A szélturbinákról szóló magyarázatok többsége a lapátoknál megáll. Pedig a lapátok csak azt döntik el, mennyi energia érhető el — hogy mi lesz vele, azt a generátor dönti el, pontosabban az, hogyan vannak elrendezve a mágnesei. Ez egy bepillantás abba az állandómágneses generátorba, amelyet a TESUP az Atlashoz és a Magnumhoz épít, és abba az egyetlen tulajdonságba, amelyen múlik, hogy a turbina gyenge szélben forog-e, vagy csak áll.
Mi az az állandómágneses generátor?
Az állandómágneses generátor rögzített mágnesekkel termel áramot, nem pedig elektromágnesekkel, amelyeket előbb gerjeszteni kell. Mivel a mágneses tér mindig jelen van, a gép már az első fordulattól termel, és nincs szüksége sem gerjesztőáramra, sem csúszógyűrűkre, sem külső energiára az elinduláshoz.
A TESUP generátora 24 pólusú állandómágneses gép NdFeB N42 (neodímium-vas-bór) mágnesekkel, egyenként 60 × 25 × 5 mm, nikkelezett, cipó alakú kivitelben. Huszonnégy darab van belőlük, összesen 180 cm³ mágnes, és egy 16 cm × 12 cm-es állórészben forognak.
Miért 24 pólus, és miért nincs hajtómű?
A póluszám határozza meg a fordulatszám és a kimeneti frekvencia viszonyát. A kevés pólusú generátornak gyorsan kell forognia ahhoz, hogy használható legyen — ezért ül sok turbinánál hajtómű a rotor és a generátor között. Ez egyben az a részegység, amely a leggyakrabban meghibásodik, amely olajcserét igényel, és amely zajt kelt.
Huszonnégy pólus már alacsony fordulatszámon is használható feszültséget ad, így a rotor közvetlenül hajthatja a generátort. Hajtómű nélkül nincs hajtóműolaj, nincs fogaskerék-kopás, és eggyel kevesebb dolog van, ami februárban a tetőn beragadhat.
Mi a fogazati nyomaték?
A fogazati nyomaték az az ellenállás, amelyet akkor érzünk, ha kézzel forgatunk meg egy állandómágneses motort — az a rángatózó, lépcsős vonakodás, mintha a tengely rögzített helyzetekbe akarna beülni. Oka, hogy a mágneseket vonzzák az állórész acélfogai. Minden fog egy kedvelt nyugalmi helyzet, amelyből a rotort ki kell tolni.
Egy ventilátorban vagy kéziszerszámban ez apró kellemetlenség. Egy kis szélturbinában viszont ez a legfőbb akadálya a gyenge szélben nyújtott teljesítménynek, mert a fogazati nyomaték rögzített küszöb, amelyet a szélnek le kell győznie, mielőtt bármi is megmozdulna. Alatta a termelés nem kicsi — hanem nulla.
Ezért számít egy házi turbinánál az indulási szélsebesség sokkal többet, mint a névleges teljesítmény. A névleges teljesítmény egy szeles napot ír le. Az indulási sebesség az összes többit.
Hogyan csökkenti a mágnesek ferde beépítése a fogazati nyomatékot?
Ha minden mágnes pontosan párhuzamos az állórész fogaival, mind a 24 pólus ugyanabban a pillanatban éri el vonzási csúcsát. Ezek a csúcsok összeadódnak, az eredmény pedig egy erős, rángatózó lökés, amelyet a szélnek minden lépésnél át kell törnie.
A ferde beépítés azt jelenti, hogy a mágneseket enyhe szögben szereljük a forgástengelyhez képest, így minden mágnes fokozatosan, nem pedig egyszerre találkozik egy állórészfoggal. A csúcsok többé nem esnek egybe — szétterülnek és részben kioltják egymást. A leadott összes nyomaték nem változik; ami eltűnik, az a hullámosság.
A TESUP pontosan ezért alkalmaz ferde mágnesbeépítést. A kisebb fogazati nyomaték alacsonyabb elszakadási küszöböt jelent, és éppen ez az alacsonyabb küszöb teszi lehetővé, hogy az Atlas magától elinduljon 2 m/s szélben a gyenge szélre való lapátkészlettel — nagyjából a szokásos vízszintes tengelyű turbina indulási sebességének harmada.
A ferde beépítés nem ingyenes: kissé csökkenti a maximális fluxuskapcsolást, tehát a ferde gép lemond némi csúcsteljesítményről a korábbi indulásért cserébe. Egy házi turbinánál, ahol a gyenge szél a megszokott állapot és a vihar a kivétel, ez a helyes csere.
Miért a szerszám dönti el a fogazati nyomatékot
A ferde beépítés csak akkor oltja ki a fogazati nyomatékot, ha minden mágnes pontosan ott ül, ahol a konstrukció előírja. A kioltás geometriai hatás: 24 mágnes, mindegyik pontos szöggel eltolva, hogy vonzási csúcsaik ne essenek egybe. Ha ezeknek a mágneseknek a fészkei rotoronként eltérnek, velük együtt változik a ferdeségi szög is — a csúcsok újra egy vonalba kerülnek, a fogazati nyomaték nő, és vele az a szélsebesség, amely a rotort kiszakítja.
Ezért a ±0,05 mm az összes forgácsolt alkatrészen nem hivalkodás egy adatlapon. Ez az a tűrés, amelyet a fizika megkövetel. A laza tűréssel készült rotor hordozhatja pontosan ugyanazokat a mágneseket, ugyanazt a póluszámot és ugyanazt a rezet — mégis később indul el.
Ezt a tűrést egyetlen prototípuson tartani egyszerű. Minden darabon tartani, éveken át, szerszámkérdés — ezért érkezett meg ez az üzemünkbe:
Egy ilyen sajtolószerszámot nem a sebességért vesz meg az ember, még ha gyorsabb is. A ismételhetőségért veszi meg. Az első rajta formázott rotor és a tízezredik ugyanabból az acélból, ugyanazok az oszlopok vezetésével, ugyanazokra a méretekre készül. Csak így jelent bármit is egy tűrésszám, amint sorozatban és nem darabonként gyártunk.
És azt is jelenti, hogy eggyel több alkatrész nem függ többé mások minőségellenőrzésétől. Európai üzemeink már több mint 270 komponenst állítanak elő házon belül — generátorokat, elektronikai kártyákat, lapátokat és szerelvényeket. Minden beérkező szerszám egy sorral hosszabbá teszi ezt a listát.
Miért használ egy körülbelül 1 kW-os turbina 15 kW-os motort?
Mert egy generátor névleges adata hőtani határ, nem termelési ígéret. A 15 kW tartós érték az, amit a gép korlátlan ideig kibír túlmelegedés nélkül, és három dolog szabja meg: a 200 °C-os osztályú zománcozott huzal szigetelése (IEC 60317-13 GR 2, ugyanaz a minőség, mint az ipari szervomotorokban és az elektromos hajtásláncokban), a 4 kg réztekercs mint hőtömeg, és a házon keresztüli passzív hűtés.
Az Atlas szokásos, nagyjából 1 kW-os leadásánál a motor tartós névleges teljesítményének kevesebb mint 7 %-án jár. Hidegen működik. A rézveszteség az áram négyzetével nő, tehát a határától messze járó gép nagyon keveset pazarol hő formájában — márpedig a hő az, ami a szigetelést öregíti, és végül véget vet egy motor életének.
A 22 kW csúcsérték a széllökésekre szolgáló rövid idejű túlterhelhetőség. Két fizikai határ szabja meg: az N42 mágnesek lemágnesezési küszöbe és az állórészvas telítődése.
Honnan származik valójában az energia
A szélben rendelkezésre álló teljesítmény az alábbit követi:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Ahol ρ a levegő sűrűsége, A a súrolt felület, V a szélsebesség, Cp a teljesítménytényező és η a villamos hatásfok. Az Atlas rotorja 1,035 m²-t söpör (1030 mm átmérő × 1005 mm magasság), jó szélben 0,28-as Cp-t ér el, és 92 %-os villamos hatásfokkal alakít át.
A meghatározó tag a V³. A szélsebesség köbön szerepel, tehát egy 30 %-kal szelesebb helyszín nagyjából kétszer annyi energiát ad, nem 30 %-kal többet. Ezért változtat az árbócmagasság és az elhelyezés többet az eredményen, mint ezen az oldalon bármelyik adat — és ezért kezdődik a „mennyit fogok kapni?” kérdésre adott őszinte válasz mindig a helyszínre vonatkozó kérdéssel, nem pedig egy számmal.
Teljes generátor-specifikáció
| Paraméter | Érték |
|---|---|
| Generátor típusa | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Mágnesek | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Mágnestérfogat | 24 magnets · 180 cm³ |
| Mágnesbeépítés | Skewed |
| Állórész | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Tekercselés | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Huzalszigetelés | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Megmunkálási tűrés | ±0.05 mm |
| Rotor | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Indulási szélsebesség | 2 m/s |
| Teljesítménytényező (Cp) | 0.28 |
| Villamos hatásfok | 92% |
| Motorteljesítmény | 15 kW / 22 kW |
Mit mond ez — és mit nem
A fenti minden érték a gép tulajdonsága, és a gép tulajdonságai azok, amelyeket mi kézben tartunk. A fogazati nyomaték, a póluszám, a mágnes minősége, a szigetelési osztály és a megmunkálási tűrés minden általunk szállított darabban azonos.
Az éves hozam nem. Az az Ön szelétől függ, és az Atlasra közölt hozam évi 180 és 2 900 kWh között mozog éppen azért, mert egy védett kertvárosi kert és egy nyílt tengerparti helyszín között ekkora a különbség. Adja meg a helyszínt és az árbócmagasságot, és realisztikus tartományt adunk a legjobb eset helyett.