Väčšina výkladov o veternej turbíne sa končí pri lopatkách. Lenže lopatky rozhodujú len o tom, koľko energie je k dispozícii — čo sa s ňou stane, rozhoduje generátor, a konkrétne to, ako sú usporiadané jeho magnety. Toto je pohľad dovnútra generátora s permanentnými magnetmi, ktorý TESUP stavia pre Atlas a Magnum, a na tú jednu vlastnosť, ktorá rozhoduje, či sa turbína v slabom vetre točí, alebo jednoducho stojí.
Čo je generátor s permanentnými magnetmi?
Generátor s permanentnými magnetmi vyrába elektrinu pomocou pevných magnetov namiesto elektromagnetov, ktoré treba najprv nabudiť. Keďže magnetické pole je prítomné vždy, stroj vyrába od prvej otáčky a nepotrebuje budiaci prúd, krúžky ani vonkajšiu energiu na rozbeh.
Generátor TESUP je 24-pólový stroj s permanentnými magnetmi s magnetmi NdFeB N42 (neodým-železo-bór), každý 60 × 25 × 5 mm, poniklovaný, bochníkového tvaru. Je ich 24, spolu 180 cm³ magnetu, a otáčajú sa v statore 16 cm × 12 cm.
Prečo 24 pólov a prečo bez prevodovky?
Počet pólov určuje vzťah medzi otáčkami a výstupnou frekvenciou. Generátor s málo pólmi sa musí točiť rýchlo, aby bol použiteľný — preto je pri mnohých turbínach medzi rotorom a generátorom prevodovka. Zároveň je to diel, ktorý sa najčastejšie pokazí, ktorý si vyžaduje výmeny oleja a ktorý robí hluk.
Dvadsaťštyri pólov dáva použiteľné napätie už pri nízkych otáčkach, takže rotor môže poháňať generátor priamo. Žiadna prevodovka znamená žiadny prevodový olej, žiadne opotrebenie ozubenia a o jednu vec menej, ktorá sa vo februári na streche zadrie.
Čo je zubový moment?
Zubový moment je odpor, ktorý pocítite pri ručnom otáčaní motora s permanentnými magnetmi — ten trhaný, skokový odpor, akoby sa hriadeľ chcel usadiť do pevných polôh. Vzniká priťahovaním magnetov k oceľovým zubom statora. Každý zub je obľúbená pokojová poloha, z ktorej treba rotor vytlačiť.
Pri ventilátore alebo elektrickom náradí je to drobná nepríjemnosť. Pri malej veternej turbíne je to najväčšia prekážka výkonu v slabom vetre, pretože zubový moment je pevný prah, ktorý musí vietor prekonať, než sa vôbec niečo pohne. Pod ním nie je výroba malá — je nulová.
Preto pri domácej turbíne znamená rozbehová rýchlosť vetra oveľa viac než menovitý výkon. Menovitý výkon opisuje veterný deň. Rozbehová rýchlosť opisuje všetky ostatné.
Ako šikmé uloženie magnetov znižuje zubový moment?
Ak každý magnet leží presne rovnobežne so zubmi statora, dosiahne všetkých 24 pólov vrchol príťažlivosti v rovnakom okamihu. Tieto vrcholy sa sčítajú a výsledkom je silný, trhaný ráz, ktorý musí vietor pri každom kroku preraziť.
Šikmé uloženie znamená namontovať magnety pod miernym uhlom k osi otáčania, aby každý magnet nabiehal na zub statora postupne, a nie naraz. Vrcholy sa už neprekrývajú — rozprestrú sa a čiastočne sa vyrušia. Celkový moment sa nemení; mizne zvlnenie.
TESUP používa šikmé uloženie magnetov práve z tohto dôvodu. Nižší zubový moment znamená nižší prah odtrhnutia, a práve ten nižší prah umožňuje Atlasu rozbehnúť sa sám pri 2 m/s so sadou lopatiek pre slabý vietor — zhruba tretina rozbehovej rýchlosti bežnej turbíny s vodorovnou osou.
Šikmé uloženie nie je zadarmo: mierne znižuje maximálny spriahnutý tok, takže šikmý stroj obetuje trochu špičkového výkonu výmenou za skorší rozbeh. Pri domácej turbíne, kde je slabý vietor bežný stav a víchrica výnimka, je to správna výmena.
Prečo o zubovom momente rozhoduje náradie
Šikmé uloženie vyruší zubový moment len vtedy, ak každý magnet sedí presne tam, kde to konštrukcia predpisuje. Vyrušenie je geometrický jav: 24 magnetov, každý posunutý o presný uhol, aby ich vrcholy príťažlivosti nepadli do rovnakého okamihu. Keď sa lôžka týchto magnetov líšia rotor od rotora, mení sa s nimi aj uhol zošikmenia — vrcholy sa opäť zrovnajú, zubový moment rastie a s ním aj rýchlosť vetra potrebná na odtrhnutie rotora.
Preto ±0,05 mm naprieč všetkými obrábanými dielmi nie je chvastanie v katalógovom liste. Je to tolerancia, ktorú vyžaduje fyzika. Rotor s voľnými toleranciami môže niesť presne rovnaké magnety, rovnaký počet pólov aj rovnakú meď — a napriek tomu sa rozbehne neskôr.
Udržať túto toleranciu na jednom prototype je jednoduché. Udržať ju na každom kuse celé roky je otázka náradia — preto do nášho závodu dorazilo toto:
Takýto lisovací nástroj sa nekupuje pre rýchlosť, hoci je rýchlejší. Kupuje sa pre opakovateľnosť. Prvý rotor na ňom vylisovaný a desaťtisíci vyjdú z rovnakej ocele, vedené rovnakými stĺpikmi, v rovnakých rozmeroch. Len tak číslo tolerancie vôbec niečo znamená, keď sa vyrába sériovo a nie kus po kuse.
Znamená to aj o jeden diel viac, ktorý už nezávisí od cudzej kontroly kvality. Naše európske závody vyrábajú už vyše 270 komponentov vlastnými silami — generátory, elektronické dosky, lopatky aj montážny materiál. Každý nástroj, ktorý dorazí, predĺži ten zoznam o jednu položku.
Prečo má turbína s výkonom okolo 1 kW motor 15 kW?
Pretože menovitý údaj generátora je tepelná hranica, nie sľub výroby. Oných 15 kW trvalo je to, čo stroj vydrží neobmedzene bez prehriatia, a určujú to tri veci: izolácia smaltovaného drôtu triedy 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, rovnaká trieda ako pri priemyselných servomotoroch a pohonoch elektromobilov), 4 kg medeného vinutia ako tepelná hmota a pasívne chladenie cez kryt.
Pri typickom výkone Atlasu okolo 1 kW beží motor na menej než 7 % svojho trvalého menovitého výkonu. Beží studený. Straty v medi rastú s druhou mocninou prúdu, takže stroj hlboko pod svojou hranicou mrhá veľmi málo energie na teplo — a práve teplo starne izoláciu a napokon ukončí život motora.
Špičkových 22 kW je krátkodobá preťažiteľnosť pre poryvy. Ohraničujú ju dve fyzikálne hranice: prah demagnetizácie magnetov N42 a nasýtenie statorového železa.
Odkiaľ energia v skutočnosti pochádza
Výkon dostupný vo vetre sa riadi vzťahom:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Kde ρ je hustota vzduchu, A opísaná plocha, V rýchlosť vetra, Cp súčiniteľ výkonu a η elektrická účinnosť. Rotor Atlasu opisuje 1,035 m² (priemer 1030 mm × výška 1005 mm), dosahuje pri dobrom vetre Cp 0,28 a premieňa s elektrickou účinnosťou 92 %.
Rozhodujúcim členom je V³. Rýchlosť vetra je v tretej mocnine, takže lokalita s o 30 % väčším vetrom dá zhruba dvojnásobok energie, nie o 30 % viac. Preto výška stožiara a umiestnenie menia výsledok viac než akýkoľvek údaj na tejto stránke — a preto poctivá odpoveď na otázku „koľko dostanem?“ vždy začína otázkou na vašu lokalitu, nie číslom.
Úplná špecifikácia generátora
| Parameter | Hodnota |
|---|---|
| Typ generátora | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Magnety | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Objem magnetu | 24 magnets · 180 cm³ |
| Uloženie magnetov | Skewed |
| Stator | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Vinutie | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Izolácia drôtu | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Tolerancia obrábania | ±0.05 mm |
| Rotor | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Rozbehová rýchlosť | 2 m/s |
| Súčiniteľ výkonu (Cp) | 0.28 |
| Elektrická účinnosť | 92% |
| Výkon motora | 15 kW / 22 kW |
Čo to hovorí — a čo nie
Každé číslo vyššie je vlastnosť stroja, a vlastnosti stroja sú tá časť, ktorú riadime my. Zubový moment, počet pólov, trieda magnetu, izolačná trieda a tolerancia obrábania sú rovnaké v každom kuse, ktorý expedujeme.
Ročný výnos nie. Ten závisí od vášho vetra a publikovaný výnos Atlasu siaha od 180 do 2 900 kWh ročne práve preto, že rozdiel medzi chránenou záhradou na predmestí a otvorenou pobrežnou lokalitou je takto veľký. Napíšte nám lokalitu a výšku stožiara a dáme vám realistické rozpätie namiesto najlepšieho prípadu.