Већина објашњења о ветротурбини завршава се на лопатицама. Али лопатице одлучују само колико је енергије доступно — шта ће се с њом десити, одлучује генератор, тачније распоред његових магнета. Ово је поглед у генератор са трајним магнетима који TESUP прави за Atlas и Magnum, и на ту једну особину која одлучује да ли се турбина на слабом ветру окреће или једноставно стоји.
Шта је генератор са трајним магнетима?
Генератор са трајним магнетима производи струју помоћу сталних магнета уместо електромагнета које прво треба побудити. Пошто је магнетно поље увек присутно, машина производи од првог обртаја и не тражи ни побудну струју, ни клизне прстенове, ни спољну енергију да би кренула.
TESUP генератор је машина са трајним магнетима са 24 пола са магнетима NdFeB N42 (неодијум-гвожђе-бор), сваки 60 × 25 × 5 mm, никловани, хлепчастог облика. Има их 24, укупно 180 cm³ магнета, и окрећу се у статору 16 cm × 12 cm.
Зашто 24 пола и зашто без мењача?
Број полова одређује однос између броја обртаја и излазне учестаности. Генератор са мало полова мора да се окреће брзо да би био употребљив — зато код многих турбина између ротора и генератора стоји мењач. То је уједно део који се најчешће квари, који тражи замене уља и који прави буку.
Двадесет четири пола дају употребљив напон већ при ниским обртајима, па ротор може да покреће генератор директно. Без мењача нема уља, нема хабања зупчаника и има једна ствар мање која може да се заглави на крову у фебруару.
Шта је момент запињања?
Момент запињања је отпор који осетите када руком окрећете мотор са трајним магнетима — тај трзајући, степенасти отпор, као да вратило хоће да се смести у одређене положаје. Настаје привлачењем магнета ка челичним зупцима статора. Сваки зубац је омиљени положај мировања из кога ротор треба извући.
Код вентилатора или електричног алата то је ситна непријатност. Код мале ветротурбине то је највећа препрека раду на слабом ветру, јер је момент запињања фиксни праг који ветар мора да савлада пре него што се ишта покрене. Испод њега производња није мала — једнака је нули.
Зато код кућне турбине почетна брзина ветра значи много више од номиналне снаге. Номинална снага описује ветровит дан. Почетна брзина описује све остале.
Како закошење магнета смањује момент запињања?
Ако сваки магнет лежи тачно паралелно са зупцима статора, свих 24 пола достижу врхунац привлачења у истом тренутку. Ти врхунци се сабирају и резултат је снажан, трзајући импулс који ветар мора да пробије при сваком кораку.
Закошење значи уградњу магнета под благим углом у односу на осу обртања, тако да сваки магнет наилази на зубац постепено, а не одједном. Врхунци се више не поклапају — распоређују се и делимично поништавају. Укупни момент остаје исти; нестаје таласање.
TESUP користи закошену уградњу магнета управо због тога. Мањи момент запињања значи нижи праг откидања, а управо тај нижи праг омогућава Atlas-у да сам крене на 2 m/s са комплетом лопатица за слаб ветар — отприлике трећина почетне брзине уобичајене турбине са хоризонталном осом.
Закошење није бесплатно: незнатно смањује највећи спрегнути флукс, па закошена машина уступа нешто вршне снаге у замену за ранији полазак. За кућну турбину, где је слаб ветар уобичајено стање а олуја изузетак, то је исправна размена.
Зашто о моменту запињања одлучује алат
Закошење поништава момент запињања само ако сваки магнет седи тачно тамо где конструкција предвиђа. Поништавање је геометријски ефекат: 24 магнета, сваки померен за прецизан угао, да им врхунци привлачења не падну заједно. Ако се лежишта тих магнета разликују од ротора до ротора, мења се и угао закошења — врхунци се поново поравнају, момент запињања расте, а с њим и брзина ветра потребна да откине ротор.
Зато ±0,05 mm на свим машински обрађеним деловима није хвалисање на техничком листу. То је толеранција коју захтева физика. Ротор са лабавим толеранцијама може носити потпуно исте магнете, исти број полова и исти бакар — и ипак кренути касније.
Одржати ту толеранцију на једном прототипу је једноставно. Одржати је на сваком примерку, годинама, питање је алата — зато је у нашу фабрику стигло ово:
Овакав пресни алат не купује се због брзине, иако јесте бржи. Купује се због поновљивости. Први ротор обликован на њему и десетхиљадити излазе из истог челика, вођени истим вођицама, у истим мерама. Само тако број толеранције уопште нешто значи када се производи серијски, а не комад по комад.
То значи и један део више који више не зависи од туђе контроле квалитета. Наши европски погони већ производе преко 270 компоненти сопственим снагама — генераторе, електронске плоче, лопатице и монтажни материјал. Сваки алат који стигне продужава тај списак за једну ставку.
Зашто турбина од око 1 kW користи мотор од 15 kW?
Зато што је номинални податак генератора топлотна граница, а не обећање производње. Тих 15 kW трајно је оно што машина може да издржи неограничено без прегревања, а одређују га три ствари: изолација емајлиране жице класе 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, иста класа као код индустријских серво мотора и погона електричних возила), 4 kg бакарног намотаја као топлотна маса и пасивно хлађење кроз кућиште.
При уобичајеној снази Atlas-а од око 1 kW мотор ради на мање од 7 % своје трајне номиналне снаге. Ради хладан. Губици у бакру расту са квадратом струје, па машина далеко испод своје границе троши веома мало на топлоту — а управо топлота стари изолацију и на крају окончава век мотора.
Вршних 22 kW је краткотрајна преоптеретљивост за ударе ветра. Ограничавају је две физичке границе: праг размагнетисања магнета N42 и засићење статорског гвожђа.
Одакле енергија заиста долази
Снага доступна у ветру прати израз:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Где је ρ густина ваздуха, A пометена површина, V брзина ветра, Cp коефицијент снаге и η електрични степен корисности. Ротор Atlas помете 1,035 m² (пречник 1030 mm × висина 1005 mm), при добром ветру достиже Cp од 0,28 и претвара са 92 % електричног степена корисности.
Доминантан члан је V³. Брзина ветра је на трећи степен, па локација са 30 % више ветра даје отприлике двоструко више енергије, а не 30 % више. Зато висина стуба и положај мењају резултат више од било ког податка на овој страници — и зато поштен одговор на питање „колико ћу добити?“ увек почиње питањем о вашој локацији, а не бројем.
Потпуна спецификација генератора
| Параметар | Вредност |
|---|---|
| Тип генератора | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Магнети | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Запремина магнета | 24 magnets · 180 cm³ |
| Уградња магнета | Skewed |
| Статор | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Намотај | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Изолација жице | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Толеранција обраде | ±0.05 mm |
| Ротор | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Почетна брзина ветра | 2 m/s |
| Коефицијент снаге (Cp) | 0.28 |
| Електрични степен корисности | 92% |
| Снага мотора | 15 kW / 22 kW |
Шта ово говори — а шта не
Сваки број изнад је особина машине, а особине машине су онај део који ми контролишемо. Момент запињања, број полова, класа магнета, класа изолације и толеранција обраде исти су у сваком примерку који испоручујемо.
Годишњи принос није. Он зависи од вашег ветра, а објављени принос Atlas-а креће се од 180 до 2.900 kWh годишње управо зато што је разлика између заклоњеног приградског дворишта и отворене приморске локације толика. Јавите нам локацију и висину стуба и даћемо вам реалан распон уместо најбољег случаја.