De fleste forklaringer av en vindturbin stopper ved bladene. Men bladene avgjør bare hvor mye energi som er tilgjengelig — hva som skjer med den, avgjøres av generatoren, og nærmere bestemt av hvordan magnetene er plassert. Her er et blikk inn i permanentmagnetgeneratoren TESUP bygger til Atlas og Magnum, og på den ene egenskapen som avgjør om en turbin går rundt i svak vind eller bare står stille.
Hva er en permanentmagnetgenerator?
En permanentmagnetgenerator produserer strøm med faste magneter i stedet for elektromagneter som først må magnetiseres. Fordi magnetfeltet alltid er der, genererer maskinen fra første omdreining og trenger verken magnetiseringsstrøm, sleperinger eller ekstern energi for å komme i gang.
TESUPs generator er en 24-polet permanentmagnetmaskin med NdFeB N42-magneter (neodym-jern-bor), hver på 60 × 25 × 5 mm, forniklet og kuppelformet. Det er 24 av dem, til sammen 180 cm³ magnet, som roterer i en stator på 16 cm × 12 cm.
Hvorfor 24 poler, og hvorfor ingen girkasse?
Antall poler bestemmer forholdet mellom turtall og utgangsfrekvens. En generator med få poler må gå fort for å være nyttig, og derfor sitter det en girkasse mellom rotor og generator på mange turbiner. Girkassen er samtidig den komponenten som oftest svikter, den som krever oljeskift, og den som lager støy.
Tjuefire poler gir brukbar spenning allerede ved lavt turtall, så rotoren kan drive generatoren direkte. Ingen girkasse betyr ingen girolje, ingen tannhjulsslitasje og én ting mindre som kan sette seg fast på et tak i februar.
Hva er cogging-moment?
Cogging-moment er motstanden du kjenner når du dreier en permanentmagnetmotor for hånd — den hakkete, trinnvise tregheten, som om akselen vil legge seg i faste posisjoner. Det skyldes at magnetene trekkes mot statorens ståltenner. Hver tann er en foretrukket hvileposition som rotoren må dyttes ut av.
I en vifte eller et elektroverktøy er cogging en bagatell. I en liten vindturbin er det den største hindringen for ytelse i svak vind, fordi cogging-momentet er en fast terskel vinden må overvinne før noe som helst går rundt. Under den er produksjonen ikke liten — den er null.
Derfor betyr startvindhastigheten langt mer enn merkeeffekten for en husstandsturbin. Merkeeffekten beskriver en vindfull dag. Startvindhastigheten beskriver alle de andre.
Hvordan reduserer skråstilte magneter cogging-momentet?
Hvis hver magnet ligger nøyaktig parallelt med statortennene, når alle 24 poler sin trekktopp i samme øyeblikk. Toppene legges sammen, og resultatet er en kraftig, hakkete puls som vinden må bryte gjennom ved hvert steg.
Skråstilling betyr å montere magnetene i en liten vinkel i forhold til rotasjonsaksen, slik at hver magnet møter en statortann gradvis i stedet for på én gang. Toppene faller ikke lenger sammen — de spres og opphever hverandre delvis. Det totale momentet er uendret; det som forsvinner er rippelen.
TESUP bruker skråstilt magnetmontering nettopp derfor. Mindre cogging-moment gir en lavere løsrivningsterskel, og det er den lavere terskelen som lar Atlas starte av seg selv ved 2 m/s med bladsettet for svak vind — omtrent en tredjedel av startvindhastigheten til en typisk turbin med horisontal aksel.
Skråstilling er ikke gratis: den senker maksimal fluxkobling litt, så en skråstilt maskin gir fra seg litt toppeffekt i bytte mot tidligere start. For en husstandsturbin, der svak vind er det vanlige og storm er unntaket, er det den riktige byttehandelen.
Hvorfor verktøyet avgjør cogging-momentet
Skråstilling opphever bare cogging-momentet hvis hver magnet sitter nøyaktig der konstruksjonen sier. Opphevelsen er en geometrisk effekt: 24 magneter, hver forskjøvet med en presis vinkel, slik at trekktoppene faller ut av fase. Varierer magnetsetene fra rotor til rotor, varierer skråvinkelen med dem — toppene faller i fase igjen, cogging-momentet stiger, og med det vindhastigheten som må til for å rive rotoren løs.
Derfor er ±0,05 mm på alle maskinerte komponenter ikke skryt på et datablad. Det er toleransen fysikken krever. En rotor med romslige toleranser kan bære nøyaktig de samme magnetene, samme polantall og samme kobber — og likevel starte senere.
Å holde den toleransen på én prototyp er enkelt. Å holde den på hver eneste enhet, i årevis, er et verktøyspørsmål — derfor kom dette til fabrikken vår:
Et presseverktøy som dette kjøper man ikke for hastigheten, selv om det er raskere. Man kjøper det for repeterbarheten. Den første rotoren formet på det og den titusende kommer ut av det samme stålet, styrt av de samme søylene, i de samme målene. Bare slik betyr et toleransetall noe når man bygger i serie i stedet for ett om gangen.
Det betyr også én komponent til som ikke lenger avhenger av andres kvalitetskontroll. Våre europeiske anlegg produserer allerede over 270 komponenter internt — generatorer, elektronikkort, blader og monteringsdeler. Hvert verktøy som lander, gjør listen én linje lengre.
Hvorfor bruker en turbin på rundt 1 kW en motor på 15 kW?
Fordi en generators merkedata er en termisk grense, ikke et løfte om produksjon. De 15 kW kontinuerlig er hva maskinen tåler ubegrenset uten å overopphetes, og det settes av tre ting: lakktrådisolasjonen i klasse 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, samme klasse som i industrielle servomotorer og elektriske drivlinjer), de 4 kg kobberviklinger som termisk masse, og passiv kjøling gjennom huset.
Ved Atlas' typiske ytelse rundt 1 kW går motoren på under 7 % av sin kontinuerlige merkeeffekt. Den går kald. Kobbertap vokser med kvadratet av strømmen, så en maskin langt under grensen sin sløser svært lite som varme — og det er varmen som eldes isolasjonen og til slutt avslutter en motors liv.
Toppverdien på 22 kW er den kortvarige overbelastningsevnen for vindkast. Den avgrenses av to fysiske grenser: avmagnetiseringsterskelen til N42-magnetene og metning i statorjernet.
Hvor energien faktisk kommer fra
Tilgjengelig effekt i vinden følger:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Der ρ er luftens tetthet, A sveipet areal, V vindhastigheten, Cp effektkoeffisienten og η elektrisk virkningsgrad. Atlas-rotoren sveiper 1,035 m² (1030 mm diameter × 1005 mm høyde), når en Cp på 0,28 i god vind og omformer med 92 % elektrisk virkningsgrad.
Det dominerende leddet er V³. Vindhastigheten er i tredje potens, så et sted med 30 % mer vind gir omtrent dobbelt så mye energi, ikke 30 % mer. Derfor endrer masthøyde og plassering resultatet mer enn noen spesifikasjon på denne siden — og derfor begynner et ærlig svar på «hvor mye får jeg?» alltid med et spørsmål om stedet ditt i stedet for et tall.
Full generatorspesifikasjon
| Parameter | Verdi |
|---|---|
| Generatortype | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Magneter | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Magnetvolum | 24 magnets · 180 cm³ |
| Magnetmontering | Skewed |
| Stator | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Vikling | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Trådisolasjon | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Bearbeidingstoleranse | ±0.05 mm |
| Rotor | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Startvindhastighet | 2 m/s |
| Effektkoeffisient (Cp) | 0.28 |
| Elektrisk virkningsgrad | 92% |
| Motoreffekt | 15 kW / 22 kW |
Hva dette sier — og ikke sier
Hvert tall ovenfor er en egenskap ved maskinen, og maskinens egenskaper er den delen vi styrer. Cogging-moment, polantall, magnetkvalitet, isolasjonsklasse og bearbeidingstoleranse er like i hver eneste enhet vi sender.
Årsproduksjonen er det ikke. Den avhenger av vinden din, og den publiserte produksjonen for Atlas spenner fra 180 til 2 900 kWh per år nettopp fordi forskjellen mellom en skjermet hage i et boligfelt og en åpen kystplassering er så stor. Si fra om sted og masthøyde, så gir vi deg et realistisk intervall i stedet for et beste tilfelle.