Quasi tutte le spiegazioni di una turbina eolica si fermano alle pale. Ma le pale decidono soltanto quanta energia è disponibile: che cosa ne viene fatto lo decide il generatore e, in particolare, come sono disposti i suoi magneti. Ecco uno sguardo dentro il generatore a magneti permanenti che TESUP costruisce per Atlas e Magnum, e sulla proprietà che stabilisce se una turbina gira con poco vento oppure resta ferma.
Che cos'è un generatore a magneti permanenti?
Un generatore a magneti permanenti produce elettricità con magneti fissi anziché con elettromagneti da eccitare. Poiché il campo magnetico è sempre presente, la macchina genera fin dal primo giro e non richiede corrente di eccitazione, anelli collettori o energia esterna per avviarsi.
Il generatore TESUP è una macchina a magneti permanenti a 24 poli con magneti NdFeB N42 (neodimio-ferro-boro), ciascuno da 60 × 25 × 5 mm, nichelati e di forma bombata. Sono 24, per un totale di 180 cm³ di magnete, che ruotano dentro uno statore da 16 cm × 12 cm.
Perché 24 poli e perché senza moltiplicatore?
Il numero di poli fissa il rapporto fra velocità di rotazione e frequenza in uscita. Un generatore con pochi poli deve girare veloce per essere utile: per questo molte turbine mettono un moltiplicatore fra rotore e generatore. È anche il componente che si guasta più facilmente, quello che richiede cambi d'olio e quello che fa rumore.
Ventiquattro poli producono tensione utilizzabile già a bassa velocità di rotazione, quindi il rotore può azionare il generatore direttamente. Niente moltiplicatore significa niente olio, nessuna usura di ingranaggi e un componente in meno che possa bloccarsi su un tetto a febbraio.
Che cos'è la coppia di impuntamento?
La coppia di impuntamento è la resistenza che si avverte girando a mano un motore a magneti permanenti: quella riluttanza a scatti, come se l'albero volesse fermarsi in posizioni fisse. È causata dall'attrazione dei magneti verso i denti in acciaio dello statore. Ogni dente è una posizione di riposo preferita, dalla quale il rotore va spinto fuori.
In un ventilatore o in un utensile elettrico l'impuntamento è un fastidio minore. In una piccola turbina eolica è il principale ostacolo al funzionamento con poco vento, perché la coppia di impuntamento è una soglia fissa che il vento deve superare prima che qualcosa si muova. Al di sotto, la produzione non è bassa: è nulla.
Ecco perché la velocità di avviamento conta molto più della potenza nominale per una turbina domestica. La potenza nominale descrive una giornata ventosa. La velocità di avviamento descrive tutte le altre.
Come riduce l'impuntamento l'inclinazione dei magneti?
Se ogni magnete è esattamente parallelo ai denti dello statore, tutti i 24 poli raggiungono il picco di attrazione nello stesso istante. Quei picchi si sommano e il risultato è un impulso forte e a scatti che il vento deve vincere a ogni passo.
Inclinare significa montare i magneti leggermente obliqui rispetto all'asse di rotazione, così che ciascun magnete ingaggi un dente in modo progressivo anziché tutto insieme. I picchi non coincidono più: si distribuiscono e si annullano in parte. La coppia totale prodotta non cambia; ciò che sparisce è l'ondulazione.
TESUP adotta il montaggio inclinato dei magneti proprio per questo. Meno coppia di impuntamento significa una soglia di distacco più bassa, ed è quella soglia più bassa a permettere all'Atlas di avviarsi da solo a 2 m/s con il set di pale per vento debole: circa un terzo della velocità di avviamento di una tipica turbina ad asse orizzontale.
L'inclinazione non è gratis: riduce leggermente il flusso concatenato massimo, quindi una macchina inclinata cede un po' di potenza di picco in cambio di un avvio anticipato. Per una turbina domestica, dove il vento debole è la condizione normale e la tempesta l'eccezione, è lo scambio giusto.
Perché è l'attrezzatura a decidere davvero l'impuntamento
L'inclinazione annulla l'impuntamento solo se ogni magnete si trova esattamente dove il progetto prevede. L'annullamento è un effetto geometrico: 24 magneti, ciascuno sfalsato di un angolo preciso, perché i loro picchi di attrazione non cadano insieme. Se le sedi di quei magneti variano da un rotore all'altro, varia con esse l'angolo di inclinazione: i picchi tornano ad allinearsi, la coppia di impuntamento cresce e con essa la velocità del vento necessaria a liberare il rotore.
Per questo ±0,05 mm su tutti i componenti lavorati alle macchine utensili non è un vanto da scheda tecnica. È la tolleranza che la fisica richiede. Un rotore con tolleranze larghe può montare esattamente gli stessi magneti, lo stesso numero di poli e lo stesso rame, e avviarsi comunque più tardi.
Tenere quella tolleranza su un prototipo è semplice. Tenerla su ogni singola unità, per anni, è un problema di attrezzatura: ecco perché questo è arrivato nel nostro stabilimento.
Uno stampo da pressa così non si compra per la velocità, benché sia più veloce. Si compra per la ripetibilità. Il primo rotore formato su di esso e il decimillesimo escono dallo stesso acciaio, guidati dalle stesse colonne, alle stesse quote. È l'unico modo perché un dato di tolleranza significhi qualcosa quando si produce in serie e non a pezzo singolo.
Significa anche un componente in più che non dipende più dal controllo qualità di altri. I nostri stabilimenti europei producono già oltre 270 componenti internamente: generatori, schede elettroniche, pale e minuteria di montaggio. Ogni utensile che arriva allunga quell'elenco di una voce.
Perché una turbina da circa 1 kW usa un motore da 15 kW?
Perché il dato di targa di un generatore è un limite termico, non una promessa di produzione. I 15 kW continuativi sono ciò che la macchina può sostenere indefinitamente senza surriscaldarsi, e dipendono da tre cose: l'isolamento del filo smaltato in classe 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, lo stesso grado usato nei servomotori industriali e nelle trasmissioni dei veicoli elettrici), i 4 kg di avvolgimento in rame come massa termica e il raffreddamento passivo attraverso la carcassa.
Alla produzione tipica dell'Atlas, intorno a 1 kW, il motore lavora a meno del 7% del suo regime continuativo. Gira freddo. Le perdite nel rame crescono con il quadrato della corrente, quindi una macchina molto al di sotto del proprio limite dissipa pochissimo — ed è il calore a invecchiare l'isolamento e a porre fine, alla lunga, alla vita di un motore.
I 22 kW di picco sono la capacità di sovraccarico di breve durata per le raffiche. È delimitata da due limiti fisici: la soglia di smagnetizzazione dei magneti N42 e la saturazione del ferro di statore.
Da dove viene davvero l'energia
La potenza disponibile nel vento segue:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Dove ρ è la densità dell'aria, A l'area spazzata, V la velocità del vento, Cp il coefficiente di potenza e η il rendimento elettrico. Il rotore Atlas spazza 1,035 m² (1030 mm di diametro × 1005 mm di altezza), raggiunge un Cp di 0,28 con vento buono e converte con un rendimento elettrico del 92%.
Il termine dominante è V³. La velocità del vento è al cubo: un sito con il 30% di vento in più rende all'incirca il doppio di energia, non il 30% in più. Per questo l'altezza del palo e la posizione cambiano il risultato più di qualunque specifica di questa pagina — e per questo una risposta onesta a «quanto produrrò?» comincia sempre da una domanda sul vostro luogo, non da un numero.
Specifica completa del generatore
| Parametro | Valore |
|---|---|
| Tipo di generatore | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Magneti | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Volume di magnete | 24 magnets · 180 cm³ |
| Montaggio magneti | Skewed |
| Statore | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Avvolgimento | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Isolamento del filo | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Tolleranza di lavorazione | ±0.05 mm |
| Rotore | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Velocità di avviamento | 2 m/s |
| Coefficiente di potenza (Cp) | 0.28 |
| Rendimento elettrico | 92% |
| Potenza motore | 15 kW / 22 kW |
Che cosa dice e che cosa non dice
Ogni dato qui sopra è una proprietà della macchina, e le proprietà della macchina sono la parte che controlliamo noi. Coppia di impuntamento, numero di poli, grado del magnete, classe di isolamento e tolleranza di lavorazione sono identici in ogni unità che spediamo.
La produzione annua no. Dipende dal vostro vento, e la produzione pubblicata per l'Atlas va da 180 a 2.900 kWh all'anno proprio perché la distanza fra un giardino riparato di periferia e un sito costiero esposto è così ampia. Indicateci posizione e altezza del palo e vi daremo un intervallo realistico invece del caso migliore.