Večina razlag o vetrni turbini se konča pri lopaticah. Toda lopatice odločajo le o tem, koliko energije je na voljo — kaj se z njo zgodi, odloča generator, natančneje razporeditev njegovih magnetov. To je pogled v generator s trajnimi magneti, ki ga TESUP gradi za Atlas in Magnum, in na tisto eno lastnost, ki odloči, ali se turbina v šibkem vetru vrti ali preprosto stoji.
Kaj je generator s trajnimi magneti?
Generator s trajnimi magneti proizvaja elektriko s stalnimi magneti namesto z elektromagneti, ki jih je treba najprej vzbuditi. Ker je magnetno polje vedno prisotno, stroj proizvaja že od prvega vrtljaja in ne potrebuje ne vzbujalnega toka, ne drsnih obročev, ne zunanje energije za zagon.
Generator TESUP je 24-polni stroj s trajnimi magneti z magneti NdFeB N42 (neodim-železo-bor), vsak 60 × 25 × 5 mm, poniklan in hlebčaste oblike. Je jih 24, skupno 180 cm³ magneta, ki se vrtijo v statorju 16 cm × 12 cm.
Zakaj 24 polov in zakaj brez gonila?
Število polov določa razmerje med vrtljaji in izhodno frekvenco. Generator z malo poli se mora vrteti hitro, da je uporaben — zato je pri številnih turbinah med rotorjem in generatorjem gonilo. Hkrati je to del, ki se najpogosteje pokvari, ki zahteva menjave olja in ki povzroča hrup.
Štiriindvajset polov daje uporabno napetost že pri nizkih vrtljajih, zato lahko rotor poganja generator neposredno. Brez gonila ni olja, ni obrabe zobnikov in je ena stvar manj, ki se februarja na strehi lahko zatakne.
Kaj je zobni moment?
Zobni moment je upor, ki ga začutite, ko z roko zavrtite motor s trajnimi magneti — tisti sunkovit, stopničast odpor, kot bi se gred hotela ustaliti v določenih legah. Nastane zaradi privlačevanja magnetov k jeklenim zobem statorja. Vsak zob je priljubljena mirovna lega, iz katere je treba rotor potisniti.
Pri ventilatorju ali električnem orodju je to majhna nadloga. Pri majhni vetrni turbini je to največja ovira za delovanje v šibkem vetru, saj je zobni moment fiksen prag, ki ga mora veter premagati, preden se sploh kaj zavrti. Pod njim proizvodnja ni majhna — je nič.
Zato pri domači turbini zagonska hitrost vetra šteje veliko več kot nazivna moč. Nazivna moč opisuje vetroven dan. Zagonska hitrost opisuje vse ostale.
Kako poševna vgradnja magnetov zmanjša zobni moment?
Če je vsak magnet natanko vzporeden z zobmi statorja, vseh 24 polov doseže vrh privlaka v istem trenutku. Ti vrhovi se seštejejo, rezultat pa je močan, sunkovit impulz, ki ga mora veter prebiti ob vsakem koraku.
Poševna vgradnja pomeni namestitev magnetov pod rahlim kotom glede na os vrtenja, tako da vsak magnet zajame zob statorja postopoma in ne naenkrat. Vrhovi se ne prekrivajo več — razporedijo se in se delno izničijo. Skupni moment ostane enak; izgine valovitost.
TESUP uporablja poševno vgradnjo magnetov prav zaradi tega. Manjši zobni moment pomeni nižji prag odtrganja, in prav ta nižji prag omogoča Atlasu, da se sam zažene pri 2 m/s s kompletom lopatic za šibek veter — približno tretjina zagonske hitrosti običajne turbine z vodoravno osjo.
Poševna vgradnja ni zastonj: rahlo zmanjša največji sklenjeni pretok, zato poševni stroj odstopi nekaj vršne moči v zameno za zgodnejši zagon. Za domačo turbino, kjer je šibek veter običajno stanje in nevihta izjema, je to prava zamenjava.
Zakaj o zobnem momentu odloča orodje
Poševna vgradnja izniči zobni moment le, če vsak magnet sedi natanko tam, kjer predvideva konstrukcija. Izničenje je geometrijski učinek: 24 magnetov, vsak zamaknjen za natančen kot, da njihovi vrhovi privlaka ne padejo skupaj. Če se ležišča teh magnetov razlikujejo od rotorja do rotorja, se z njimi spreminja kot poševnosti — vrhovi se spet poravnajo, zobni moment naraste in z njim hitrost vetra, potrebna za odtrganje rotorja.
Zato ±0,05 mm pri vseh strojno obdelanih delih ni bahanje na podatkovnem listu. To je toleranca, ki jo zahteva fizika. Rotor z ohlapnimi tolerancami lahko nosi popolnoma enake magnete, enako število polov in enak baker — pa se bo vseeno zagnal pozneje.
Doseči to toleranco na enem prototipu je preprosto. Doseči jo na vsaki enoti, leta in leta, je vprašanje orodja — zato je v naš obrat prispelo tole:
Takšnega stiskalnega orodja se ne kupi zaradi hitrosti, čeprav je hitrejše. Kupi se ga zaradi ponovljivosti. Prvi rotor, oblikovan na njem, in desettisoči prideta iz istega jekla, vodena po istih stebrih, v istih merah. Le tako številka tolerance sploh kaj pomeni, ko se izdeluje serijsko in ne kos za kosom.
Pomeni tudi en sestavni del več, ki ni več odvisen od tuje kontrole kakovosti. Naši evropski obrati že izdelujejo več kot 270 komponent sami — generatorje, elektronske plošče, lopatice in montažni material. Vsako orodje, ki prispe, podaljša ta seznam za eno postavko.
Zakaj ima turbina z močjo okoli 1 kW motor 15 kW?
Ker je nazivna vrednost generatorja toplotna meja, ne obljuba proizvodnje. Teh 15 kW trajno je tisto, kar stroj zdrži neomejeno brez pregrevanja, določajo pa jo tri stvari: izolacija emajlirane žice razreda 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, isti razred kot pri industrijskih servomotorjih in pogonih električnih vozil), 4 kg bakrenega navitja kot toplotna masa in pasivno hlajenje skozi ohišje.
Pri običajni moči Atlasa okoli 1 kW motor deluje pri manj kot 7 % svoje trajne nazivne moči. Deluje hladno. Izgube v bakru rastejo s kvadratom toka, zato stroj daleč pod svojo mejo zapravi zelo malo toplote — in prav toplota stara izolacijo in na koncu konča življenje motorja.
Vršnih 22 kW je kratkotrajna preobremenitvena zmogljivost za sunke. Omejujeta jo dve fizikalni meji: prag razmagnetenja magnetov N42 in nasičenje statorskega železa.
Od kod energija v resnici prihaja
Moč, ki je na voljo v vetru, sledi izrazu:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Kjer je ρ gostota zraka, A pometena površina, V hitrost vetra, Cp koeficient moči in η električni izkoristek. Rotor Atlas pomete 1,035 m² (premer 1030 mm × višina 1005 mm), pri dobrem vetru doseže Cp 0,28 in pretvarja z 92 % električnim izkoristkom.
Prevladujoči člen je V³. Hitrost vetra je na tretjo potenco, zato lokacija s 30 % več vetra da približno dvakrat toliko energije, ne 30 % več. Zato višina droga in umestitev spremenita rezultat bolj kot katerikoli podatek na tej strani — in zato se pošten odgovor na vprašanje »koliko bom dobil?« vedno začne z vprašanjem o vaši lokaciji, ne s številko.
Celotna specifikacija generatorja
| Parameter | Vrednost |
|---|---|
| Tip generatorja | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Magneti | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Prostornina magneta | 24 magnets · 180 cm³ |
| Vgradnja magnetov | Skewed |
| Stator | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Navitje | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Izolacija žice | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Toleranca obdelave | ±0.05 mm |
| Rotor | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Zagonska hitrost | 2 m/s |
| Koeficient moči (Cp) | 0.28 |
| Električni izkoristek | 92% |
| Moč motorja | 15 kW / 22 kW |
Kaj to pove — in česa ne
Vsaka številka zgoraj je lastnost stroja, lastnosti stroja pa so tisti del, ki ga obvladujemo mi. Zobni moment, število polov, kakovost magneta, izolacijski razred in toleranca obdelave so enaki v vsaki enoti, ki jo pošljemo.
Letni donos ni. Ta je odvisen od vašega vetra, objavljeni donos Atlasa pa sega od 180 do 2.900 kWh na leto prav zato, ker je razlika med zavarovanim primestnim vrtom in izpostavljeno obalno lokacijo tolikšna. Sporočite nam lokacijo in višino droga, pa vam bomo dali realen razpon namesto najboljšega primera.