Většina výkladů o větrné turbíně končí u lopatek. Jenže lopatky rozhodují jen o tom, kolik energie je k dispozici — co se s ní stane, rozhoduje generátor, a konkrétně to, jak jsou uspořádané jeho magnety. Tohle je pohled dovnitř generátoru s permanentními magnety, který TESUP staví pro Atlas a Magnum, a na tu jednu vlastnost, která rozhoduje, jestli se turbína ve slabém větru točí, nebo prostě stojí.
Co je generátor s permanentními magnety?
Generátor s permanentními magnety vyrábí elektřinu pomocí pevných magnetů namísto elektromagnetů, které je nutné nejdřív nabudit. Protože magnetické pole je přítomné vždy, stroj vyrábí od první otáčky a nepotřebuje ani budicí proud, ani kroužky, ani vnější energii k rozběhu.
Generátor TESUP je 24pólový stroj s permanentními magnety s magnety NdFeB N42 (neodym-železo-bor), každý 60 × 25 × 5 mm, poniklovaný, bochníkového tvaru. Je jich 24, celkem 180 cm³ magnetu, a otáčejí se ve statoru 16 cm × 12 cm.
Proč 24 pólů a proč bez převodovky?
Počet pólů určuje vztah mezi otáčkami a výstupní frekvencí. Generátor s málo póly se musí točit rychle, aby byl použitelný — proto je u mnoha turbín mezi rotorem a generátorem převodovka. Zároveň je to díl, který se nejčastěji porouchá, který vyžaduje výměny oleje a který dělá hluk.
Dvacet čtyři pólů dává použitelné napětí už při nízkých otáčkách, takže rotor může pohánět generátor přímo. Žádná převodovka znamená žádný převodový olej, žádné opotřebení ozubení a o jednu věc míň, která se v únoru na střeše zadře.
Co je zubový moment?
Zubový moment je odpor, který ucítíte, když otáčíte motorem s permanentními magnety rukou — ten trhavý, skokový odpor, jako by se hřídel chtěla usadit do pevných poloh. Vzniká přitahováním magnetů k ocelovým zubům statoru. Každý zub je oblíbená klidová poloha, ze které je nutné rotor vytlačit.
U ventilátoru nebo elektrického nářadí je to drobná nepříjemnost. U malé větrné turbíny je to největší překážka výkonu ve slabém větru, protože zubový moment je pevný práh, který musí vítr překonat, než se vůbec něco pohne. Pod ním není výroba malá — je nulová.
Proto u domácí turbíny znamená rozběhová rychlost větru mnohem víc než jmenovitý výkon. Jmenovitý výkon popisuje větrný den. Rozběhová rychlost popisuje všechny ostatní.
Jak šikmé uložení magnetů snižuje zubový moment?
Pokud každý magnet leží přesně rovnoběžně se zuby statoru, dosáhne všech 24 pólů vrcholu přitažlivosti ve stejném okamžiku. Tyto vrcholy se sčítají a výsledkem je silný, trhavý ráz, který musí vítr při každém kroku prorazit.
Šikmé uložení znamená namontovat magnety pod mírným úhlem k ose otáčení, aby každý magnet najížděl na zub statoru postupně, a ne najednou. Vrcholy už se nepřekrývají — rozprostřou se a částečně se vyruší. Celkový moment se nemění; mizí zvlnění.
TESUP používá šikmé uložení magnetů právě z tohoto důvodu. Nižší zubový moment znamená nižší práh utržení, a právě ten nižší práh umožňuje Atlasu rozběhnout se sám při 2 m/s se sadou lopatek pro slabý vítr — zhruba třetina rozběhové rychlosti běžné turbíny s vodorovnou osou.
Šikmé uložení není zadarmo: mírně snižuje maximální spřažený tok, takže šikmý stroj obětuje trochu špičkového výkonu výměnou za dřívější rozběh. U domácí turbíny, kde je slabý vítr běžný stav a vichřice výjimka, je to správná výměna.
Proč o zubovém momentu rozhoduje nářadí
Šikmé uložení vyruší zubový moment jen tehdy, pokud každý magnet sedí přesně tam, kde to konstrukce předepisuje. Vyrušení je geometrický jev: 24 magnetů, každý posunutý o přesný úhel, aby jejich vrcholy přitažlivosti nepadly do stejného okamžiku. Když se lůžka těchto magnetů liší rotor od rotoru, mění se s nimi i úhel zešikmení — vrcholy se opět srovnají, zubový moment roste a s ním i rychlost větru potřebná k utržení rotoru.
Proto ±0,05 mm napříč všemi obráběnými díly není chlouba v katalogovém listu. Je to tolerance, kterou vyžaduje fyzika. Rotor s volnými tolerancemi může nést přesně stejné magnety, stejný počet pólů i stejnou měď — a přesto se rozběhne později.
Udržet tuto toleranci na jednom prototypu je snadné. Udržet ji na každém kuse po celá léta je otázka nářadí — proto dorazilo do našeho závodu tohle:
Takový lisovací nástroj se nekupuje kvůli rychlosti, i když je rychlejší. Kupuje se kvůli opakovatelnosti. První rotor na něm vylisovaný a desetitisící vyjdou ze stejné oceli, vedené stejnými sloupky, ve stejných rozměrech. Jen tak číslo tolerance vůbec něco znamená, jakmile se vyrábí sériově a ne kus po kuse.
Znamená to také o jeden díl víc, který už nezávisí na cizí kontrole kvality. Naše evropské závody vyrábějí už přes 270 komponent vlastními silami — generátory, elektronické desky, lopatky i montážní materiál. Každý nástroj, který dorazí, prodlouží ten seznam o jednu položku.
Proč má turbína s výkonem kolem 1 kW motor 15 kW?
Protože jmenovitý údaj generátoru je tepelná mez, ne slib výroby. Oněch 15 kW trvale je to, co stroj vydrží neomezeně bez přehřátí, a určují to tři věci: izolace smaltovaného drátu třídy 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, stejná třída jako u průmyslových servomotorů a pohonů elektromobilů), 4 kg měděného vinutí jako tepelná hmota a pasivní chlazení skrz kryt.
Při typickém výkonu Atlasu kolem 1 kW běží motor na méně než 7 % svého trvalého jmenovitého výkonu. Běží studený. Ztráty v mědi rostou s druhou mocninou proudu, takže stroj hluboko pod svou mezí maří velmi málo energie na teplo — a právě teplo stárne izolaci a nakonec ukončí život motoru.
Špičkových 22 kW je krátkodobá přetížitelnost pro poryvy. Ohraničují ji dvě fyzikální meze: práh demagnetizace magnetů N42 a nasycení statorového železa.
Odkud energie ve skutečnosti pochází
Výkon dostupný ve větru se řídí vztahem:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Kde ρ je hustota vzduchu, A opsaná plocha, V rychlost větru, Cp součinitel výkonu a η elektrická účinnost. Rotor Atlasu opisuje 1,035 m² (průměr 1030 mm × výška 1005 mm), dosahuje při dobrém větru Cp 0,28 a přeměňuje s elektrickou účinností 92 %.
Rozhodujícím členem je V³. Rychlost větru je ve třetí mocnině, takže lokalita s o 30 % větším větrem dá zhruba dvojnásobek energie, ne o 30 % víc. Proto výška stožáru a umístění mění výsledek víc než jakýkoli údaj na této stránce — a proto poctivá odpověď na otázku „kolik dostanu?“ vždy začíná otázkou na vaši lokalitu, ne číslem.
Úplná specifikace generátoru
| Parametr | Hodnota |
|---|---|
| Typ generátoru | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Magnety | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Objem magnetu | 24 magnets · 180 cm³ |
| Uložení magnetů | Skewed |
| Stator | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Vinutí | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Izolace drátu | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Tolerance obrábění | ±0.05 mm |
| Rotor | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Rozběhová rychlost | 2 m/s |
| Součinitel výkonu (Cp) | 0.28 |
| Elektrická účinnost | 92% |
| Výkon motoru | 15 kW / 22 kW |
Co to říká — a co ne
Každé číslo výše je vlastnost stroje, a vlastnosti stroje jsou ta část, kterou řídíme my. Zubový moment, počet pólů, třída magnetu, izolační třída a tolerance obrábění jsou stejné v každém kuse, který expedujeme.
Roční výnos ne. Ten závisí na vašem větru a publikovaný výnos Atlasu sahá od 180 do 2 900 kWh ročně právě proto, že rozdíl mezi chráněnou zahradou na předměstí a otevřenou pobřežní lokalitou je takhle velký. Napište nám lokalitu a výšku stožáru a dáme vám realistické rozpětí místo nejlepšího případu.