Useimmat tuuliturbiinin selitykset päättyvät lapoihin. Mutta lavat ratkaisevat vain sen, kuinka paljon energiaa on saatavilla — mitä sille tapahtuu, ratkaisee generaattori ja erityisesti se, miten sen magneetit on aseteltu. Tämä on katsaus kestomagneettigeneraattoriin, jonka TESUP rakentaa Atlasiin ja Magnumiin, ja siihen yhteen ominaisuuteen, joka ratkaisee pyöriikö turbiini heikossa tuulessa vai seisooko se paikallaan.
Mikä on kestomagneettigeneraattori?
Kestomagneettigeneraattori tuottaa sähköä kiinteillä magneeteilla eikä sähkömagneeteilla, jotka pitää ensin magnetoida. Koska magneettikenttä on aina läsnä, kone tuottaa ensimmäisestä kierroksesta lähtien eikä tarvitse magnetointivirtaa, liukurenkaita tai ulkoista energiaa käynnistyäkseen.
TESUPin generaattori on 24-napainen kestomagneettikone, jossa on NdFeB N42 -magneetit (neodyymi-rauta-boori), kukin 60 × 25 × 5 mm, nikkelöity ja kupumainen. Niitä on 24, yhteensä 180 cm³ magneettia, ja ne pyörivät 16 cm × 12 cm staattorin sisällä.
Miksi 24 napaa, ja miksi ei vaihteistoa?
Napaluku määrää pyörimisnopeuden ja lähtötaajuuden suhteen. Vähänapainen generaattori on pyöritettävä nopeasti ollakseen hyödyllinen, ja siksi monessa turbiinissa on vaihteisto roottorin ja generaattorin välissä. Vaihteisto on samalla se osa, joka todennäköisimmin rikkoutuu, joka vaatii öljynvaihdot ja joka pitää ääntä.
Kaksikymmentäneljä napaa tuottaa käyttökelpoisen jännitteen jo pienellä pyörimisnopeudella, joten roottori voi pyörittää generaattoria suoraan. Ei vaihteistoa tarkoittaa: ei vaihteistoöljyä, ei hammaspyörien kulumista ja yksi asia vähemmän, joka voi juuttua katolla helmikuussa.
Mikä on hammasvääntömomentti?
Hammasvääntömomentti on se vastus, jonka tuntee kääntäessään kestomagneettimoottoria käsin — se nykivä, portaittainen jäykkyys, aivan kuin akseli haluaisi asettua tiettyihin asentoihin. Se johtuu siitä, että magneetit vetävät puoleensa staattorin teräshampaita. Jokainen hammas on suosikkilepoasento, josta roottori on työnnettävä pois.
Tuulettimessa tai sähkötyökalussa tämä on pieni harmi. Pienessä tuuliturbiinissa se on suurin este heikon tuulen tuotolle, sillä hammasvääntömomentti on kiinteä kynnys, joka tuulen on ylitettävä ennen kuin mikään pyörii. Sen alapuolella tuotto ei ole pieni — se on nolla.
Siksi käynnistystuulennopeus merkitsee kotiturbiinissa paljon enemmän kuin nimellisteho. Nimellisteho kuvaa tuulista päivää. Käynnistysnopeus kuvaa kaikkia muita.
Miten magneettien vinoasennus pienentää hammasvääntömomenttia?
Jos jokainen magneetti on täsmälleen staattorin hampaiden suuntainen, kaikki 24 napaa saavuttavat vetohuippunsa samalla hetkellä. Huiput laskeutuvat yhteen, ja tuloksena on voimakas, nykivä pulssi, joka tuulen on murrettava joka askeleella.
Vinoasennus tarkoittaa magneettien asentamista pieneen kulmaan pyörimisakseliin nähden, jolloin kukin magneetti kohtaa staattorin hampaan vähitellen eikä kerralla. Huiput eivät enää osu yhteen — ne levittäytyvät ja kumoavat toisensa osittain. Kokonaismomentti pysyy samana; se mikä katoaa on väre.
TESUP käyttää vinoon asennettuja magneetteja juuri tästä syystä. Pienempi hammasvääntömomentti tarkoittaa matalampaa irtoamiskynnystä, ja juuri se matalampi kynnys saa Atlasin käynnistymään itsestään 2 m/s tuulessa heikon tuulen lapasarjalla — noin kolmasosa tavanomaisen vaaka-akselisen turbiinin käynnistysnopeudesta.
Vinoasennus ei ole ilmaista: se pienentää hieman suurinta vuonkytkentää, joten vinoasennettu kone luopuu hieman huipputehosta aikaisemman käynnistymisen vastineeksi. Kotiturbiinille, jolla heikko tuuli on tavallinen olotila ja myrsky harvinaisuus, tämä on oikea vaihtokauppa.
Miksi työkalu ratkaisee hammasvääntömomentin
Vinoasennus kumoaa hammasvääntömomentin vain, jos jokainen magneetti on täsmälleen siinä, mihin suunnitelma sen sijoittaa. Kumoutuminen on geometrinen ilmiö: 24 magneettia, kukin siirrettynä täsmällisen kulman verran, jotta niiden vetohuiput osuvat eri aikaan. Jos magneettien pesät vaihtelevat roottorista toiseen, vinouskulma vaihtelee mukana — huiput asettuvat taas kohdakkain, hammasvääntömomentti kasvaa, ja sen mukana kasvaa tuulennopeus, joka tarvitaan roottorin irrottamiseen.
Siksi ±0,05 mm kaikissa koneistetuissa osissa ei ole kehuskelua esitteessä. Se on toleranssi, jota fysiikka vaatii. Väljästi toleroitu roottori voi kantaa täsmälleen samat magneetit, saman napaluvun ja saman kuparin — ja käynnistyä silti myöhemmin.
Tuon toleranssin pitäminen yhdessä prototyypissä on suoraviivaista. Sen pitäminen jokaisessa yksikössä vuosien ajan on työkaluongelma — siksi tämä saapui tehtaallemme:
Tällaista puristintyökalua ei osteta nopeuden vuoksi, vaikka se onkin nopeampi. Se ostetaan toistettavuuden vuoksi. Ensimmäinen sillä muovattu roottori ja kymmenestuhannes tulevat samasta teräksestä, samojen pylväiden ohjaamina, samoihin mittoihin. Vain näin toleranssiluku merkitsee mitään, kun valmistetaan sarjana eikä yksi kerrallaan.
Se tarkoittaa myös yhtä osaa lisää, joka ei enää riipu jonkun toisen laadunvalvonnasta. Eurooppalaiset tehtaamme valmistavat jo yli 270 komponenttia itse — generaattorit, elektroniikkakortit, lavat ja asennustarvikkeet. Jokainen saapuva työkalu pidentää listaa yhdellä rivillä.
Miksi noin 1 kW:n turbiinissa on 15 kW:n moottori?
Koska generaattorin nimellisarvo on lämpöraja, ei lupaus tuotosta. 15 kW jatkuvasti on se, minkä kone kestää rajattomasti ylikuumenematta, ja sen määrää kolme asiaa: luokan 200 °C lakkalangan eristys (IEC 60317-13 GR 2, sama laatuluokka kuin teollisuusservomoottoreissa ja sähköautojen voimalinjoissa), 4 kg kuparikäämiä lämpömassana ja rungon kautta tapahtuva passiivinen jäähdytys.
Atlasin tyypillisellä noin 1 kW:n tuotolla moottori käy alle 7 %:n kuormalla jatkuvasta nimellistehostaan. Se käy kylmänä. Kuparihäviöt kasvavat virran neliössä, joten kaukana rajastaan toimiva kone hukkaa hyvin vähän lämpönä — ja juuri lämpö vanhentaa eristeet ja päättää lopulta moottorin elämän.
22 kW:n huippuarvo on lyhytaikainen ylikuormituskapasiteetti puuskia varten. Sitä rajaavat kaksi fysikaalista rajaa: N42-magneettien demagnetoitumiskynnys ja staattoriraudan kyllästyminen.
Mistä energia oikeasti tulee
Tuulen käytettävissä oleva teho noudattaa kaavaa:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Jossa ρ on ilman tiheys, A pyyhkäisypinta-ala, V tuulennopeus, Cp tehokerroin ja η sähköinen hyötysuhde. Atlasin roottori pyyhkäisee 1,035 m² (halkaisija 1030 mm × korkeus 1005 mm), saavuttaa hyvässä tuulessa Cp-arvon 0,28 ja muuntaa 92 % sähköisellä hyötysuhteella.
Hallitseva termi on V³. Tuulennopeus on kolmannessa potenssissa, joten paikka jossa tuulee 30 % enemmän tuottaa suunnilleen kaksinkertaisen energian, ei 30 % enempää. Siksi maston korkeus ja sijoitus muuttavat tulosta enemmän kuin mikään tämän sivun tekninen arvo — ja siksi rehellinen vastaus kysymykseen ”paljonko saan?” alkaa aina kysymyksellä sijainnistasi eikä luvulla.
Generaattorin täydet tekniset tiedot
| Parametri | Arvo |
|---|---|
| Generaattorityyppi | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Magneetit | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Magneettitilavuus | 24 magnets · 180 cm³ |
| Magneettien asennus | Skewed |
| Staattori | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Käämitys | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Langan eristys | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Koneistustoleranssi | ±0.05 mm |
| Roottori | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Käynnistystuulennopeus | 2 m/s |
| Tehokerroin (Cp) | 0.28 |
| Sähköinen hyötysuhde | 92% |
| Moottorin teho | 15 kW / 22 kW |
Mitä tämä kertoo — ja mitä ei
Jokainen yllä oleva luku on koneen ominaisuus, ja koneen ominaisuudet ovat se osa, jota me hallitsemme. Hammasvääntömomentti, napaluku, magneettilaatu, eristysluokka ja koneistustoleranssi ovat samat jokaisessa toimittamassamme yksikössä.
Vuosituotto ei ole. Se riippuu sinun tuulestasi, ja Atlasin julkaistu tuotto vaihtelee 180:stä 2 900 kWh:iin vuodessa juuri siksi, että ero suojaisan esikaupunkipihan ja avoimen rannikkopaikan välillä on niin suuri. Kerro sijainti ja maston korkeus, niin annamme realistisen vaihteluvälin parhaan tapauksen sijaan.