Ontwikkeling van elementaire kennis betreffende hydrofoils voor een solar boat

Gaan boten binnenkort vliegen op zonne-energie?

Neen, zover zijn we nog niet. Maar 2 masterstudenten industrieel ingenieur Elektromechanica van de Karel de Grote Hogeschool hebben een jaar lang gezocht naar een manier om een boot te doen vliegen over het water. Ze hebben de link gelegd tussen vliegtuigen en de zuinige boten van de toekomst. Hun doel is het om een boot enkel aangedreven door de kracht van de zon te doen vliegen over het water op de wereldbeker. 

Dit onderzoek kaderde in het UAntwerp solar boat project. Waarbinnen 3 masterstudenten en een 10 tal bachelorstudenten, allen bezeten door innovatie en techniek samen een boot op zonne-energie bouwen, de vorige boot is te zien in Fig 1. Hiervoor krijgen ze de steun van verschillende industriële partners, zoals hun peetvader Umicore. Binnen dit project worden de jonge ingenieurs van de toekomst gestimuleerd om creatief te denken. Na de zotste ideeën komen de echte berekeningen en haalbaarheidsstudies, om vervolgens over te gaan naar de praktische uitwerking van hun ideeën. Elke keer worden er weer een heleboel aanpassingen gedaan. Zo wordt onder andere het totaalconcept met elke stap beter, eenvoudiger monteerbaar, goedkoper of lichter. Verbeteren stopt nooit! Maar het uiteindelijke doel is om hun volwaardige solar boat de ultieme test te laten ondergaan… een ware wereldbeker. Hiervoor gaan ze van 28 juni tot 5 juli 2014 naar Friesland trekken. Daar nemen ze het op tegen teams uit de Verenigde staten, Nederland, België, China, Polen en nog veel meer.

Fig 1: KdG solarboat 2012, bron: KdG solarteam

Om hun ultieme doel te bereiken: een podiumplaats op de wereldbeker behalen, zijn ze reeds een jaar bezig met het uitwerken van innovatieve ideeën. Eén hiervan is het ontwerp van hydrofoils. Dit zijn een soort van vliegtuigvleugels  die onder de boot bevestigd worden. Door de keuze van een juiste vleugelvorm zal de boot dan vanaf een bepaalde snelheid uit het water getild worden zoals te zien in Fig 2.

Fig 2: Hydrofoil zeilboot, bron: Team McLube

Dit principe is gekend onder de term hydrofoils. Aangezien hierdoor de volledige romp niet meer in contact komt met het water zal de weerstand spectaculair dalen. Het gevolg hiervan is dat er meer energie van de zeer kleine batterij over blijft om snelheid te maken en anderen in te halen.

Aangezien de energietoevoer erg beperkt is door het kleine vermogen van de zonnepanelen (980 Wh = 16 gloeilampen een uur laten branden) is de efficiëntie van het systeem uiterst belangrijk. De batterij mag immers nooit bijgeladen worden, uitgezonderd door de zon. Daarom is het vleugelontwerp zeer specifiek bepaald zodat de verschillende weerstandswaarden tot een minimum beperkt worden. Hierdoor is het mogelijk om een snelheid te halen die 26% hoger ligt met dezelfde energiecapaciteit.

Hoe dit vleugelprofiel bepaald wordt is gebasseerd op technieken die gebruikt worden in de luchtvaartindustrie om zowel jachtvliegtuigen als grote passagierstoestellen te bouwen. Verder wordt er uitsluitend gebruik gemaakt van ultralichte materialen zoals Aluminium en een specifiek composietmateriaal op basis van koolstof en een epoxyhars, dat even sterk is als staal maar slechts 1/3 van het gewicht heeft.

Door de hydrofoils te roteren over hun lengteas kan de geleverde opliftkracht constant gehouden worden en blijft de boot op een relatief constante hoogte boven het water zweven. Dit is nodig aangezien de geleverde liftkracht kwadratisch evenredig is met de snelheid van de boot. Indien dit niet zou gebeuren zou de boot constant op en neer schommelen wat veel energie zou vragen en een zieke piloot zou opleveren. Maar om dit te verwezelijken was het nodig om een uniek, licht en simpel systeem uit te dokteren dat de hoek van de hydrofoils erg nauwkeurig kan aanpassen aan de momentele snelheid, dit is afgebeeld in Fig 3. 

Fig 3: Weergave hoogte-regelsysteem, bron: D. Schmidt

Doordat de ski op het wateroppervlak blijft liggen, zal deze functioneren als hoogtesensor. Hierdoor worden de hydrofoils geroteerd over hun lengteas. Hoe meer ze naar voor gekanteld staan hoe meer lift er gegenereerd wordt en hoe hoger men uit het water is. Deze toestand is dus om voldoende hoogte te hebben bij lage snelheid. Maar het frontaal oppervlak dat door het water beweegt is groot, waardoor de weerstand ook relatief groot is. Daarom wordt er getracht zo snel mogelijk naar een zo vlak mogelijke stand te gaan. Ideaal de stand zoals getekend in Fig 3.

Uiteraard is er ook onderzoek gedaan naar de stabiliteit van de boot. Doordat de boot uit het water getild wordt zal het zwaartepunt hoger liggen. Daardoor bestaat de kans dat de boot in een bocht zou omslaan. Maar door het toepassen van enkele ingenieuze truckjes zoals de hydrofoils een klein beetje schuin te plaatsen wordt dit verholpen. Dit is te zien in Fig 4.

Fig 4: Structurele analyse doorbuiging halve hydrofoil.

Uiteraard kan er niet zomaar in het wilde weg ontworpen worden. Er moet ook gekeken worden of de constructie wel sterk en stijf genoeg is. En of de stroming wel verloopt zoals gedacht. Hiervoor dienen respectievelijk structurele (Fig 4) en stromingssimulaties (Fig 5) uitgevoerd te worden. Tijdens een stromingsanalyse kijkt men naar het snelheidsverloop om te zien of er geen onnauwkeurigheden in zitten of vacuüm bellen ontstaan. Uit deze onderzoeken zijn dan 2 belangrijke onderzoekshypotheses gevloeid die mogelijk het verschil tussen de berekende en de gesimuleerde waarden verklaren.

In dit eerste onderzoek zijn er reeds basismethodieken opgesteld en 2 mogelijke hypotheses uitgewerkt. Deze hypotheses kunnen slechtst bewezen worden door experimentele analyse uit te voeren op het gefabriceerde prototype. De resultaten hiervan zullen leiden naar een optimaal ontwerp voor de solar boat anno 2014. Een boot die hopelijk de wereldbeker wint. Voor een uitgebreidere beschrijving of ideën op te doen voor uw eigen boot te bouwen, of om te leren hoe een vliegtuig eigenlijk functioneerd kunt u steeds de thesistekst raadplegen.