Większość wyjaśnień na temat turbiny wiatrowej kończy się na łopatach. Ale łopaty decydują tylko o tym, ile energii jest dostępne — o tym, co się z nią stanie, decyduje prądnica, a konkretnie sposób ułożenia jej magnesów. Oto spojrzenie do wnętrza prądnicy z magnesami trwałymi, którą TESUP buduje do Atlasa i Magnuma, oraz na tę jedną właściwość, która przesądza, czy turbina kręci się przy słabym wietrze, czy po prostu stoi.
Czym jest prądnica z magnesami trwałymi?
Prądnica z magnesami trwałymi wytwarza prąd za pomocą stałych magnesów, a nie elektromagnesów, które trzeba najpierw wzbudzić. Ponieważ pole magnetyczne jest zawsze obecne, maszyna generuje już od pierwszego obrotu i nie potrzebuje ani prądu wzbudzenia, ani pierścieni ślizgowych, ani zasilania z zewnątrz, aby ruszyć.
Prądnica TESUP to 24-biegunowa maszyna z magnesami trwałymi z magnesami NdFeB N42 (neodym-żelazo-bor), każdy 60 × 25 × 5 mm, niklowany, o kształcie bochenka. Jest ich 24, łącznie 180 cm³ magnesu, obracających się w stojanie 16 cm × 12 cm.
Dlaczego 24 bieguny i dlaczego bez przekładni?
Liczba biegunów ustala zależność między prędkością obrotową a częstotliwością wyjściową. Prądnica o małej liczbie biegunów musi kręcić się szybko, żeby była użyteczna — dlatego w wielu turbinach między wirnikiem a prądnicą siedzi przekładnia. Jest to zarazem podzespół, który psuje się najczęściej, wymaga wymian oleju i hałasuje.
Dwadzieścia cztery bieguny dają użyteczne napięcie już przy niskich obrotach, więc wirnik może napędzać prądnicę bezpośrednio. Brak przekładni oznacza brak oleju przekładniowego, brak zużycia kół zębatych i o jedną rzecz mniej, która może się zatrzeć na dachu w lutym.
Czym jest moment zaczepowy?
Moment zaczepowy to opór, który czuć przy ręcznym obracaniu silnika z magnesami trwałymi — ten skokowy, „zębaty” opór, jakby wał chciał ustawić się w stałych położeniach. Bierze się z przyciągania magnesów do stalowych zębów stojana. Każdy ząb jest preferowanym położeniem spoczynkowym, z którego wirnik trzeba wypchnąć.
W wentylatorze czy elektronarzędziu to drobna niedogodność. W małej turbinie wiatrowej jest to główna przeszkoda dla pracy przy słabym wietrze, bo moment zaczepowy to stały próg, który wiatr musi pokonać, zanim cokolwiek ruszy. Poniżej niego produkcja nie jest mała — jest zerowa.
Dlatego prędkość startowa liczy się w turbinie domowej znacznie bardziej niż moc znamionowa. Moc znamionowa opisuje wietrzny dzień. Prędkość startowa opisuje wszystkie pozostałe.
Jak skos magnesów zmniejsza moment zaczepowy?
Jeśli każdy magnes leży dokładnie równolegle do zębów stojana, wszystkie 24 bieguny osiągają szczyt przyciągania w tej samej chwili. Te szczyty sumują się, a wynikiem jest silny, skokowy impuls, przez który wiatr musi się przebić na każdym kroku.
Skos oznacza montaż magnesów pod lekkim kątem do osi obrotu, tak by każdy magnes wchodził na ząb stojana stopniowo, a nie naraz. Szczyty przestają się pokrywać — rozkładają się i częściowo znoszą. Całkowity moment się nie zmienia; znika tętnienie.
TESUP stosuje skośny montaż magnesów właśnie z tego powodu. Mniejszy moment zaczepowy to niższy próg zerwania, a właśnie ten niższy próg pozwala Atlasowi ruszyć samodzielnie przy 2 m/s z zestawem łopat na słaby wiatr — mniej więcej jedna trzecia prędkości startowej typowej turbiny o osi poziomej.
Skos nie jest darmowy: nieznacznie obniża maksymalny strumień skojarzony, więc maszyna ze skosem oddaje trochę mocy szczytowej w zamian za wcześniejszy start. Dla turbiny domowej, gdzie słaby wiatr jest normą, a wichura wyjątkiem, to właściwy kompromis.
Dlaczego to oprzyrządowanie decyduje o momencie zaczepowym
Skos znosi moment zaczepowy tylko wtedy, gdy każdy magnes siedzi dokładnie tam, gdzie przewiduje konstrukcja. Znoszenie jest efektem geometrycznym: 24 magnesy, każdy przesunięty o precyzyjny kąt, tak aby szczyty przyciągania nie pokrywały się w czasie. Jeśli gniazda tych magnesów różnią się między wirnikami, kąt skosu zmienia się razem z nimi — szczyty znów się nakładają, moment zaczepowy rośnie, a wraz z nim prędkość wiatru potrzebna do zerwania wirnika.
Dlatego ±0,05 mm na wszystkich elementach obrabianych to nie przechwałka z karty katalogowej. To tolerancja, której wymaga fizyka. Wirnik wykonany z luźnymi tolerancjami może mieć dokładnie te same magnesy, tę samą liczbę biegunów i tę samą miedź — i mimo to ruszać później.
Utrzymanie takiej tolerancji na jednym prototypie jest proste. Utrzymanie jej na każdym egzemplarzu, przez lata, to problem oprzyrządowania — dlatego do naszej fabryki trafiło to:
Takiego narzędzia tłocznego nie kupuje się dla szybkości, choć jest szybsze. Kupuje się je dla powtarzalności. Pierwszy uformowany na nim wirnik i dziesięciotysięczny wychodzą z tej samej stali, prowadzone przez te same słupy, w tych samych wymiarach. Tylko tak liczba tolerancji cokolwiek znaczy, gdy produkuje się seryjnie, a nie sztuka po sztuce.
To także jeden podzespół więcej, który nie zależy już od cudzej kontroli jakości. Nasze europejskie zakłady wytwarzają już ponad 270 komponentów we własnym zakresie — prądnice, płytki elektroniki, łopaty i osprzęt montażowy. Każde przybywające narzędzie wydłuża tę listę o jedną pozycję.
Dlaczego turbina o mocy około 1 kW używa silnika 15 kW?
Ponieważ wartość znamionowa prądnicy to granica cieplna, a nie obietnica produkcji. 15 kW w pracy ciągłej to tyle, ile maszyna wytrzyma bez końca bez przegrzania, a wyznaczają to trzy rzeczy: izolacja drutu emaliowanego klasy 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, ta sama klasa co w serwosilnikach przemysłowych i układach napędowych samochodów elektrycznych), 4 kg uzwojenia miedzianego jako masa cieplna oraz chłodzenie pasywne przez obudowę.
Przy typowej mocy Atlasa około 1 kW silnik pracuje na mniej niż 7 % swojej mocy ciągłej. Pracuje na zimno. Straty w miedzi rosną z kwadratem prądu, więc maszyna daleko poniżej swojej granicy traci bardzo mało w postaci ciepła — a to ciepło starzeje izolację i ostatecznie kończy życie silnika.
Wartość szczytowa 22 kW to krótkotrwała zdolność przeciążeniowa na podmuchy. Ogranicza ją fizyka: próg rozmagnesowania magnesów N42 oraz nasycenie żelaza stojana.
Skąd naprawdę bierze się energia
Moc dostępna w wietrze wynika ze wzoru:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Gdzie ρ to gęstość powietrza, A powierzchnia zataczana, V prędkość wiatru, Cp współczynnik mocy, a η sprawność elektryczna. Wirnik Atlasa zatacza 1,035 m² (średnica 1030 mm × wysokość 1005 mm), osiąga Cp na poziomie 0,28 przy dobrym wietrze i przetwarza ze sprawnością elektryczną 92 %.
Dominującym członem jest V³. Prędkość wiatru występuje w trzeciej potędze, więc lokalizacja z 30 % większym wiatrem daje mniej więcej dwa razy więcej energii, a nie 30 % więcej. Dlatego wysokość masztu i usytuowanie zmieniają wynik bardziej niż jakakolwiek dana z tej strony — i dlatego uczciwa odpowiedź na pytanie „ile uzyskam?” zawsze zaczyna się od pytania o Twoją lokalizację, a nie od liczby.
Pełna specyfikacja prądnicy
| Parametr | Wartość |
|---|---|
| Typ prądnicy | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Magnesy | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Objętość magnesu | 24 magnets · 180 cm³ |
| Montaż magnesów | Skewed |
| Stojan | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Uzwojenie | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Izolacja drutu | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Tolerancja obróbki | ±0.05 mm |
| Wirnik | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Prędkość startowa | 2 m/s |
| Współczynnik mocy (Cp) | 0.28 |
| Sprawność elektryczna | 92% |
| Moc silnika | 15 kW / 22 kW |
Co to mówi, a czego nie mówi
Każda liczba powyżej jest właściwością maszyny, a właściwości maszyny to ta część, którą kontrolujemy. Moment zaczepowy, liczba biegunów, klasa magnesu, klasa izolacji i tolerancja obróbki są takie same w każdym wysyłanym egzemplarzu.
Roczny uzysk już nie. Zależy od Twojego wiatru, a publikowany uzysk Atlasa mieści się w przedziale 180–2 900 kWh rocznie właśnie dlatego, że różnica między osłoniętym ogrodem na przedmieściach a otwartą lokalizacją nadmorską jest aż tak duża. Podaj nam lokalizację i wysokość masztu, a damy realistyczny przedział zamiast najlepszego przypadku.