Rüzgâr türbini anlatımlarının çoğu kanatlarda biter. Oysa kanatlar yalnızca ne kadar enerjinin mevcut olduğunu belirler — onunla ne olacağına jeneratör karar verir, daha doğrusu mıknatıslarının nasıl dizildiği. Bu yazı, TESUP'un Atlas ve Magnum için ürettiği kalıcı mıknatıslı jeneratörün içine ve bir türbinin zayıf rüzgârda dönüp dönmeyeceğini belirleyen o tek özelliğe bakıyor.
Kalıcı mıknatıslı jeneratör nedir?
Kalıcı mıknatıslı jeneratör, önce uyarılması gereken elektromıknatıslar yerine sabit mıknatıslarla elektrik üretir. Manyetik alan her zaman mevcut olduğu için makine daha ilk turdan itibaren üretir; ne uyartım akımına, ne bileziklere, ne de kalkış için dışarıdan enerjiye ihtiyaç duyar.
TESUP'un jeneratörü, NdFeB N42 (neodim-demir-bor) mıknatıslı 24 kutuplu kalıcı mıknatıslı bir makinedir; her mıknatıs 60 × 25 × 5 mm, nikel kaplı ve somun biçimli. Toplam 24 adet, yani 180 cm³ mıknatıs, 16 cm × 12 cm'lik bir statorun içinde döner.
Neden 24 kutup ve neden dişli kutusu yok?
Kutup sayısı, devir sayısı ile çıkış frekansı arasındaki ilişkiyi belirler. Az kutuplu bir jeneratörün işe yarar olması için hızlı dönmesi gerekir; bu yüzden birçok türbinde rotor ile jeneratör arasında bir dişli kutusu bulunur. Aynı zamanda en sık arızalanan, yağ değişimi isteyen ve gürültü yapan parça odur.
Yirmi dört kutup, düşük devirde bile kullanılabilir gerilim üretir; böylece rotor jeneratörü doğrudan çevirebilir. Dişli kutusu yoksa dişli yağı yok, diş aşınması yok ve şubatta çatıda sıkışabilecek bir parça daha az demektir.
Diş momenti (cogging) nedir?
Diş momenti, kalıcı mıknatıslı bir motoru elinizle çevirdiğinizde hissettiğiniz dirençtir — mil sanki belirli konumlara oturmak istiyormuş gibi hissettiren o tıkırtılı, adım adım direnç. Mıknatısların statorun çelik dişlerine doğru çekilmesinden kaynaklanır. Her diş tercih edilen bir durma konumudur ve rotorun oradan itilmesi gerekir.
Bir vantilatörde ya da elektrikli el aletinde bu küçük bir rahatsızlıktır. Küçük bir rüzgâr türbininde ise zayıf rüzgâr performansının önündeki en büyük engeldir, çünkü diş momenti, herhangi bir şey dönmeden önce rüzgârın aşması gereken sabit bir eşiktir. Bu eşiğin altında üretim az değildir — sıfırdır.
Bu yüzden ev tipi bir türbinde kalkış rüzgâr hızı, anma gücünden çok daha fazla önem taşır. Anma gücü rüzgârlı bir günü anlatır. Kalkış hızı ise diğer bütün günleri.
Mıknatısları eğik yerleştirmek diş momentini nasıl azaltır?
Her mıknatıs stator dişlerine tam paralel dururken 24 kutbun hepsi çekim tepesine aynı anda ulaşır. Bu tepeler toplanır ve ortaya rüzgârın her adımda kırması gereken güçlü, tıkırtılı bir darbe çıkar.
Eğik yerleşim, mıknatısların dönme eksenine göre hafif bir açıyla monte edilmesi demektir; böylece her mıknatıs bir stator dişine hepsi birden değil, kademeli olarak girer. Tepeler artık çakışmaz — yayılır ve birbirini kısmen götürür. Üretilen toplam moment değişmez; ortadan kalkan şey dalgalanmadır.
TESUP tam da bu nedenle eğik mıknatıs yerleşimi kullanır. Daha düşük diş momenti, daha düşük kopma eşiği demektir; Atlas'ın düşük rüzgâr kanat setiyle 2 m/s'de kendiliğinden kalkmasını sağlayan da işte bu düşük eşiktir — tipik bir yatay eksenli türbinin kalkış hızının kabaca üçte biri.
Eğik yerleşim bedava değildir: en yüksek akı bağını bir miktar düşürür, yani eğik bir makine erken kalkış karşılığında bir parça tepe gücünden vazgeçer. Zayıf rüzgârın olağan, fırtınanın istisna olduğu ev tipi bir türbin için doğru takas budur.
Diş momentine aslında kalıbın karar vermesinin nedeni
Eğik yerleşim, diş momentini ancak her mıknatıs tasarımın söylediği yerde tam olarak oturuyorsa götürür. Bu götürme geometrik bir etkidir: 24 mıknatıs, her biri hassas bir açıyla kaydırılmış, ki çekim tepeleri aynı ana denk gelmesin. Bu mıknatısların yuvaları rotordan rotora değişiyorsa eğim açısı da onunla birlikte değişir — tepeler yeniden hizalanır, diş momenti yükselir ve rotoru koparmak için gereken rüzgâr hızı da onunla birlikte artar.
Bu yüzden tüm talaşlı imalat parçalarında ±0,05 mm bir katalog övünmesi değildir. Fiziğin gerektirdiği toleranstır. Gevşek toleranslı bir rotor tam olarak aynı mıknatısları, aynı kutup sayısını ve aynı bakırı taşıyabilir — yine de daha geç kalkar.
Bu toleransı tek bir prototipte tutmak kolaydır. Her üründe, yıllar boyunca tutmak ise bir kalıp meselesidir — bu yüzden tesisimize şu geldi:
Böyle bir pres kalıbı hızı için satın alınmaz, daha hızlı olsa bile. Tekrarlanabilirlik için satın alınır. Üzerinde şekillendirilen ilk rotor ile on bininci rotor aynı çelikten, aynı kolonların kılavuzluğunda, aynı ölçülerde çıkar. Tek tek değil de seri üretim yapıldığında bir tolerans sayısının anlam taşımasının tek yolu budur.
Ayrıca artık başkasının kalite kontrolüne bağlı olmayan bir parça daha demektir. Avrupa'daki tesislerimiz hâlihazırda 270'ten fazla bileşeni kendi bünyesinde üretiyor — jeneratörler, elektronik kartlar, kanatlar ve montaj donanımı. Gelen her kalıp bu listeyi bir satır uzatıyor.
Yaklaşık 1 kW üreten bir türbin neden 15 kW'lık motor kullanır?
Çünkü bir jeneratörün anma değeri ısıl bir sınırdır, üretim vaadi değil. 15 kW sürekli değeri, makinenin aşırı ısınmadan süresiz taşıyabileceği yüktür ve üç şey belirler: 200 °C sınıfı emaye tel yalıtımı (IEC 60317-13 GR 2, endüstriyel servo motorlarda ve elektrikli araç aktarma organlarında kullanılan sınıfın aynısı), ısıl kütle görevi gören 4 kg bakır sargı ve gövde üzerinden pasif soğutma.
Atlas'ın tipik 1 kW civarındaki çıkışında motor, sürekli anma gücünün %7'sinden azında çalışır. Soğuk çalışır. Bakır kayıpları akımın karesiyle arttığından, sınırının çok altında çalışan bir makine ısı olarak çok az israf eder — ve yalıtımı yaşlandıran, sonunda bir motorun ömrünü bitiren şey ısıdır.
22 kW tepe değeri, ani rüzgâr darbeleri için kısa süreli aşırı yük kapasitesidir. İki fiziksel sınır belirler: N42 mıknatısların demanyetizasyon eşiği ve stator demirinin doyması.
Enerji gerçekte nereden geliyor
Rüzgârdaki kullanılabilir güç şu bağıntıyı izler:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Burada ρ hava yoğunluğu, A süpürülen alan, V rüzgâr hızı, Cp güç katsayısı ve η elektriksel verimdir. Atlas rotoru 1,035 m² süpürür (1030 mm çap × 1005 mm yükseklik), iyi rüzgârda 0,28 Cp değerine ulaşır ve %92 elektriksel verimle dönüştürür.
Baskın terim V³'tür. Rüzgâr hızı küpüyle girdiğinden, %30 daha rüzgârlı bir konum %30 değil, kabaca iki katı enerji verir. Bu yüzden direk yüksekliği ve konumlandırma, bu sayfadaki herhangi bir teknik değerden daha fazla fark yaratır — ve bu yüzden «ne kadar alırım?» sorusuna dürüst cevap her zaman bir sayıyla değil, konumunuzla ilgili bir soruyla başlar.
Tam jeneratör teknik özellikleri
| Parametre | Değer |
|---|---|
| Jeneratör tipi | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Mıknatıslar | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Mıknatıs hacmi | 24 magnets · 180 cm³ |
| Mıknatıs yerleşimi | Skewed |
| Stator | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Sargı | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Tel yalıtımı | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| İşleme toleransı | ±0.05 mm |
| Rotor | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Kalkış rüzgâr hızı | 2 m/s |
| Güç katsayısı (Cp) | 0.28 |
| Elektriksel verim | 92% |
| Motor gücü | 15 kW / 22 kW |
Bu ne söyler, ne söylemez
Yukarıdaki her değer makinenin bir özelliğidir ve makine özellikleri bizim kontrol ettiğimiz kısımdır. Diş momenti, kutup sayısı, mıknatıs kalitesi, yalıtım sınıfı ve işleme toleransı, sevk ettiğimiz her üründe aynıdır.
Yıllık üretim öyle değildir. O sizin rüzgârınıza bağlıdır ve Atlas için yayımlanan üretim yılda 180 ile 2.900 kWh arasında değişir; çünkü korunaklı bir şehir bahçesi ile açık bir kıyı konumu arasındaki fark tam olarak bu kadar büyüktür. Bize konumunuzu ve direk yüksekliğinizi bildirin, en iyi durum yerine gerçekçi bir aralık verelim.