaler. En lösning på detta skulle
kunna vara att lykttillverkaren testar och märker alla lyktor med mer exakt data. Det kan
30
även bero på att programmeringsverktyget endast läser av steg med 5 % på intensitetsinställningen, den andra programvaran med 1 % marginal hade varit mer exakt.
I IALA:s rekommendationer står tydligt att förluster måste tas med när en uppskattad räckvidd av ljus tas fram. Förluster i form av lyktans försämring under tid (SCF) och förluster direktkopplade till den omslutande kupolen verkar programmeringsverktyget inte ha med i sina beräkningar. Laborationsresultatet visar på att de skiljer ungefär 10 % mellan programmeringsverktyget och de teoretiska beräkningarna inklusive förluster. Med andra ord bör inte programmeringsverktyget användas som beräkningsverktyg. Speciellt inte den avlästa effekten då den kan variera kraftigt mellan mätningarna. Däremot går den att använda som inställningsverktyg där de teoretiskt framräknade inställningarna på intensitet används.
5.1.3 Energianvändning & ekonomisk jämförelse
Tidigare i avsnittet Beskrivning av fakta och begrepp, under Batteri, togs en tabell fram med inköp under de senaste åren. Resultatet av den blev att under ett medelår inhandlas batterier för ungefär 800 tkr/år. Inledningsvis skrevs i rapporten att en effektivisering som leder till en minskad kostnad med 10 % hade varit en stor vinst för verksamheten.
Resultatet visar att med liknande beräkningssätt som används idag
5är den teoretiska kostnaden för samtliga batterier lite drygt 290 tkr. Jämför vi då de teoretiska kostnader med den verkliga får vi ett överskott på ungefär 510 tkr som procentuellt blir 64 %. Detta är ju förstås endast teoretiskt och innebär att allt energiinnehåll batteriet kan leverera verkligen används fullt ut (beräknat på en medelspänning på 14 V). Dock blir denna jämförelse endast aktuell i de förflutna eftersom förluster inte är medtagna i dessa beräkningar.
De förluster jag har tagit med i beräkningarna är som nämnt tidigare SCF och kupolförlust.
Med dessa förluster inbakade i beräkningarna blir den framtida årliga kostnaden för batterier knappt 350 tkr. Detta blir då inte samma summor som utan förluster men visar ändå ett överskott på ungefär 450 tkr som i andel blir 56 %. Likaså här är detta rena teoretiska siffror och skiljer sig från verkligheten.
Det är svårt att uppskatta en möjlig besparing. Tabell 9 som hittas i tidigare avsnitt (Beskrivning av fakta och begrepp) visar på samma beräkningar som ovan med en felmarginal på 3 månader. Hade batterierna varit på land och lättåtkomliga för byte hade de teoretiska siffrorna varit mer aktuella men i detta fall finns batterierna ute till havs i stålkonstruktioner. Vilket medför att tiden för batteribyten kan variera kraftigt beroende främst på vilket dagsväder som råder. Resultatet visar ändå att en besparing på ungefär 300 tkr är möjlig. Vilket innebär en minskning på 38 %.
5 Laborationsresultatet visar att programmeringsverktyget liknar de framtagna beräkningsprogrammet.
