VAWT a AMATÉRSKY ALTERNÁTOR

Transcript

1 VAWT a AMATÉRSKY ALTERNÁTOR ÚVOD Alternátor je jedna z najdôležitejších častí malých veterných elektrárni, v prípade VAWT to kvôli rozbehu platí obzvlášť. Skúša sa všetko- od autoalternátorov cez jednosmerné motory až po vlastné návrhy. Vymýšľajú sa najrôznejšie konštrukcie, od realistických až po amatérske výmysly, končiace koncepciou takzvaného amerického alternátora, ku ktorému sa dostaneme neskôr. Ja som sa držal zásady, že pri navrhovaní a konštrukcii alternátorov netreba vymýšľať žiadne zázračné riešenia. Treba čerpať z histórie, už zhruba 200 ročnej. Všetko už bolo vymyslené, treba to len tvorivo aplikovať. Jeden taký historický (teda cca 30 rokov starý) vzor bol uverejnený v časopise Urob si sám (ďalej len USS) v auguste roku Všetci nadšenci ho vtedy museli zaregistrovať. Druhým historickým vzorom pre mňa bol fabricky alternátor L160 M12 s menovitým výkonom 5,5kW, ktorý vyrábal MEZ Frenštát. Ten môže slúžiť ako príklad pre kilowattové veľkosti. Tzv. americké alternátory tu spomínam a analyzujem preto, aby som poukázal na to, kadiaľ cesta nevedie. Vlastne ma k tomuto článku priamo inšpirovali. So záujmom som sledoval diskusiu na mojej obľúbenej stránke V dňoch 6-8 apríla 2013 tam bežala hektická výmena názorov na téma vylepšenia či skôr sfunkčnenia systému bezjadrového alternátora. Majiteľ stránky všemožne obhajuje nezmysel, ktorý aj s chybami opísal z internetu a ešte ďalšími vlastnými omylmi doplnil. Ja som tento vzor objavil na internete niekedy pred pätnástimi rokmi a nevenoval som mu pozornosť s vedomím, že alternátor so vzduchovou medzerou mm musí mať biednu účinnosť so všetkými dôsledkami. Ani som nepomyslel na to, že sa s ním po rokoch stretnem aj u nás a že niekto bude mať úmysel takéto niečo dokonca vyrábať a skúšať predávať. Pozri stránku VAWT-28. júl :54 poslal Miro. O toto sa nebojím, isté je, že B1, ale ani A1 už nie sú na hranie a na rozsvietenie desiatich LED... Záujem bol dávno avizovaný (o kompletné riešenie aj s pohonom) a to nie len predajcami. Je však aj možnosť zaobstarať si len alternátor a pohon si urobiť vlastný... Momentálne sú k dispozícii - 1 ks A1 červený, 1 ks A1 biely a 1 ks B1 červený. Ďalších 10 kusov bude hotových asi o mesiac, z toho bude 5 ks B1. Pôjde o testovaciu sériu, vyrobenú firmou.!!! Ale po dvoch rokoch stále nič, a to už mali byť VAWT s týmito alternátormi na každej streche...tak sa nedivím majiteľovi stránky, že bol v diskusii argumentačne nervózny a k ostatným diskutujúcim mentorsky arogantný. Nemá rád oponentov, bez milosti ich zo svojej stránky vymazáva. Ešte stále dúfa v úspešný kšeft O ČO IŠLO V tej diskusii sa zo začiatku jednalo o pokus jedného diskutéra vylepšiť Mirov alternátor tak, že sa snažil takzvaným prekladaním vinutí zvýšiť množstvo medi v aktívnej ploche pod magnetmi, kde vinutím preteká magnetický tok. Prekladané vinutie je užitočný konštrukčný prvok v mnohých točivých elektrických strojoch, ale v tomto prípade by vrodenú chybu, teda absenciu jadra a chybný aranžment vinutia a magnetov neodstránil. Už som niekde napísal, že vnútorný priestor tohto alternátora je špatne definovaný, rozumej tým najmä nevyužitý. Pôvod je v pomýlenej Mirovej predstave, keď tvrdí, že pretože najväčší výkon bude dosiahnutý vtedy, keď dva susedné, opačne orientované magnety budú práve nad obidvomi ramenami tej istej cievky. Nuž, sir Michael Faraday asi niekde urobil chybu, keď definoval indukované napätie vo vinutí ako funkciu Ui= ΔΦ/Δt. Podľa jeho definície indukované napätie je tým väčšie, čím väčšia zmena magnetického toku ΔΦ sa uskutoční za kratší čas Δt. Podľa Mirovho výkladu tam to prvé Δ v čitateli (ΔΦ) akoby nebolo treba. A práve tá zmena je najdôležitejšia. Nestačí, aby dva opačne orientované magnety boli nad vinutím (to by tam mohli aj stáť). Musia sa nad ním pohybovať a ešte k tomu sa magnetický tok pri tom pohybe musí aj neustále meniť. Indukované napätie je preto najvyššie vtedy, ak sa nad vodičom práve presúva dvojica susedných opačne orientovaných magnetov (mení sa polarita) a ešte k tomu vďaka správnej geometrii (tvaru magnetov a cievok) sa súčasne mení aj efektívna dĺžka vodičov v magnetickom poli.

2 Na obrázku dole je porovnanie Amerického alternátora s alternátorom podľa USS. Ten americký som zrekonštruoval podľa obrázkov z internetu, tomu podľa USS som pre lepšie porovnanie dal dvadsať obdĺžnikových magnetov a oválne cievky. Šedé medzikružie znázorňuje u obidvoch plochu, v ktorej tečie magnetický tok. Obr. 1: Porovnanie alternátorov Na prvý pohľad je jasné, že plocha vľavo je málo využitá. 12 magnetov je na priemer 190 mm na ktorom magnety obiehajú málo, medzery medzi nimi sú veľké, indukované napätie má potom priebeh podobný grafu vľavo hore. Je to dané tým, že magnety sa v priebehu jednej periódy doslovne flákajú, napríklad zelená fáza je podľa nákresu úplne nefunkčná, nepohybuje sa nad ňou žiadny magnet!!! Cievky sú neviem prečo väčšinou pôdorysu mimo efektívnej plochy. Usporiadanie vpravo využíva priestor s maximálnou efektivitou. Na menší pôdorys sa vojde 20 magnetov, vinutie je využité naplno. Priebeh indukovaného napätia sa podobá na graf vpravo hore. 20 magnetov oproti 12 znamená 1,66x vyššiu frekvenciu čo samo osebe prináša zvýšenie účinnosti. Medi vpravo je celkovo o polovicu menej, zato je všetka efektívne využitá. Magnety nemajú oddych a sú stále v pohybe nad vinutím. Výsledok- alternátor vpravo bude mať pri rovnakých magnetoch a vinutí zhruba dvakrát vyšší výkon a bude aj menší. A to aj vtedy, ak by ten vľavo mal vo vinutí hoci aj feromagnetické jadrá! Uznávam ale, že tento alternátor jadra ani nemôže mať. Pri takých magnetoch ako majú alternátory A1 a B1 (pozri ďalej) je príťažná sila tak enormne veľká, že ak by tam v cievkach boli jadrá tak by s tým nepohla ani vŕtačka na studne, nieto ešte slabý vietor. Pre názornosť prikladám obrázok s plechmi pre štandardné alternátory. Ten vľavo je statorový plech z alternátora L160 M12 s 32 drážkami, ktoré sú prekladane vinuté. Vpravo je plech z vinutého rotora generátora s 18 drážkami. Je to doklad o tom, že medzery medzi susednými pólmi sú minimálne, jadra vinutí na oboch plechoch sa na konci práve z toho dôvodu rozširujú. Obidva plechy maximálne a optimálne využívajú svoju plochu.

3 2. ALTERNÁTOR USS Alternátor axiálnej konštrukcie využíval 20 ferritových magnetov priemeru 27 mm a hrúbky 10 mm na rozstupovej kružnici Fi 190 mm. Trojfázové vinutie malo šesť krát tri kruhové cievky vonkajšieho priemeru 30 mm s odľahčeným jadrom Fi 12/6 mm. Každá cievka mala 80 závitov z drôtu priemeru 1 mm, teda fáza mala spolu 480 závitov. Cievky boli zapojené podobne ako na obr. 1 vpravo. Menovitý výkon bol cca 120 W, v spojení s vrtuľou o priemere 1,8 m sa 12 V akumulátor začal nabíjať pri cca 240 otáčkach/min a menovitý výkon dosiahol pri 900 otáčkach. Tá vrtuľa bola na výkon 120 W zbytočne veľká, skúsil som to s priemerom vrtule 1,4 m s výbornými výsledkami. Najväčšou konštrukčnou chybou alternátora bolo lepenie magnetov naplocho na kotúč rotora epoxidovým lepidlom. Pretože tento spoj je enormne namáhaný, po čase sa niektorý magnet vždy odlepí a začne brzdiť, v tom horšom prípade sa magnety rozletia. Preto som magnety po prvej nehode uložil do pertinaxového kotúča s otvorom pre každý magnet, priskrutkovaného ku kotúču rotora. Magnety držia a navyše sa jednoducho montujú, presná poloha a rozteč je zaručená. Podľa mojich skúseností je toto skoro ideálna koncepcia alternátora pre amatérske konštrukcie. Aby nedošlo k nedorozumeniu, tento alternátor nevznikol len tak systémom pokus-omyl, ale navrhli ho odborníci pre laikov. Dôraz bol kladený na jednoduchosť výroby a prijateľný výkon pre slabé veterné lokality. Axiálna koncepcia má oproti radiálnej jednu neoceniteľnú výhodu, a to možnosť jednoduchého nastavenia vzduchovej medzery medzi pólmi (magnetmi) a jadrami cievok statora. Tento alternátor mal vzduchovú medzeru 0,5 mm, teda na hranici konštrukčných a výrobných možností čo bolo dané snahou minimalizovať straty magnetického toku na dnešné pomery slabých magnetov. Amatérov od tejto koncepcie a konštrukcie odrádzal najmä relatívne nízky menovitý výkon alternátora a tak začali hľadať niečo výkonnejšie. Častý to omyl v snahe zvýšiť výrobu veternej turbínky zvýšením menovitého výkonu bez ohľadu na to, že podstatný nie je menovitý výkon alternátora, ale príkon od vetra. 3. ALTERNÁTOR AR 200 Obr. 2: Kinematické schéma turbínky podľa časopisu USS. Alternátor AR 200 som navrhol na základe skúseností s alternátorom USS. Volil som prístup opatrné vylepšenia, teda čakal som len mierne zvýšenie výkonov pri malej redukcii rozmerov. Výsledok bol nad očakávania, ale nebolo to jednoduché. Neodymové magnety sú asi 5x silnejšie ako feritové, s čím som počítal, ale pri navrhnutej vzduchovej medzere 1 mm bol alternátor príliš tuhý (cogging) a navyše mal aj príliš strmú charakteristiku. Tá strmosť je vidieť na nameraných krivkách na grafe dole.

4 Červené krivky boli namerané pri vzduchovej medzere 1 mm, modré pri medzere 2 mm. Pri medzere 1 mm bola výkonová charakteristika príliš strmá, pri 2 mm som sa už dostal pod zelenú krivku, ktorá predstavuje príkon na vrtuľu s priemerom 1,5 metra. Z grafu je dobre vidieť, že výkon alternátora musí byť nižší ako príkon vetra na vrtuľu, ináč by to nefungovalo, resp. s biednou účinnosťou. A že sa treba sústrediť na oblasť vetra v rozmedzí od 4 do 10 m/sec, kedy vrtuľa vyprodukuje najviac energie. Rýchlosti vetra nad 12 m/s sú nezaujímavé, pretože ich ročný výskyt je veľmi malý. Pri väčších rýchlostiach treba už vrtuľu chrániť proti preťaženiu. Obr. 3: AR 200 v pohľade spredu, zo strany rotora. Je taký jednoduchý, že na ňom nie je čo fotografovať. Obr. 4: AR 200 v reze so základnými rozmermi a údajmi (Rev. 2014).

5 4. PROJEKT ALTERNÁTORA AR500 Alternátor AR 500 som tiež navrhoval s opatrným očakávaním. Výkon 500 W je už hranicou pre využitie malých veterných turbíniek. Vrtuľa pre takýto alternátor by mala mať priemer asi 2,5 metra, čo považujem za maximum, na ktoré by si mohol trúfnuť iba technicky zdatný a manuálne zručný amatérsky konštruktér. A podstatná je aj otázka, kam s výkonom. Nabíjanie batérii pri napätí 12 Voltov prúdom 40 ampér je na hranici technických možností, pri napätí 24 Voltov by 20 ampér ešte ako tak ušlo, ale aj tak sú to prúdy pre menšiu zváračku. A chcelo by to batériu aspoň AH, čo už s ďalším príslušenstvom ako je menič, regulátor, rozvody a spotrebiče lezie do peňazí a otázku ekonomickej návratnosti posúva za hranicu bežného ľudského života. O životnosti a bezpečnosti ani nehovorím. 5. ALTERNÁTOR L160 M12 Tento alternátor popisujem pre lepšiu predstavu, čo dokážu z nejakej hmoty ocele, magnetov a medi vytvoriť odborníci. Pri menovitom výkone 5,5 kw vážil 110 kg. Hmotnosť ide na vrub aj jeho vyhotoveniu s krytím IP 54. Pri nižšom stupni krytia ako v prípade USS a AR 200 by bola jeho hmotnosť podstatne nižšia. V tabuľke na konci tejto práce budú jeho parametre porovnávané s amatérskými výtvormi, teda USS, mojim AR200 (AR500) a americkými alternátormi A1 a B1 podľa: Obr. 5: Pôdorys a zapojenie AR 500 Obr. 6: Vľavo rez alternátorom L160 M12, vpravo jeho výkonové krivky.

6 TYP Menovitý výkon Skutočný výkon Počet magnetov Rozmer magnetu (typ) Hmotnosť magnetu Hmotnosť magnetov celkom Max. príťažná sila magnetu Príťažná sila celkom Hmotnosť alternátora Špecifický výkon TYP Vzduchová medzera Príťažná sila magnetu Zoslabenie sily (toku) Výsledná sila 6. VZDUCHOVÁ MEDZERA Týmto pojmom sa tu operuje často, tak si ho poďme objasniť bližšie. V podstate je to vzdialenosť medzi pólmi rotora a statorom. V technickej praxi je to otázka výrobných možností a presnosti výroby, v zásade je snaha aby táto vzdialenosť bola čo najmenšia. Straty magnetického toku vo vzduchu sú obrovské. Permeabilita materiálu, čiže schopnosť viesť magnetický tok je pre oceľ či železo asi krát vyššia ako permeabilita vzduchu. A to sú čísla priam vražedné. V praxi u malých strojov býva vzduchová medzera 0,5-1 mm. Aj to už ale znamená podstatné zníženie magnetického toku, ako je znázornené na grafe dole. Táto závislosť je hrozivá. Každý milimeter medzery znamená veľké straty. Odpočítajme z grafu: Medzera: - 0,5 mm zníženie o 33% - 1mm zníženie o 50% - 2 mm zníženie o 67% (tzn. zníži sa o dve tretiny) - 3 mm zníženie o 75% - 10 mm zníženie o 90% - 18 mm zníženie o 95% (tzn. zníži sa dvadsať krát!!!) - 20 a viac mm zníženie sa blíži ku 100% V tabuľke 1 dolu je prehľad, ako sú na tom spomínané alternátory z hľadiska efektívnej sily magnetov. Keď to všetko zrátame, tak v prípade A1 a B1 by namiesto magnetov so sumárnou silou, ktorou by sa dali rozťahovať traktory a pri rozumnej vzduchovej medzere (rozumej cca 2-3 mm) stačili podstatne menšie, ľahšie, lacnejšie magnety a výsledkom by bol (menší, ľahší, lacnejší) a primerane výkonný alternátor. Tab. 1: ZOSLABENIE SILY MAGNETOV mm kg % kg A ,3 B ,8 KL ,0 USS 0,5 1, ,2 AR ,1 67 1,7 AR ,3 7. POROVNANIE ALTERNÁTOROV Tab. 2: POROVNANIE ALTERNÁTOROV W W ks mm g g kg kg kg kg/kw A1 1500* 350** 32 40x20x10 (N) B1 3500* 500** 32 60x30x15 (N) KL ** 9 Fi 140/63-17 (F) USS ** 20 Fi (F) , AR ** 20 Fi25-3 (N) , AR *** 500*** 24 Fi30-5 (N)

7 TYP Efektívna sila magnetu Prierez vodiča prierez jadra Menovitý výkon Legenda: * - odhadnuté (nerealistické) hodnoty ** - namerané hodnoty *** - vypočítané hodnoty F - feritový magnet N - neodymovy magnet Tabuľka 2 potvrdzuje známe príslovie, že menej niekedy znamená viac. Že pre vyšší výkon netreba iba zvýšiť silu magnetov (v prípade A1 a B1 až za hranice technickej nepríčetnosti), ale treba všetko, teda aj železo a hlavne meď zväčšovať primerane. Ak by sme prepočítali výkony alternátorov A1 a B1 podľa sily použitých magnetov vzhľadom k sile feritových magnetov LM160 dôjdeme k záveru, že A1 by potom mal dosiahnuť výkon zhruba 7,5 kw a B1 dokonca 16,5 kw. A to by už boli skutočne kusy! 8. POR0VNANIE USS a AR200 Tab. 3: USS kontra AR200 kg mm 2 cm 2 W USS 1,2 0,78 0, AR200 1,7 1,22 1, POMER AR200/USS 1,42 1,56 1,33 1,67 Tabuľka ukazuje, ako bolo treba v prípade A200 zmeniť veličiny, aby sa výkon patrične zvýšil. Nestačilo len dávať tam silnejšie magnety do bezvedomia. 9. RÔZNE a. Tvary magnetických pólov Magnetické póly majú rôzne tvary hlavne preto, aby zmena geometrie počas jednej periódy zabezpečovala neustálu zmenu magnetického toku prechádzajúceho vinutím. Na obr. 7 dole sú znázornené základné tvary. Obr. 7: Rôzne tvary pólov alternátorov. Z hľadiska neustálej zmeny efektívnej dĺžky vinutia je najvhodnejší kruhový tvar magnetov (pólov, poz.2). Na poz.3 je príklad zošikmených pólových nástavcov, používaných v generátoroch s vinutým rotorom. Zošikmenie vznikne posunom plechov v armatúre rotora či statora. Trojuholníkové pólové nástavce sa používajú v autoalternátoroch, je to jeden z najefektívnejších tvarov (poz.4). Tvar podľa poz.1 je typický pre autoalternátory upravené montážou obdĺžnikových magnetov namiesto pôvodného elektromagnetu.

8 b. Magnetický tok V diskusii spomenutej v úvode bola aj zmienka o tom, ako systém s dvomi protiľahlými magnetmi (poz. B z obr.8 dole ) vraj znižuje vírivé prúdy. Márne som pátral prečo. V obidvoch prípadoch podľa obr.8 tečie magnetický tok cez dve dosky, akurát v prípade vpravo je ten dvojitý rotor s protiľahlými magnetmi zbytočný. Stator by mohol byť na svojej doske a ak by niekto trval na bezjadrovej koncepcii, jadra na ktoré by sa cievky statora navíjali by mohli byť z nemagnetického materiálu. Dobre by vinutie na doske fixovali, vinutie by mohlo byť zlepené epoxidom bez toho zbytočného epoxidového pagáča, ktorý ho v prípade A1 a B1 drží pohromade. Obr. 8: Vyhotovenie USS (vľavo) a Americký alternátor (vpravo. c. Dvojitý alternátor Príklad dvojitého alternátora je tu na ukážku ako sa dá vnútorný priestor alternátora využiť ešte efektívnejšie. Obrátok zobrazuje alternátor podobný na AR 500, keď je rotor aj stator rozdelený na dve rovnaké časti. Vznikne kompaktný celok s menším priemerom. Toto usporiadanie umožňuje zapojiť obidve časti sériovo alebo paralelne. Výhodou by bolo, ak by bol každý stator navinutý rôzne. Potom by jedna časť (jeden alternátor) začal nabíjať pri rôznych otáčkach. Prvý napríklad pri slabých otáčkach, druhý by sa pridal pri vyšších. Tým by sa príkon využil optimálnejšie. To isté možno dosiahnuť aj pri pôvodnom usporiadaní, ak na jedno jadro navinieme dve samostatné vinutia. Obr. 9: Dvojitý alternátor 10. RENEN 150 Obr. 10: Turbínka RENEN 150/200. Vľavo 3D model na ľahkom priehradovom stožiari výšky 8-12 metrov, uprostred súčiastky na dva prototypy v priebehu výroby, vpravo list vrtule s priemerom 150 cm.

9 HAWT turbínku RENEN 150/200 som začal konštruovať vlani a prototyp vyrábať na Vianoce Najprv som mal hotový alternátor AR 200 a zmeral jeho parametre. Na základe meraní som navrhol vrtuľu s priemerom 150 cm, teda s plochou 1,75 m 2. Parametre R 150/200: Štartovacia rýchlosť vetra 3 (m/s) Max. rýchlosť vetra 12 (m/s) Rýchlobežnosť vrtule 5,5±0,5 ( -- ) Štartovacie otáčky 210 (1/min) Max. otáčky 840 (1/min) Men. výkon 200 (Watt) Priemer vrtule 150 (cm) Ochrana proti víchrici Sklápanie nahor -tilt up Hmotnosť 18 (kg) Po odskúšaní prototypu bude na jeseň 2013 k dispozícii: - Návod na výrobu - Detailná výkresová dokumentácia - Rezné plány pre vyrezávanie plechov na plotri - Sada laminátových listov vrtule - Výkresy priehradového stožiara 11. ZÁVER Na príkladoch v tomto článku som chcel jednak poukázať na to, že tzv. americký alternátor je čistý nezmysel ale aj zdokumentovať ako je pri návrhu veterného agregátu dôležité poznať presnú charakteristiku generátora a ako treba vrtuľu k nemu pripasovať. A pripomínam, že tento postup sa nedá obísť tak, že vrtuľu či rotor najprv navrhneme od oka, výkony odhadneme podľa priebehu napätia naprázdno (skutočný unikát) a potom to spolu zosúladíme pomocou nejakého meniča či už s alebo bez funkcie MPPT. Miro sa na svojich stránkach zamýšľa, či takýto menič veterné turbínky vôbec potrebujú. Nezasvätených by to mohlo pomýliť k úvahe, že nejaké zásadné zosúladenie otáčok a napätí je pri návrhu veterného aparátu zbytočné, pretože sa to dá poľahky obísť chytrou elektronikou. Nedá ani náhodou. Aj Miro vo svojej svojráznej diletantskej polemike o použití meniča pripúšťa, že: Dalo by sa namietať, že na toto nepotrebujeme špeciálny regulátor, keďže rovnako tak môžeme vyrobiť optimálny stator alternátora, ktorý bude produkovať požadované počiatočné napätie až pri optimálnych otáčkach. To je síce pravda, ale okrem toho, že takto vyrobíme alternátor len pre konkrétnu turbínu a len pre konkrétne systémové napätie, budeme stále len na jednej strane výkonovej krivky. Moc som tomu neporozumel, ale asi to je len pre učených. Číra pravda je v tom, že pre výstup z veternej turbínky nie je treba žiadny menič. Samo sebou sa pri tom predpokladá, že každý alternátor bude navrhnutý len pre jednu konkrétnu turbínu a pre jedno napätie (na čo iné by bol?). A s meničom som sa zatiaľ nestretol ani pri jednej malej veternej turbíne, a že sú ich vo svete stovky... To, čo dobre funguje u solárnych panelov je pre veterné zdroje zbytočné a nie je bezpodmienečne nutné ani u tých solárnych. Ak menič s MPPT teoreticky zvýši výnosy zo solárneho poľa o 25-30%, prakticky to u malých inštalácii bez systému natáčania za slnkom (tracking) býva do 10 %. Akurát to zníži obyčajne už aj tak malé výnosy o svoju vlastnú účinnosť, teda zhruba o ďalších minimálne 5%, ale v prípade lacnej Číny aj o 10% aj viac. Ekonomika tu vraj nehrá úlohu, ale pár stoviek či tisícok za menič väčšinou stojí za zamyslenie... Jednoducho ani ten najlepší menič ani náhodou nevyrieši problémy, ktoré by za normálnych okolností nikdy nevznikli.

10 V Trnave Ernest Ježík Nezávislý konzultant pre obnoviteľné zdroje energie Odborne spôsobilá osoba pre posudzovanie EIA pri MŽP, pozri: Ernest Ježík 2013