ÚVOD RENEN knižnica VAWT - OMYLY A DOBRÉ RADY K napísaniu tohto článku ma (opäť) inšpirovala diskusia na stránke VAWT.sk ohľadne amatérskych konštrukcií H- rotorov. Výsledky tam sú biedne, rady nekonkrétne, niekedy zavadzajúce a veľakrát špekulatívne. A ak sa občas vyskytne aj téma Voľná energia, dielo skazy je dokonané a zmätok v hlavách laikov namiesto uspokojenia ešte narastie. Chcelo by to niekoho, kto by skutočne poradil. Tak chcem trochu prispieť aj ja. Nezasvätenému by sa z toho mohlo zdať, že návrh veternej turbíny dáva široké možnosti pre voľné úvahy, intuitívne rozhodnutia, ignorovanie zásadných kritérií a dobrý výsledok príde aj tak sám od seba. Pravdou je však opak. Taký komplexný systém ako je akákoľvek veterná turbína musí mať všetky prvky optimalizované a pospájané tak, aby na konci bol funkčný, účinný a spoľahlivý stroj. Akékoľvek nesprávne rozhodnutie v jednom bode tohto reťazca bude mať zásadný vplyv na všetky nasledujúce rozhodnutia tak, že na konci bude v lepšom prípade drahý a nízko účinný stroj, v tom horšom a veľmi častom prípade úplný neúspech a fatálna havária. Spoliehať sa pri návrhu veternej turbíny len na svoje manuálne zručnosti namiesto vzdelania a odbornosti nemôže priniesť kladný výsledok, ale len hromadu zbytočne pozváraných rúr určených do výkupu druhotných surovín... Intuitívny prístup vo všetkých bodoch reťazca vedie priamo k neúspechu hneď po prvých krokoch. Intuíciu si totiž môže dovoliť len kvalifikovaný konštruktér, aj to len občas a po dôkladnej hodnotovej analýze. Laickí dizajnéri sa často vyhovárajú na nedostatok podkladov, veľmi často preberajú špekulatívne informácie z internetu bez akejkoľvek kritickej analýzy a v prípade prvých neúspechov robia korekčné rozhodnutia, ktoré výsledok ešte zhoršia. Neustále hľadajú nejakú kuchársku knihu s presným návodom, ktorá samozrejme neexistuje. Prístup pokus- omyl vedie takto len k hromadeniu omylov bez pozitívneho výsledku. Najlepší sú takí, ktorí sa sťažujú, že experimenty sú veľmi nákladné a prečo sa nenájde nikto, kto by ich len tak pre nič za nič a hlavne pre ich osobný prospech financoval. Dochádza aj ku kurióznym situáciám, keď na jednej strane laickí dizajnéri očakávajú že práve tá ich VAWT bude jednoduchá a výkonná a na druhej strane si ťažkajú, že (zbytočne predimenzované) magnety stáli fúru peňazí a aj krídla od potenciálneho výrobcu sú drahé, najmä keď už kupujú druhú sadu. No a že to nakoniec nefunguje netreba pripomínať. V tejto práci prezentujem moje skúsenosti z tridsaťročného vývoja malých veterných turbíniek. Boli to síce len samé HAWT, avšak poznatky sa dajú aplikovať aj na VAWT, väčšina priamo, niektoré len po zohľadnení špecifík tejto svojráznej koncepcie, o účelnosti ktorej ma (zatiaľ) nikto seriózne nepresvedčil. Moje rady neznamenajú nejakú univerzálnu kuchársku knihu pre návrh a konštrukciu veterných strojov. Je to zaujímavá problematika a aj napriek vrodeným nedostatkom tejto koncepcie tu možno dosiahnuť uspokojivé výsledky. Ešte raz pripomínam, že všetko bude navrhované pre miesto s Va~3,5 m/s. Ak si niekto myslí že tam má viac, bude to o trochu lepšie, ale žiadna veľká sláva. Kto chce Va~4 m/s musí postaviť stožiar vysoký aspoň 15 metrov. Aj to je riešenie, ale tiež svojský problém. V mieste s Va~4 m/s by H-rotor ročne vyprodukoval asi 140kWh/m 2, menovitý výkon generátora by musel byť zhruba 150 W/m 2. Určite som tu neobsiahol každý detail, ktorý je dôležitý pre správny návrh malej veternej turbínky. Ale dúfam že sa mi aspoň podarilo objasniť základné úskalia. A. ROZHODNUTIA Pri návrhu veternej turbínky je treba urobiť veľa dôležitých rozhodnutí, každé z nich má zásadný vplyv na funkciu, účinnosť, spoľahlivosť, bezpečnosť aj cenu. Ak ste sa teda z akýchkoľvek dôvodov rozhodli pre koncepciu VAWT, musíte si uvedomiť do čoho idete. 1
Mnohí podľahli ilúzii o tom, že VAWT majú oproti iným koncepciám len samé dobré vlastnosti a najmä podľahli klamu, že to bude jednoduchá prechádzka a že najlepšie je začať rovno v zváračskej dielni. Znovu a nie posledný krát opakujem, že sám som nenašiel žiadny racionálny dôvod, prečo VAWT a nie HAWT, ale to nie je dôležité. Možno aj ten pocit sebauspokojenia je na niečo dobrý. A najlepší je vtedy, ak veci fungujú (aspoň trochu) dobre. Takže do čoho idete: - Oproti iným strojom nižšia účinnosť (až o 20%) a nedá sa to nijako prekonať - Nekompaktný, rozložitý stroj zaberajúci veľký objem - Obmedzené možnosti regulácie príkonu aj ochrany proti víchrici - Vyššia hmotnosť a tým komplikácie pri umiestnení vo výške - Krajne nepriaznivé namáhanie krídel ohybom od odstredivých síl - Nie je to také jednoduché, ako sa na prvý pohľad a niektoré rady zdalo SEDEM HLAVNÝCH HRIECHOV, ktoré páchajú nadšenci: 1. Po pátraní na internete začnú vyrábať stroj podľa obrázkov bez základných výpočtov a analýz 2. Sú prehnane optimistickí v očakávaní výkonov, bez základných znalostí o možnostiach 3. Začnú navrhovať veterný pohon bez predstavy o generátore (alebo naopak) a oba celky voči sebe neoptimalizujú 4. Po zistení že to dobre nefunguje začnú bezmyšlienkovite meniť rozmery či výkony 5. Volia nevhodnú konštrukciu 6. Podcenia základné zásady pevnosti 7. Po prvom roztočení ich výtvoru začnú zakladať eseročku a premýšľať o výrobe a predaji svojho produktu B. ZHODNOTENIE VETERNOENERGETICKÉHO POTENCIÁLU LOKALITY Zdá sa, že amatérski návrhári neberú ohľad na to, čo môžu v daných podmienkach z vetra dosiahnuť. Spoliehajú sa na silné vetry, obzvlášť po tom, keď zistia, že ich výtvory v slabom vetre nefungujú podľa ich predstáv. Nebudem sa tu dlho rozpisovať o tom, ako vzniká vietor v globálnych podmienkach. Lokálne vetry na (západnom) Slovensku v prízemných výškach, tzn. do 10 metrov nad terénom dosahujú v celoročnom priemere Va približne 3,5 m/s, a to platí len pre otvorený terén. V zástavbe a medzi porastom ešte menej. Preto nepremýšľajte, že práve u vás to bude lepšie. Skôr naopak, najmä ak nemáte svoj stroj na aspoň 10 metrov vysokom stožiari. Predstavu o tom čo sa v takejto lokalite dá vyťažiť nám dajú grafy z obr. 1 na nasledujúcej strane. Vidíme, že vietor s okamžitou rýchlosťou vetra menej ako 3 m/s má za rok trvanlivosť 4710 (!!!) hodín, teda viac ako polovicu ročného fondu. Takže prakticky celé leto sa stroj nebude točiť, okrem tých pár hodín, kedy mu v letných búrkach pôjde o krk. Ďalej zistíme, že vietor s okamžitou rýchlosťou nad 10 m/s sa ročne vyskytuje len cca 23 hodín, teda zhruba jeden deň. To pre tých, ktorí pri návrhu myslia na kilowatty výkonu práve pri takýchto rýchlostiach. A je tam ešte jedna dôležitá správa, hodná vyhlásenia za zákon: Práca vetrom poháňaného stroja sa nedá zvýšiť menovitým výkonom generátora. Ak pozorne sčítame čísla nad jednotlivými stĺpcami zistíme, že stroj s generátorom 128 W vyrobí prakticky rovnako alebo aj viac ako stroj s výkonom 300 W, teda 94 ku 97 kwh/m 2 ročne. Pritom generátor 300 W je idealizovaný ako stroj s riadeným budením tak, aby jeho výkon ideálne kopíroval priebeh príkonu. Charakteristika generátora s výkonom 128 W je typická pre PMG generátory a to, že ich charakteristika sa od krivky príkonu odkláňa negatívne sa nedá zmeniť. Menovitý výkon generátora upravíme tak, aby mal najvyšší výkon a tým aj účinnosť pri okamžitých rýchlostiach vetra, kedy vyrobí najviac energie, teda pre rozsah od 3 do 10 m/s. A tak si bohato vystačíme s výkonom 100 W/m 2. 2
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,5 2,1 1,2 2,3 0,9 1,7 0,4 0,8 0,3 0,5 0,1 0,3 3,8 5,8 E (kwh/m 2 ) 9,3 8,9 11,3 12,4 15,5 18,8 19,3 21,0 22,0 22,0 24,7 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 1 6 17 15 33 37 55 62 77 P (W/m 2 ) 97 92 107 116 122 126 128 128 141 190 225 240 250 250 250 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 63 20 10 7 3 2 1 160 354 T (hodiny) 670 1060 1140 1620 1790 1860 TRVANLIVOSŤ 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Vo (m/s) 300 VÝKONOVÉ KRIVKY 250 P100 P300 200 150 100 50 0 Vo (m/s) 30 25 20 EP100 EP300 ENERGIA 15 10 5 0 Vo (m/s) Obr.1: Tri grafy, ktoré znázorňujú vzťahy medzi trvanlivosťou jednotlivých okamžitých rýchlosti, špecifickými výkonovými krivkami generátorov a ročnou špecifickou produkciou elektrickej energie pre miesto inštalácie veternej turbínky s priemernou celoročnou rýchlosťou vetra Va 3,5 m/s. Všimnite si, že najviac energie (cca 25%) sa získa v intervale Vo od 5 do 6 m/s. 3
C. PREČO VAWT Ak ste sa už z akýchkoľvek príčin rozhodli pre túto koncepciu, musíte si uvedomiť jej slabšie miesta. V prvom rade je to nižšia účinnosť, ako to zobrazuje graf na obr. 2. VAWT rotory dosahujú maximum účinnosti 40 % pri rýchlobežnosti X =4 až 5, teda končia tam, kde vrtuľové typy ešte len začínajú. Tých cca 20 % strát oproti HAWT na príkone nijako neovplyvníme, teda hlavne nie nejakým krútením a bizarným tvarovaním krídel, zvyšovaním počtu krídel, počítačovými superprofilmi či najsilnejšími elektromagnetmi (skôr naopak). Niektoré výtvory sú naťahované do výšky ako saláma a keď jeden rotor nestačí, treba vraj viac strojov pospájať bicyklovou reťazou... So zásadnými nedostatkami VAWT musíme jednoducho žiť a snažiť sa, aby sme tie vrodené chyby ešte nezhoršovali. Lebo možností na to je ešte stále veľa. Samotný graf nezachádza do detailov. Takých ako tento je veľa, mierne sa líšia, ale v zásade hovoria to isté, slúžia len pre základnú orientáciu v problematike. Pri navrhovaní konkrétneho stroja budeme potrebovať presnejšie údaje, ktoré už takú voľnosť interpretácie mať nebudú. Obr.2: Grafy znázorňujú priebeh účinnosti rôznych koncepcií veterných pohonov. Všimnite si, ako so znižujúcou rýchlobežnosťou účinnosť klesá a krivky sú strmšie. 4
0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 P (W/m 2 ) D. NAVRHUJEME VAWT Ľudské rozmery a optimálny generátor Graf na obr.č. 1 predstavuje špecifické hodnoty, vztiahnuté na 1m 2 zametanej plochy vrtule či rotora. V ďalšom už budeme postupovať ako pri návrhu skutočného stroja. Podľa toho, čo od veterného pohonu očakávame si zvolíme jeho veľkosť a tieto hodnoty prenásobíme špecifickou hodnotou. Zrekapitulujme si to: Pre koncepciu VAWT bude špecifický inštalovaný výkon PMG generátora asi 100 W/m 2 a za rok získame v mieste s Va~3,5 m/s 62 kwh/m 2. Naše potreby zvažujeme opatrne. Kto by chcel napríklad stroj s inštalovaným výkonom 1 kw, tak musí počítať s plochou rotora zhruba 10 m 2, teda s rozmermi 3x3,33 m (len ako príklad). Stroj by musel dať na stojan či stožiar vysoký asi 8 až 10 metrov a za rok by mu dodal asi 620 kwh. Uvádzam tento príklad preto, že laici sa rozhodujú podľa menovitého výkonu generátora a pri svojich nerealistických očakávaniach ani netušia, že menovitý výkon bude využitý len na desatinu. 600 CHARAKTERISTIKY GENERÁTOROV 500 400 Príkon Phrub P100 P300 300 200 100 0 Vo (m/s) Obr.3: Závislosť výkonu generátora na rýchlosti vetra. Charakteristika generátorov musí podliezať charakteristiku príkonu. LEGENDA: -Príkon P je netto príkon od veterného motora so zohľadnením účinnosti -Phrub je hrubý výkon generátora s max. čistým výkonom 128 W -P100 je čistý svorkový výkon gen. 128 W, označenie P100 znamená, že 100 W/m2 je optimálna hodnota, pretože pri Vo >10 m/s už nemá význam výkon generátora zvyšovať. Môj ľudský rozmer je obmedzený plochou 2m 2. Na to si trúfam, mám s tým svoje skúsenosti a vyjdú z toho malé technicky zvládnuteľné mašinky, ktoré navyše až tak nekolú oči. V ďalšom sa preto budem zaoberať H- rotorom s rozmermi D=1,3 m a H= 1,6 metra, teda s plochou tých 2m 2. V prípade HAWT sa držím ešte viac pri zemi pri priemere vrtule 1,4 metra, teda s plochou 1,5 m 2. Ak si niekto trúfne na viac, tak prosím... Pre obidva prípady mám vyvinutý a odskúšaný výkonný alternátor s menovitým výkonom 200-300 Watt. Alternátor je navrhnutý podľa historického časopisu Urob si sám ( ďalej len USS) číslo 51 z roku 1984. Je to koncepcia skoro geniálna. Po inštalácii menších, ale výkonnejších neodymových magnetov a po zväčšení priestoru pre vinutie drôtom od priemeru 1,0 do 1,5 mm je možné zmenou počtu závitov nastaviť počiatočné otáčky, pri ktorých dosahuje napätie 12,6 Volt ako počiatok pre nabíjanie 12 V batérii od 75 do 240 ot/min. Maximálny 5
výkon v závislosti od priemeru drôtu vinutia je od 150 do 300W!!! A oproti pôvodnému je asi o 20 % ľahší, váži len necelých 5 kg! Roztáča sa tak ľahko, že sa to dá zanedbať. Alternátor pasuje k baterkám s kapacitou 60-120 Ah. Batérie sú tiež jeden z prvkov, ktoré treba so systémom optimalizovať. Alternátor sa dá jednoducho zväčšovať aj radiálne, aj axiálne. Zatiaľ som sa s výpočtami dostal k menovitému výkonu asi 500 Watt. To dá generátor s primerane silnými neodymovymi magnetmi hlavne vďaka vinutiu z drôtu o priemere 1,6-1,8 mm. Všeobecne sa dá tvrdiť, že alternátor tejto koncepcie je jedinečným a konečným riešením pre malé amatérske veterné elektrárne tzv. ľudských rozmerov podľa mojej definície, ba dokonca aj dvojnásobne väčších. Nameraná účinnosť 85% je pre amatérsky výrobok skvelá. Výrobne je jednoduchý, moja konštrukcia vôbec nevyžaduje frézovanie, iba sústruženie a za predpokladu, že si plechy necháme vypáliť na rezacích plotroch sú aj zámočnícke činnosti pomerne jednoduché. A keď sme už pri tých alternátoroch tak si aj hneď ukážme, kadiaľ cesta nevedie. Americký alternátor Je to koncepcia s takzvaným bezjadrovým statorom, kedy je vinutie vo vzduchu medzi dvomi rotujúcim kotúčmi s magnetmi, bez pólového nástavca (jadra) z magneticky vodivého materiálu. Vzduchová medzera medzi protiľahlými magnetmi je daná hrúbkou statora +2 x technologické medzery 0,5 až 1,5 mm, prakticky teda dohromady od 12 do15 mm. Vzduchová medzera je pritom pojem, ktorý straší všetkých konštruktérov akýchkoľvek elektromotorov či generátorov s tým, že sa zo všetkých síl snažia aby bola čo najmenšia, v našich rozmerových pomeroch je to od 0,5 mm do max. 1,5 mm. Obr.4: Závislosť príťažnej sily magnetu na vzduchovej medzere. Všimnite si, že medzera 1-1,5 mm medzi magnetom a pólovým nástavcom statora zníži magnetický tok zhruba na polovinu. Pri medzere12-14 mm to je už katastrofa- zostane zhruba 5%!!! Prístup typu dám tam silnejšie magnety a mám po starostiach, podobný tomu použi väčšie kladivo je kontraproduktívny. Dá sa zjednodušene povedať, že prakticky všetka prebytočná sila magnetu, ktorá sa stratí vo vzduchovej medzere sa uplatní ako straty, spôsobené najmä rozptylom magnetického poľa. Takže nakoniec dostaneme alternátor, ktorý má účinnosť prinajlepšom 50% s tým, že sa vraj ľahšie rozbieha pri slabých vetroch. Pri tých vetroch, kedy vďaka nízkej účinnosti nedodá nič. A o cene ani nehovorím, je zhruba asi 5x vyššia ako cena optimalizovaných magnetov. 6
Dal som si tu námahu a navrhol väčší alternátor typu USS s menovitým výkonom 400 Watt, teda 4x100 Watt pre rotor s plochou cca 4 m 2, s neodymovymi magnetmi o priemere 30 mm a výške 7 mm. Ak si to porovnáme s alternátorom A1, od ktorého sa očakáva menovitý výkon 1500 W (!), avšak doteraz ho nikto nijako nepreukázal, dostaneme sa k zaujímavým záverom: Bezjadrový alternátor (A1) má 36 magnetov s rozmermi 40x20x10mm s hmotnosťou 61 g/kus, každý z nich má síce impozantnú max. príťažnú silu 25 kg (pri priamom kontakte), ale pri vzduchovej medzere 12-14 mm sa ich efektívna sila zníži na 5%, teda na biednych 1,25 kg. Bezjadrová konštrukcia dospeje k účinnosti generátora pod 50 %, k čomu prispieva hlavne veľký rozptyl magnetického poľa. Hmotnosť 48 kg je tiež na diskusiu, výkon vztiahnutý na hmotnosť je 138 kg/kw (!!!). Môj alternátor by mal 20 magnetov Fi30-7 s hmotnosťou 38 g/kus, každý má príťažnú silu 14 kg. Pri nastavení vzduchovej medzery na maximálne prijateľnú hodnotu 1,5 mm (kvôli rozbehu) sa efektívna sila zníži na cca 45 %, teda zostane 6,3 kg na magnet. Vďaka konštrukcii s jadrom bude účinnosť viac ako 80 %, k čomu prispeje hlavne malý rozptyl magnetického poľa v pólových nástavcoch. Hmotnosť alternátora bude 9 kg. Merný výkon vztiahnutý na hmotnosť je 22,5 kg/kw. Pre porovnanie továrenský synchrónny generátor s permanentnými magnetmi, typ L160M12 z MEZ FRENŠTÁT (1990) s menovitým výkonom 5,5 kw mal hmotnosť 110 kg, teda 20 kg/kw. Výsledok: A1-2,2 kg magnetov v cene 192 a 3,8 kg medi, max. výkon zatiaľ vraj 600 W (dobre by bolo vidieť výkonovú krivku pri záťaži, podľa mňa to bude asi 350 W), tých proklamovaných 1500 W výkonu nemá žiadnu šancu dosiahnuť. Môj návrh - 0,76 kg magnetov v cene 56 a 1 kg medi, max. výkon cca 400 W (pri záťaži do batérie 12 Volt) Porovnajte si to sami. To je už slušný rozdiel medzi alternátorom so železným jadrom a nezmyslom z Ameriky. A to nie je ani zďaleka jediná chyba tejto koncepcie. Indukovaný prúd v cievke je úmerný zmene magnetického toku za jednotku času. Táto zmena je najväčšia, ak sa rýchlo strieda polarita magnetov. Teda keď magnet s jednou polaritou práve nabieha nad vinutie a ten druhý s opačnou polaritou ho práve opúšťa. Konštrukčne majú tieto alternátory magnety príliš vzdialené a tak zmena toku nie je plynulá, ale skokovitá. Celé sa to topí v zmätkoch, ku ktorým sa pridáva aj pôdorysný tvar vinutia a hranaté magnety. Pripúšťam však, že zmenšením vzdialenosti medzi magnetmi by sa zase zvýšili straty rozptylom magnetického toku, a tak by sme sa dostali do bludného kruhu, z ktorého niet východiska. Jednoducho v reči konštruktérov to znamená, že vnútorný priestor je špatne definovaný. Výsledkom je konštrukcia, ktorá vedie len k neúspechu. To je výsledok špatného rozhodnutia, ktoré by znehodnotilo aj ten najlepší stroj. Rozbeh je iná kapitola Všetko sa to (teda aplikácia amerického alternátora) vraj dialo kvôli rozbehu stroja pri nízkej rýchlosti vetra, akoby to bola nejaká najdôležitejšia veličina. Isto, rozbeh je vážny problém, a to najmä v prípade, že počet magnetov rotora je rovnaký ako počet pólových nástavcov statora. Pri príliš silných magnetoch príťažná sila uzamkne rotor tak, že sa s ním dá ťažko otáčať (tzv. cogging efekt ). Takto fungujú magnetické spojky. Tento efekt nevadí tam, kde je prebytok príkonu, ako napríklad v automobiloch. Autoalternátory prerobené na budenie permanentnými magnetmi, ktoré ponúkajú niektorí výrobcovia sa coggingu nevedia zbaviť (pozri prípad MWANDS, ktorý bude zmienený neskoršie). Môj návrh alternátora podľa USS má 18 pólových nástavcov a 20 magnetov, čím sa polohy magnetov oproti nástavcom (jadrám) posunuli. Priamo proti sebe v súosovom postavení sú vždy len dva magnety a pólové nástavce. Uzamykacia sila sa podstatne zníži, v prípade optimálneho magnetu a správne navrhnutého statora na nepodstatnú hodnotu. Samotný rozbeh pri slabých vetroch je samoúčelný. Pri rýchlostiach pod 3 m/s je energia prakticky nulová, tak nie je dôvod na radosť, že sa to točí. Pri nízkych rýchlostiach vetra, napríklad v rozmedzí 2 až 5 metrov za sekundu je vietor nestabilný (pozri obr. 18). Pohon na roztočenie potrebuje dlhší závan silnejšieho vetra, napríklad tých 5 m/s, a potom sa už točí aj pri nižších rýchlostiach. 7
Musíme zoberať do úvahy fakt, že odpor stojacieho stroja, teda hlavne ložísk s trvalou náplňou mazacieho tuku je najmä v zime vplyvom stuhnutého maziva podstatne vyšší ako odpor točiaceho sa stroja so zahriatymi ložiskami. Chvíľu trvá, než sa v chladnom počasí stroj prvý raz rozbehne a zahreje, ale potom sa už rozbieha ľahšie. A obyčajne k večeru, keď vietor ustáva sa už každá správne zahriata turbína točí aj pri slabom vánku. Keď sme už pri tých ložiskách, treba poopraviť ďalšiu hrubú dezinformáciu ohľadne odporu a strát v ložiskách. Kvalitné valivé ložiska, teda nie čínske, správne uložené a namontované pomocou lisovania bez kladiva spotrebujú len niekoľko promile (!!!) z príkonu. Na veternom pohone sú dve, pri prevode maximálne štyri ložiská. Netreba sa s tým vôbec zaoberať. E. AKO VLASTNE FUNGUJE VAWT? Obr. 5: Rýchlostné a silové pomery na rotore VAWT. Všimnite si: - Listy sa pohybujú po valcovej ploche - Krídlo na záveternej strane je oproti krídlu na náveternej strane ofukované z druhej strany - Krídlo na náveternej strane spomalí vzdušný prúd až na 1/3 rýchlosti prichádzajúceho vetra. Znamená to, že na záveternej strane toho moc nezostane, iba víry a turbulencie - Efektívna zametaná plocha má šírku asi 0,87 z priemeru D. V polohách 0 o a 180 o krídlo vzdušný prúd nekrižuje a tak z neho ani neodoberá energiu - Priemet plochy krídiel trojkrídlového rotora do vzdušného prúdu je maximálne 2*t (t= šírka krídla). - Priemerná účinná plocha jedného krídla je v rozmedzí 0,87D len 0,785*t 8
V tomto rámci sa budeme pohybovať pri návrhu nášho H-rotora. Zrekapitulujme si: - Zametaná plocha cca 2m 2. - Máme optimalizovaný vysokoúčinný alternátor s menovitým výkonom 200 Watt. - Zvolili sme si rozmer D=1,3 metra a H=1,6 metra. - Uspokojili sme sa s energetickým ziskom cca 94 kwh za rok. Teraz môžeme začať navrhovať a konštruovať. Počet listov Toto je azda najľahšia úloha. Železné pravidlo hovorí, že pre rýchlobežný stroj je ideálny počet listov 3 (slovom TRI!!!). Kto si to neuvedomil pri grafoch na obr. 2, tak by mu to malo dôjsť pri grafe na obr. 6 (dolu). Na grafe z obr. 2 je vidieť tá najzásadnejšia výhoda trojlistových strojov- najvyššia účinnosť. Je to skutočne jednoduché, graf na obr. 6 nám dáva len dve možnosti. Pre rýchlobežné stroje v rozsahu rýchlobežnosti 3 a viac si vystačíme s trojlistovou koncepciou pri plnosti10 až 20 %, pre pomalobežné stroje potrebujeme 12 až 20 listov s plnosťou 70 až 90 %. A neexistuje prakticky žiadny rozumný dôvod, aby bol počet listov medzi číslami 3 a 12. Ináč povedané, ak by niekomu vyšlo číslo v tomto intervale, tak buď v návrhu urobil nejakú zásadnú chybu alebo mal nejaké iné úmysly. MWANDS Obr. 6: Počet listov vrtule v závislosti na rýchlobežnosti. Počtu listov zodpovedá plnosť. Missouri Wind and Solar je firma, ktorej podľa mojich znalostí naletelo asi najviac ľudí zaujímajúcich sa o malé HAWT (v prípade VAWT je to asi firma ROPATEC), sám som sa v roku 2012 stretol s tromi takýmito prípadmi. A to je Slovensko veľmi malé... Na obr. 7 je príklad, ako ďaleko môže uletieť fantázia pri návrhu veterného aparátu. Obr.7: Vrtuľa MWANDS a jej 11 listov. Ak by mala riadne navrhnuté tri listy, nie tieto fantazmagórie, dosiahla by lepšie výsledky (aj keď s týmto generátorom nič moc). 9
Všimnite si hlavne tvar listov. V rozsahu, kedy vrtuľa produkuje najviac, teda od polovice polomeru po koniec listu sú to úzke lišty ako stredoveké meče. Pri náboji sa takto bizarne tvarované plochy dokonca prekrývajú (Mohlo by sa niekedy stať u veľmi pomalobežných strojov). Vysvetlenie môže byť takéto: Niekomu sa asi podarilo len tak od oka navrhnúť list vrtule tak, aby bola čo najmenšia spotreba materiálu pri lisovaní alebo odlievaní do formy. Následne sa zistilo, že tieto listy nestačia na uzamknutý alternátor. Nuž sa pridávali ďalšie listy až do čísla 11 (zatiaľ). Výsledkom je pomalobežná turbína, ktorá má poháňať rýchlobežný generátor. To sa môže podariť len pri silnom vetre, ale za cenu veľkého hluku. Ten sa tvorí najmä odtrhnutím prúdenia na úzkych a zle natočených listoch s bohatým prispením koreňovej časti. Ale, ako sa hovorí, vždy sa nájde hlúpy, ktorý to kúpi. Zametaná plocha a počet listov V súvislosti s počtom listov často vzniká dojem, že vyšší počet listov lepšie využije plochu a vyprodukuje viac energie. Je to ale ináč. Mám k tomu jedno prirovnanie. Predstavte si, že treba pozametať ulicu. Postavíme vedľa seba jedenásť zametačov, ktorí ju zametú v pomalom tempe. Každého hneď napadne, že ak by sa hýbali rýchlejšie, zametú to za rovnaký čas iba siedmi, potom piati a nakoniec skončíme pri troch, ale tí sa musia už poriadne obracať. Vrchol v tom, ako zavádzať zákazníkov predviedla ďalšia americko-kanadská firma Windtronics. Doviedla to až na okraj absurdity, akože koľko energie sa bez úžitku precedí cez trojlistovú vrtuľu (vpravo) oproti tomu, koľko užitočne prejde cez ich vynález nazývaný WT6500 (vľavo). Nakoniec sa ukázalo, že celý WT6500 je nefunkčný stroj bez úžitku, firma zbankrotovala a zostali po nej len dlžoby. Na Slovensku je inštalovaný jeden taký stroj. Inštaloval ho díler, ktorý chcel zázračne zbohatnúť. Ťažko, keď mu to za dva roky nevyrobilo ani jednu kwh!!! F. KRÍDLO Obr.8: Windtronics - predstava o zametanej ploche Krídla rotora sú základný výkonný prvok ktorému sa musíme venovať veľmi pozorne. Zatiaľ máme len ich dĺžku, z návrhu alternátora vieme, že ten začína nabíjať batériu pri 180 otáčkach za minútu. Rýchlobežnosť rotora naprázdno bude 4, dbáme, aby po zaťažení príliš neklesla. Teraz potrebujeme vypočítať podľa profilu listu a jeho šírku (alebo tiež dĺžku tetivy profilu). 10
Obr. 9: Priebeh koeficientu vztlaku a odporu pre profil NACA 0015 Pre výpočet šírky krídla t boli zadané hodnoty C L a C D pre uhol nábehu a=5 st. Všimnite si ako súvisí Reynoldsovo číslo Re s maximom krivky koeficientu vztlaku C L. Zatiaľ čo pre nízke Re je uhol, pri ktorom sa začne odtrhovať prúdenie a prudko stúpa odpor (tzv. kritický uhol) asi 12 st., pre vyššie Re sa tento kritický uhol posunie na 15 st. Re číslo je závislé od rýchlosti vzduchu na profile krídla a od dĺžky tetivy profilu. V prípade použitia na lietadlách pri dĺžkach tetivy v metroch dosahujú hodnoty až 3*10 6, v našom prípade pri dĺžke tetivy v desiatkach centimetrov leda 2*10 5 Profil Pre H-rotor dávam prednosť symetrickému profilu. Dôvod je logický- na náveternej strane je ofukovaný jeden povrch, na záveternej druhý. Na tej záveternej strane je len turbulencia a podstatne znížená rýchlosť vetra, energetický zisk odtiaľ je skoro 0. Z praxe HAWT to poznáme ako príklad kedy by boli dve vrtule umiestnené tesne za sebou na jednom hriadeli (aj také zlepšováky existujú, pozri adresu na Taawin v závere práce). Tá zadná by tam bola úplne zbytočne. Zjednodušene výkon zo záveternej strany neuvažujeme, lebo krídla na náveternej strane už pozametali všetko. Takto tam symetrický profil aspoň nenarobí viac škody ako iný. Symetrický profil má ešte jednu výhodu, že čiara nulového vztlaku je totožná s osou symetrie rotora. Teda pri uhle nábehu a=0 o je aj vztlak rovný 0. Ak potom rotor nastavíme tak, že táto čiara je totožná aj s vektorom obvodovej rýchlosti, teda kolmá k polomeru rotora (uhol f, o ktorom bude reč neskôr bude tiež 0 o ), nemusíme sa už potom starať o nejaké uhlové nastavenie krídla. V prípade použitia asymetrického profilu to neplatí, čiara nulového vztlaku nie je symetrická (nemá byť s čím) a tak na jednej strane krídlo môže byť v poriadku, na druhej strane bude nepríjemne brzdiť. Ideálny by bol profil, hoci aj asymetrický, ktorý by pri prechode cez náveternú stranu dobre ťahal a málo brzdil a na záveternej strane brzdil ešte menej. Ja taký nepoznám, kto o ňom vie tak sem s ním. A tiež si myslím, že pre amatérov by jednoduché riešenie malo stačiť. Kto sa začne babrať s nejakým nastavovaním uhlov, a ešte k tomu bez patričných vedomostí sa dostane len do zbytočných problémov, vyriešenie ktorých mu neprinesie merateľné výsledky. V najlepšom prípade to začne ako tak pracovať. Pri použití symetrického profilu nám určite odpadne riešenie problému, ktorou stranou má byť obrátený proti vetru. Ja osobne navrhujem, že tou druhou... Teda zásadne zvolíme starý známy a osvedčený profil NACA 0015. Je to konzervatívny profil a je o ňom dosť informácii. Pomohol vyhrať Druhú svetovú vojnu, používal sa na stabilizačných plochách lietadiel a vzducholodí. Hrúbku 15% som zvolil ako stred medzi hrúbkami 10% a 20%. Väčšia hrúbka umožní skonštruovať krídlo s dostatočným odporom proti ohybu. Superprofily Okrem takýchto klasických a osvedčených profilov existujú aj takzvané superprofily, pôvodne skonštruované pomocou matematických modelov na počítačoch. Pri ich návrhu sa ušetrí na experimentoch, aj keď sa nakoniec aj tak musia otestovať v aerodynamickom tuneli. Ich nevýhodou je, že sú náročné na presnosť výroby, šablóny sa musia rezať na presných CNC strojoch a hlavne nie sú navrhnuté pre nízke Re čísla. Ich prípadné prínosy (ak vôbec nejaké sú) v našich amatérskych podmienkach nemáme ako zistiť. Klasické profily sú menej citlivé na tvarové nepresnosti a hlavne pre ne existujú overené údaje a skúsenosti z praxe. 11
Šírka listu Pre výpočet šírky listu VAWT nepoznám žiadny exaktný výpočet. Pomáham si preto pomocou analógie a používam výpočet pre HAVT, ktorý bol publikovaný v časopise Elektrón číslo 4 až 6 z roku 1983. Výpočet spracoval Doc. Ing. Karol Fiľakovský CSc., uznávaná autorita v odbore. Výpočet je pomerne komplikovaný. Svoju prvú vrtuľu som v tých rokoch počítal ručne, s použitím bulharskej kalkulačky. Vypočítať niekoľko priblížení mi trvalo celý deň a vybil som pritom dve AA batérie. Hneď v roku 1990, keď som sa dostal k prvému počítaču som tento výpočet naprogramoval pomocou jednoduchého interpretera Q-basic. Teraz urobím sériu výpočtov za niekoľko minút. Do programu treba zapísať údaje o charakteristikách profilu NACA 0015 a potom len vložiť vstupné údaje (v zátvorke sú údaje, ktoré som vložil v tomto prípade): - Názov súboru VAWT (160x130 ) - Návrhová rýchlosť vetra Vo ( 3 m/s ) - Polomer vrtule R ( 0,65 m ) - Polomer stredu r s ( 0,1 m ) - Počet listov K ( 2 ) - Súčiniteľ vztlaku C L ( 0,6) - Súčiniteľ odporu C D ( 0,026 - Otáčky pri Vo n o ( 3/s ) Program vychrlí hromadu riadkov a na konci potrebné údaje. Pre našu VAWT je dôležitá šírka listu na polomere R (na konci listu), ktorá vyšla 0,1625 metra, čo vypadá ako rozumné číslo. Pre úplnosť dodávam, že tento komplexný výpočet počíta aj s tzv. indukovanou rýchlosťou. Je to rýchlosť vetra v rovine rotácie vrtule, ktorá je oproti rýchlosti Vo (teda návrhovej okamžitej rýchlosti vetra pred vrtuľou) o niečo nižšia. Je to spôsobené tým, že vietor sa spomaľuje už pred kotúčom vrtule a ďalej za vrtuľou sa vzdušný prúd ešte viac rozširuje, pretože spomalený vzduch za vrtuľou musí niekam odchádzať, nemôže sa tam hromadiť. V informačných grafoch v tejto práci tieto detaily nezobrazujem, pretože rýchlostné trojuholníky by boli zbytočne neprehľadné. Návrhovú rýchlosť vetra volím tak, aby pri nej generátor práve začal nabíjať batériu. Je v princípe jedno, akú návrhovú rýchlosť zvolíme, iba otáčky generátora a vrtule musia vyhovovať konštantnej rýchlobežnosti pri danej rýchlosti vetra. 1 sa nerovná 3 Teda máme šírku listu dvojlistovej vrtule (t=0,1625 m), ktorá má mať rovnakú obvodovú rýchlosť ako krídla našej VAWT. Tu sa však dostávame k bodu kedy prvý raz použijeme trochu intuície, samozrejme podloženej racionálnymi úvahami. Obr.10: Porovnanie HAWT vrtule s H-rotorom. Dvojlistová vrtuľa HAWT má plochu listov (D*t) rovnú ploche jedného listu H-rotora (H*t) 12
Podľa obr. 10 by jedna dvojlistová vrtuľa mala mať rovnaký výkon ako jedno krídlo H-rotora. Ale načo sú tam potom tie zvyšné dve krídla? V prvej chvíli by mohlo niekoho napadnúť, že teda krídla VAWT urobíme so šírkou 1/3*t. Ale to by nám vyšli tri krídla šírky 54 mm a bola by to zásadná chyba. A tak stále platí, že jeden sa vždy rovná len jeden. Na obr. 11 sú zachytené polohy krídel VAWT počas pohybu po náveternej strane. - V polohe A je v zábere zelené krídlo, ktoré práve končí svoju misiu. Červené krídlo sa dostáva do polohy, keď začne zametať. - V polohe B začína červené krídlo zametať, jeho priemet do roviny kolmej k smeru vetra je 0,5*t. Zelené krídlo práve končí. - V polohe C je červené krídlo vystavené vetru naplno, avšak v tejto polohe pracuje s uhlom nábehu a väčším ako je kritický uhol, dochádza k prudkému zbrzdeniu. - V polohe D červené krídlo končí svoju misiu a jeho priemet do roviny kolmej k smeru vetra je opäť 0,5*t, nastupuje fialové a celý proces sa opakuje. Záver: Pri H-rotore je vždy v zábere len jedno krídlo, zvyšné dve sa presúvajú bez úžitku do užitočnej polohy cez záveternú stranu, kde je rýchlosť vetra až o 2/3 nižšia ako pred vrtuľou. Priemerný priemet šírky krídla do roviny kolmej k smeru vetra je počas jeho pohybu po náveternej strane rovný 0,785*t (tzn. p/4*t). Plnosť Obr.11: Polohy krídel VAWT Dostávame sa k pojmu plnosť ( Sp). Pre našu HAVT je to jednoduché. S priemerom 1,3 metra a listami šírky 0,1625 metra má pomocná dvojlistová vrtuľa z obr. 10 pri zohľadnení prázdneho stredu plnosť cca 11%. Pripomínam, že toto je fiktívna vrtuľa, jej výpočet slúži ako pomôcka. Pre rýchlobežnosť 4 sa dvojlistová vrtuľa nenavrhuje. Ale točila by sa. Pre náš H-rotor vypočítame plnosť podľa pomeru užitočných plôch premietnutých do roviny kolmej k smeru vetra. - Užitočná zametaná plocha rotora je D*0,87*H - Užitočná plocha krídla je 0,785*t*H - Plnosť v percentách je potom rovná 0,785*t*H/D*0,87*H, H sa vykráti a výsledný vzťah bude Sp=0,9*t/D*100% - - V prípade našej VAWT pre t=0,1625 m bude Sp tiež približne 11% ako u HAWT 13
Optimalizácia plnosti Obr.12: Závislosť súčiniteľa výkonu C P na rýchlobežnosti. Do tejto situácie, kedy sa účinnosť nepohybuje na vrchole krivky (pozri aj graf na obr.2), ale na jej strmej časti sme sa dostali hlavne pre nízku rýchlobežnosť a pre nízke Reynoldsovo číslo. S plnosťou 11 % sa pohybujeme pod účinnosťou 30 %. Trochu tomu môžeme pomôcť tým, že zvýšime plnosť zväčšením tetivy profilu z vypočítaných 162,5 mm napríklad na 200mm. Tým trochu znížime rýchlobežnosť a zvýšime Re. Pri t=200 mm bude Sp asi 14%. Tým zároveň získame priestor pre vyššiu pevnosť krídla pri pomerne zvýšenej hrúbke profilu. Kto sa drží pri zemi, vystačí s t=200 mm. Netreba sa hneď veľa rozhadzovať. Graf na obr. 12 je z práce Darrieus Wind Turbine Airfoil Configurations, ktorý pojednáva práve o profiloch NACA 00XX. Práve takéto užitočné informácie rozhodli o použití týchto profilov ako najvhodnejších pre malé VAWT. Takže máme stanovené rozmery krídel turbíny. Teraz ešte treba odstrániť bludy o akomsi nastavovaní krídel voči geometrii rotora. AoA-uhol nábehu Obr. 13: Vľavo hore rýchlostné pomery na vrtuli s profilom NACA 0015 (aj to by pomerne dobre fungovalo), keď je uhol nastavenia pevného listu f=7 o. Dole je situácia pri rotore VAWT s f=0. Vpravo je situácia, keby bolo krídlo VAWT nastavené ako pri vrtuli, teda s f=+7 o. Najprv si definujme AoA (Angle of Attack- uhol nábehu) je to uhol medzi tetivou profilu a vektorom relatívnej rýchlosti W. Tento uhol korešponduje s koeficientom vztlaku C L pre daný profil (pozri obr. 9). Uhol nábehu sa nedá zmerať bežnými meracími nástrojmi. Na obr. 13 vľavo hore je znázornený rýchlostný trojuholník 14
pre HAWT vrtuľu, ktorej tetiva listu je natočená vzhľadom k rovine rotácie o uhol nastavenia f. Pod týmto obrázkom je rýchlostný trojuholník pre VAWT, kedy je uhol nastavenia f=0, typický pre symetrické profily. Uhol nábehu a, teda uhol medzi tetivou profilu a vektorom relatívnej rýchlosti je v prípade, kedy je tetiva kolmo na smer vetra maximálny, v tomto prípade 12 o, teda na hranici kritického a krit. Ak sa rozhodnete natočiť krídlo VAWT podobne ako list HAWT, dôjdete k stavu podľa obr. 13 vpravo. Zatiaľ čo na náveternej strane by to mohlo fungovať dobre, teda uhol nábehu a nebude dosahovať kritické hodnoty, na záveternej strane bude uhol nábehu kritické hodnoty ďaleko presahovať a pôsobiť ako účinná brzda. Takto dopadnete aj pri asymetrickom profile. Nakoniec sa dostanete iba do zbytočných dohadov o tom, ktorá strana asymetrického profilu má byť kam otočená a do nikam nevedúcich intuitívnych korekcií natočenia krídla. Natočenie asymetrického profilu sa prejaví zlepšením chovania na jednej strane a zhoršením na druhej, nech s ním budete točiť akokoľvek. Naproti tomu pri použití symetrického profilu a uhle jeho nastavenia f=0 o budete mať o jeden problém menej a môžete na túto problematiku zabudnúť. Ale hlavne majte na pamäti že uhol nábehu a (AoA) nie je totožný s uhlom nastavenia f!!! G. KONŠTRUKCIA Konečne môžeme začať konštruovať, máme všetky miery, uhly, otáčky aj výkony pohromade. Teraz sa musíme zaoberať celkami aj detailmi konštrukcie s ohľadom na pevnosť, spoľahlivosť, technologičnosť, hmotnosť či náklady. V nasledujúcej časti sa pokúsim poukázať na niektoré kľúčové problémy. Stroje VAWT, teda tie jednoduché s pevnými krídlami dávajú málo možností na nejakú reguláciu príkonu pri vysokých rýchlostiach vetra. Spoliehať sa na to, že pri silnom vetre sa otáčky už nebudú zvyšovať nemusí stačiť. Okrem otáčok a teda aj odstredivej sily je tu ešte aj namáhanie od tlaku. Rotor sa pri silnom vetre a vysokých otáčkach správa ako celistvá plocha, naplno vystavená tlaku vetra. Pri rýchlosti vetra 10 m/s je osový tlak asi 53 N/m 2, pri 25 m/s je to 330 N/m 2 (prenásobte to našou plochou 2m 2 ). A vietor o rýchlosti 25 m/s už ničí aj iné veci, napríklad berie strechy či vyvracia stromy. Tie N (Newton, jednotka sily) od osového tlaku budú rozkmitávať krídla raz dovnútra, raz von z valca, po ktorom rotujú (pozri obr. 14). Pri konštrukcii veterných pohonov máme v zásade dve voľby. Buď navrhujeme stroj tak, aby sa nepríjemnostiam vyhol alebo tak, aby ich zniesol. Aj keď vyhnúť sa nepríjemnostiam sa nikdy nepodarí úplne, jednoznačne vyhráva prvý prístup. Pri ňom sa snažíme o stroj ľahký, staticky dobre zabezpečený, s minimalizovaním namáhania (najmä ohybového), dobre vyvážený, s pasívnou aj aktívnou ochranou proti podnebiu, korózii apod. Spoliehať sa na to, že stroj znesie vonkajšie pracovné prostredie (mimochodom jedno z najhorších), kde sa striedajú podmienky typu tropical s podmienkami typu marine či arctic len predimenzovaním jeho konštrukcie je pochabosť. Ani to najsilnejšie železo neznesie cyklické únavové zaťaženie či krehký lom. Pevnosť stroja VAWT dostali do vienka azda najhoršie podmienky z hľadiska namáhania krídel odstredivou silou. Toto namáhanie sa nedá odstrániť, vhodným statickým zabezpečením a ľahkou konštrukciou sa dá len podstatne znížiť. Na obr. 14 (dole) sú tri príklady zavesenia rotora na zvislý hriadeľ. Prvý (vľavo) svedčí o absolútnom podcenení problematiky. Druhý (v strede) je náchylný na cyklické kmitanie, keď je v náveternej polohe tlakom od vetra ohýbaný dovnútra valca rotácie, v záveternej von. A cyklické kmitanie si poradí so železom ľubovoľnej hrúbky. Tretí príklad (vpravo) vďaka trom bodom zavesenia krídla znižuje ohybové namáhanie oproti predošlému 4x (!!!) a vďaka rozmiestneniu závesov (1/6H, 1/3H) zabezpečuje rovnomerné ohybové napätie po celej dĺžke krídla. A drôtené výstuhy sú osvedčené už minimálne 110 rokov. 15
Obr.14: Príklady statického zabezpečenia Spôsob zavesenia vpravo možno prirovnať ku konštrukcii vystužených dvojplošníkov od prvopočiatkov lietania. Išlo o to dosiahnuť potrebnú štrukturálnu pevnosť pri najnižšej hmotnosti. Funguje to dodnes. Samozrejme len vtedy, ak to nepokazíme inými zanedbaniami. Pri správnom pomere H/D= 1,25 budú uhly podľa obrázka sedieť skoro presne. Pomer H/D=1,25 by som nazval akýmsi zlatým rezom rozmerov VAWT. Nosník krídla Podobne ako v ére dvojplošníkov aj u dnešných VAWT by mal byť základom pevnosti krídla hlavný nosník. Spoliehať sa na polystyrénové jadro potiahnuté laminátom má totiž svoje obmedzenia. Obr.15: Krídlo s nosníkom (poz. A) a bez nosníka (poz. B) Na obr. 15 v pozícii A je typicky príklad krídla s nosníkom. Každý poriadny nosník má stojinu, ktorá zabezpečuje vzdialenosť h pásnic nosníka. Ideálna stojina je z dreva nastojato. Odpor proti ohybu, v statike označovaný ako W o sa vypočíta podľa vzorca W o =b*h 2 /6. 16
Tá druhá mocnina rozstupu pásnic (výšky nosníka) nás zaujíma najviac. Ak pásnice zhotovíme z kvalitného sklolaminátu so sklenými vláknami orientovanými pozdĺž stojiny alebo nebodaj z uhlíkového rowingu, spravili sme pre pevnosť nosníka najviac, ako sa dalo. V pozícii B obrázka je príklad, ako sme spravili najmenej. Nielenže v mieste najväčšej hrúbky krídla chýba akýkoľvek nosník a pásnica je akoby nahradená tuhým poťahom, ale sme ju tam, kde by mala plniť svoju úlohu dvakrát prerušili závesom krídla. To akoby sme ten pomyslený nosník narezali, a ešte k tomu na vnútornej strane kde je najviac namáhaný ťahom! O vrubovej húževnatosti ani nehovorím. Ja viem, že laminát znesie veľa (ale drevo nastojato podstatne viac), tak načo mu to komplikovať! Konštrukčné krídlo Pre výrobu troch krídel sa pre amatérsku konštrukciu hodí konštrukčné krídlo, ako ho poznajú leteckí modelári (odtiaľ to mám aj ja). Na obr. 16 dole je príklad takejto konštrukcie. Krídlo je ľahké, podľa prepočtov by pri rozmeroch H=1,5 m a t=0,2 m vážilo necelé 2 kg. Je možné vynechať rebrá a nahradiť ich polystyrénovým jadrom, aspoň v strede, pričom konce krídla by mohli byť bez polystyrénu, duté. Pásnice nosníka možno zalaminovať priamo do konštrukcie krídla. Nápadov môže byť skutočne veľa, základom je ale vždy pevný, neprerušený nosník a nízka hmotnosť, najmä koncových častí krídla. Takéto krídlo zároveň spĺňa aj podmienku bezpečný pri poruche. Ak by aj odletelo (občas sa stane), rozpadne sa na drobné súčiastky a nenarobí veľa škody. Obr.16: Rez konštrukčným krídlom 17
Brzdy Toto je len pre tých, čo sa nespoliehajú že ich stroj prežije všetko sám bez pomoci. Aerodynamické brzdy, ako sú znázornené na obr. 17 dole nie sú žiadny prevratný vynález. Používali sa na malých dvojlistových veterných nabíjačkách pri kolonizovaní amerického Divokého západu (pozri článok HISTORIA.pdf). Obr.17: H-rotor s brzdovými klapkami Aerodynamické brzdy pracujú jednoducho- vyklápajú sa účinkom odstredivej sily, sú jednoduchej konštrukcie a samočinne udržia otáčky rotora v rozumných medziach. Pre malé VAWT sa hodí aj tzv. elektrodynamická brzda. Pred dosiahnutím nebezpečných otáčok sa vinutie alternátora jednoducho spojí nakrátko. Skratový prúd stroj zabrzdí na veľmi malé otáčky. Ide len o to, aby vinutie nezhorelo. Skratovanie by sa malo zapájať plynulo, aby sa obmedzil prudký nárast prúdu alebo ráz do konštrukcie. Aj norma STN EN 61 400-2 Bezpečnosť malých veterných elektrárni hovorí o dvoch na sebe nezávislých systémoch ochrany. Oplatí sa nad tým pouvažovať. H. TO OSTATNÉ Účinnosti Tak sme sa nakoniec dostali k malej HAWT, ktorá neváži viac ako 25 kg, na svoju veľkosť je primerane výkonná a účinná. Ozaj, ako je to s tou účinnosťou? Koľko nám vôbec za tu námahu náš stroj vyprodukuje? Základný vzorec pre výpočet okamžitého výkonu veterného stroja je jednoduchý a všeobecne známy. Pozrime sa však naňho zblízka. P=1/2*m*Vo 2 *η Ak si dosadíme za m=vo*r*s, za hustotu vzduchu r dosadíme hodnotu 1,2 kg/m 3, (v nadm. výške 250 m pri teplote 15 o C) výsledný vzorec dostane definitívnu podobu: P=0,6*r*S*Vo 3 *η Hodnoty ako hustota vzduchu či okamžitá rýchlosť vetra nevieme ovplyvniť a plochu sme stanovili natvrdo, takže pre nás zostala len účinnosť. Tam sa musí zamerať všetko naše úsilie. 18
0:10 1:00 1:50 2:40 3:30 4:20 5:10 6:00 6:50 7:40 8:30 9:20 10:10 11:00 11:50 12:40 13:30 14:20 15:10 16:00 16:50 17:40 18:30 19:20 20:10 21:00 21:50 22:40 23:30 Vo (m/s) 0:10 1:00 1:50 2:40 3:30 4:20 5:10 6:00 6:50 7:40 8:30 9:20 10:10 11:00 11:50 12:40 13:30 14:20 15:10 16:00 16:50 17:40 18:30 19:20 20:10 21:00 21:50 22:40 23:30 Vo (m/s) Lebo: - Účinnosť pohonu je hlavne vďaka nízkemu Re a vrodeným nevýhodam koncepcie VAWT sťažka 30% - Účinnosť alternátora s permanentnými magnetmi aj pri najväčšej snahe nebude viac ako 85 %, u amerického alternátora bude možno až 50%. Potom dostaneme pre správne navrhnutý stroj účinnosť zhruba 25%, pre ten druhý prípad zhruba 15 % A ak tam pridáme (úplne zbytočný) menič s MPPT s účinnosťou okolo 95 % stratíme nielen skoro všetky percentá, a to sme ešte ani nedošli k batérii. Ako sa chová vietor 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 DENNÝ PRIEBEH RÝCHLOSTI VETRA (1) Va15,6 Va7,2 Va-max8,6 Va-min5,6 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Va5,2 Va3,8 Va1,5 DENNÝ PRIEBEH RÝCHLOSTI VETRA (2) Obr.18: Príklady denných priebehov okamžitých rýchlostí vetra. V grafe (1) je červenou čiarou vyznačená priemerná hodnota pre Va=7,2 m/s a okolo nej sú maximálne a minimálne odchýlky. Krivka pre Va=15,6 m/s je v našich pomeroch výnimočná. Na grafe (2) sú príklady priebehov štandardných dní pre väčšinu roka. Grafy z obr. 18 pochádzajú zo skutočných meraní, ktoré robím po území Slovenska od roku 2000. Dávajú predstavu, ako môže vypadať veterný aj málo veterný deň. Hodnoty rýchlosti vetra sú zaznamenávané podľa metodiky MEASNET, európskeho štandardu pre projektovanie veľkých veterných parkov. Záznamová technika spracováva údaje z kalibrovaných anemometrov v desaťsekundových intervaloch a zo šesťdesiatich takýchto dávok, teda z desiatich minút urobí priemer rýchlosti vetra, za deň je to 144 hodnôt. V každej dávke systém zároveň zaznamená aj maximálnu a minimálnu rýchlosť vetra v tomto intervale a urobí z nich priemer. Takýto príklad je na obr. 18 (1). Priemerná celodenná rýchlosť vetra bola v ten deň 7,2 m/s, minimum nekleslo pod 2,5 m/s (jeden prípad), maximum bolo 11,7 m/s. 19
Krivky na grafe (2) ilustrujú také obyčajné všedné dni, akých zažijeme najviac. Bledomodrá krivka pre Va=1,5 m/s je typická pre letný deň. Rotor či vrtuľa sa niekoľko krát za deň roztočí a po chvíli aj zastaví, nedodá prakticky nič. Tmavomodrá krivka pre Va=5,2 m/s predstavuje dni, kedy sa vyprodukuje najviac. A posledná hrubá zelená je typická pre najviac dní v roku, azda okrem toho náhleho zvýšenia rýchlosti vetra okolo šiestej hodiny popoludní. Tieto krivky tiež ukazujú zvýšenie rýchlosti vetra vplyvom lokálnych vetrov v popoludňajších hodinách. Deň s Va=7,2 m/s som vybral zámerne, aby som poukázal na to, že v takýto deň by sa dobrý veterný agregát mal točiť prakticky nepretržite, žiadne nuly. Reagujem týmto hlavne na príspevok Nové dáta z turbíny zo dňa 12.1.2012 zo stránky VAWT.sk. Nezasvätení, ktorí by prijali výklad autora by sa mohli podobne ako on poddať ilúzii, že dosahované výkony sú dobré a chybička je len niekde v malej uhlovej odchýlke nastavenia listov. Pozrime sa na to podrobnejšie: - Za dvadsať dní dodal rotor s plochou cca 4m 2 (ak mám správny údaj o rozmeroch) 8550 Wh, čo je priemerne 427,5 Wh denne, asi 18 Wh za hodinu. Podľa mňa je to na zimné obdobie úplná bieda. - V ten deň, keď stroj dodal pri vetre s priemernou celodennou rýchlosťou (údajne) cca 8 m/s (±3 m/s) tých 3880 Wh, (čo je podľa autora jeden povzbudzujúci údaj ) dodal za hodinu priemerne 162 Wh (jeho priemerný výkon bol 162 W). - Ak by boli takéto veterné podmienky (ako za tých dvadsať dní) po celý rok, (čo určite nebudú) tak celková produkcia za rok by bola 156 kwh, teda 39 kwh/m 2. Ako hovoria Rusi, pre toto sa ani neoplatí zliezť z pece (ak to stačí autorovi, jeho vec. Ale ostatní buďte opatrní). Kde teda urobili (nie súdruhovia z NDR) chybu? MPPT menič/regulátor alebo ako sa to ešte dá ešte viac pokaziť. Myslím že je to v tomto. Ak je babe dobre, ide sa na ľad šmýkať. Ak nemáme problémov dosť, kúpime si menič/regulátor s MPPT. O tejto funkcii som sa dočítal na internete, že je to regulátor maximálneho bodu účinnosti. MPPT (z angl. Maximum Power Point Tracker) je proces, ktorého úlohou je nájsť bod maximálneho výkonu v závislosti od prúdu a napätia pre vyvedenie výkonu z fotovoltaických panelov. Krivka priebehu účinnosti niektorých druhov panelov ako napr. tenkovrstvových je veľmi plochá a nie každý striedač dokáže účinne nájsť tento bod. Lenže to, čo funguje pri fotovoltaických paneloch je v prípade veterných pohonov úplne zbytočné, dokonca to ich výkony zásadne znehodnocuje. Regulátor (ďalej len MPPT) nemá ako nájsť ten maximálny bod účinnosti, lebo má k dispozícii len napätie alternátora naprázdno. Pri určitom napätí naprázdno, na ktoré je nastavený pripojí pohon k batérii. Batéria zaťaží alternátor, napätie sa na základe fyzikálnych zákonov samo snaží znížiť na hodnotu pre štandardné nabíjanie batérii, napr. pre nenabitú 24 Volt batériu na cca 28 V. To sa zas nepáči MPPT. Pri poklese napätia sa znova odopne sa od alternátora a znova čaká na zvýšenie napätia A tak stále dookola. Takto sa chová bez ohľadu na to, aký je príkon. V klasickom zapojení je (bez MPPT) alternátor stále pripojený k batérii bez zbytočného medzičlánku. Pri otvorenom obvode, keď je odpor nekonečný, je prúd rovný 0 a indukované napätie je priamo úmerné otáčkam. Po dosiahnutí napätia vyššej hodnoty ako je napätie batérie (alebo po pripojení od meniča) začne fungovať Ohmov zákon (I=U/Z, Z je impedancia, čiže vplyv ohmického aj indukčného odporu. Impedancia je aj funkciou otáčok), do batérie ide prúd presne podľa toho, aký je príkon. Ak vietor ustane a napätie klesne, výkon klesne tiež, niekedy aj pod 0 Watt. Ja tu nevidím priestor pre žiadneho prostredníka typu menič apod. Samozrejme dobre to funguje len vtedy, ak je všetko zladené. Otáčky pohonu s otáčkami alternátora a príkon s výkonom. S meničom graf dodávky vypadá ako ostne ježka. Po pripojení k batérii pohon vydá naakumulovanú energiu, zabrzdí sa, MPPT ho odpojí, znovu sa začne rozbiehať atď. Špičky ostňov nereprezentujú skutočný výkon. Potom sa môže zadať, že maximálny výkon smeroval niekde k 600 Watt. Nesmeroval. 20
Nech nás nepomýli ani to, že dodávatelia ponúkajú meniče s MPPT s možnosťou nastavenia vo Wind mode. Ich záujem je predávať bez ohľadu na to, že to nebude slúžiť... Takže záver: Zabudnite na MPPT. Systém s alternátorom pripojeným priamo do batérie plní všetky funkcie dokonale. Ušetríte peniaze a bude Vám to fungovať najlepšie, ako sa dá. Ak regulátor tak na niečo iné. Prvým nebezpečenstvom ktoré treba riešiť je prebíjanie batérie. Mala by byť odpojená od nabíjania. Ale ak by sa len tak odpojila od zdroja hrozí pohonu prudké stúpnutie otáčok, u veľmi rýchlobežného stroja až na dvojnásobok. Tu by sa mal stroj prepnúť do nejakej náhradnej záťaže. Veľmi malé pohony s plochou do 1m 2 s patrične dimenzovaným vinutím možno prepnúť aj do skratu, väčšie sú na tom horšie. Komerčné regulátory to obyčajne neriešia. Stožiare Ako som spomenul už v úvode, pri umiestnení rotora na zemi veľa múky nepomelieme. Ak chceme vyprodukovať aspoň trochu elektriny, musíme sa dostať do výšky aspoň 10 metrov nad hladkým terénom. Obr.19: Ľahký priehradový stožiar. Vľavo vo vztýčenej polohe, vpravo pri vztyčovaní pomocou zdviháka/navijaka/traktora. Pre tento účel ponúkam priehradový stožiar vlastnej konštrukcie podľa obr. 19 hore. Vychádza z osvedčenej vlastnej konštrukcie stožiara o výške 30 metrov, ktorý používam pre meracie stanice. Tento je pre výšku10 metrov, ale možno ho stavebnicovo zvyšovať s krokom 3 metre. Pri výške 9+1 metra vyžaduje kotvenie lanami v dvoch výškových úrovniach a troch radiálnych smeroch. Ľahký priehradový nosník má prierez rovnostranného trojuholníka o dĺžke strany 25 cm. Jednotlivé moduly sú dĺžky 3 metre, spojujú sa prírubami. Hlavné rúry sú tenkostenné Fi 22x1,8 mm, výstuha je z rúry Fi 10x2 mm. Jeden modul váži 16 kg, takže všetky tri možno prepraviť na záhradke osobného automobilu s nosnosťou 50 kg. Dĺžka modulu tri metre má ďalšiu výhodu v tom, že rúry sa dodávajú v dĺžkach 6 metrov. Na celý stožiar včítane nástavca je potom treba kúpiť len 5 rúr. Priehradová konštrukcia je tuhá a ľahká, dobre odoláva kmitom. Oproti jednoduchej rúre je o polovicu ľahšia a vyžaduje menej kotviacich lán. 21
I. RÔZNE Ďalej už len heslovite: - Ak máte úmysel ušetriť peniaze či dokonca zbohatnúť predávaním prebytkov do verejnej siete, tak ste na nesprávnom mieste. Žiadna amatérska či profesionálna malá veterná turbína či rotor na Slovensku ešte nevyprodukovala nejaké prebytky - Ak by sa to podarilo práve vám, tak od rozvodných závodov nedostanete povolenie k pripojeniu k ich sieti - Žiadny elektromer sa nebude točiť pospiatky či odčítavať vašu výrobu od dodávky - Žiadny stavebný úrad nevydá povolenie na prevádzku necertifikovanému zariadeniami bez prehlásenia o zhode s normou STN EN 61-400-2 - Číňania namiesto riadneho certifikátu ponúkajú iba pekné farebné plagátiky bez obsahu - Ak by ste sa rozhodli takéto zariadenia vyrábať a predávať, nemáte šance. Trh s takýmito zariadeniami je len virtuálny, na svetovom pôsobí a živorí niekoľko firiem, na Slovensku sú to len neúspešní priekupníci a špekulanti - Zostáva vám len mini systém na dobíjanie batérii, kde musíme rátať s ďalšími stratami. 12 voltovú batériu nabíjame napätím 12,6 až 15 V, vybíjame pri napätí 12 V. Už len tento faktor spôsobuje straty 15-20 % - Návratnosť investície je v nedohľadne - Ak sa tomu venujete len pre vlastné potešenie, vzdelanie a zábavu tak ste na správnom mieste ZÁVER K zostrojeniu funkčnej, účinnej a bezpečnej malej veternej nabíjačky potrebujeme dobrý návrh, šikovné ruky, trpezlivosť a trochu peňazí. Ak niečo zanedbáme a spoľahneme sa len na svoje nadšenie, úspech sa nedostaví. Lebo aj to, čo začína dobre môže skončiť zle. Čo začína zle však vždy aj zle skončí. Zoznam symbolov: P Výkon (W) E Energia (Wh) m Hmotnosť (kg) T Trvanlivosť jednotlivých Vo (hodiny) Vo Okamžitá rýchlosť vetra (m/s) Va Celoročná priemerná rýchlosť vetra (m/s) W Relatívna rýchlosť vetra (m/s) Uo Obvodová rýchlosť na konci listu/krídla (m/s) Re Reynoldsovo číslo ( ) a Uhol nábehu (st) a krit Uhol nábehu kritický (st) f Uhol nastavenia profilu (st) η Účinnosť (%) r Hustota vzduchu (kg/m 3 ) C L Koeficient vztlaku ( ) C D Koeficient odporu ( ) C P Koeficient výkonu ( ) Sp Plnosť (%) S Zametaná plocha (m 2 ) H Výška (m) t Dĺžka tetivy/šírka profilu (m) D Priemer rotora/vrtule (m) R Polomer rotora/vrtule (m) 22
rs Polomer stredu (m) r Polomer v reze vrtule (m) X Rýchlobežnosť ( ) n o Otáčky pri Vo (1/s) K Počet listov/krídel ( ) Wo Odpor proti ohybu (m 3 ) b Šírka pásnice nosníka (m) h Výška stojiny nosníka (m) ADRESY: 1. MWANDS- tu sa môžete pozrieť na originálne výmysly, určené skôr na kšefty ako na praktické využitie http://www.mwands.com/index.php?main_page=product_info&cpath=43_45&products_id=519 2. MAGNETY- vyberiete si čo potrebujete http://www.supermagnete.de/eng/magnets.php?group=discs_big 3. Tu si môžete pozrieť skoro všetky malé veterné agregáty na svete http://www.allsmallwindturbines.com/ 4. Najnovší český nezmysel www.simeti.eu 5. Natočia medeného smaltovaného drôtu koľko treba a pošlú na dobierku http://www.copperplus.sk/ 6. Moji obľúbení špekulanti http://www.windtronics.sk/turbiny-windtronics/technologia 7. Priekopník nezmyslov v Čechách aj na Slovensku http://www.stavebnictvi3000.cz/clanky/vetrne-elektrarny-taawin/ V Trnave 20.1.2013 Ernest Ježík Nezávislý konzultant pre veternú energetiku http://renen.szm.sk http://www.male-veterne-turbinky.sk/ e-mail: renen.cons@stonline.sk Odborne spôsobilá osoba pre posudzovanie EIA pri MŽP, pozri: http://eia.enviroportal.sk/sposobile-osoby?m=0&p=j&c=0 Ernest Ježík 2013 23
24