21.7.2016 - Predchádzajúci článok Čo z toho a čo za to? mohol navodiť dojem, že veterná turbína vyžaduje mnoho zložitej elektroniky, čím sa systém komplikuje a predražuje. Nebolo by mi to napadlo, ak by mi jeden priateľ po prečítaní toho článku nepovedal, že "straším ľudí" :-). Uznávam, že to tak môže naozaj vyzerať, preto sa pokúsim otázku elektroniky a bezpečnosti rozobrať podrobnejšie.

     Zopakujem tvrdenie z inkriminovaného článku, že naozaj malé mikroturbínky, slúžiace napríklad na nahrádzanie samovybíjacích strát neveľkých akumulátorov by sa teoreticky dokázali zaobísť bez akejkoľvek elektroniky. Väčšie turbínky už ale elektroniku potrebujú. Minimálne pre reguláciu nabíjania batérií. Regulátor musí z napätia generátora, ktoré kolíše s otáčkami, urobiť napätie vhodné pre baterku a riadiť jej nabíjanie. Inak

by pri dlhodobom a neobmedzovanom nabíjaní v silnejšom vetre mohla utrpieť aj nezvratné poškodenie.

     Regulátory

     Otázke regulátorov som sa už venoval v článku Potrebujeme MPPT regulátor pre veternú turbínu? Odporúčam pozrieť, ale stručne zhrniem: Nie. MPPT je vhodný pre solárne aplikácie. Vyhľadávanie bodu maximálneho výkonu, resp. účinnosti u tak dynamického zdroja ako je generátor poháňaný vetrom nie je dostatočne rýchle, ale ani spôsob merania MPPT nie je pre veternú turbínu vhodný. Potrebujeme niečo celkom iné. Po prvé to, aby regulátor riadil odber z generátora tak, že odber energie začne až po dosiahnutí napätia ktoré sami môžme určiť, aby sa turbína mala šancu rozkrútiť do optimálnych otáčok. Po druhé potrebujeme, aby regulátor z generátora odoberal len taký výkon, ktorý ho nebude príliš brzdiť. Na to potrebuje regulátor vlastne vedieť, aká je výkonová krivka turbíny. Zadáva sa do softvéru regulátora, väčšinou formou dvojstĺpcovej tabuľky, kde je v prvom stĺpci výstupné napätie generátora a v druhom maximálny výkon, ktorý pri tomto napätí môže regulátor z turbíny odoberať. Ak je vietor silnejší a dokáže vyprodukovať vyšší výkon, vzrastie napätie generátora a regulátor sa posunie na ďalší riadok tabuľky s vyššími hodnotami. Týmto dokážeme udržiavať turbínu v optimálnych otáčkach a rýchlobežnosti v celom jej výkonovom rozsahu. Vyššie napätia generátora sú následne DC-DC meničom s vysokou účinnosťou transformované na nižšie systémové napätie nabíjaného akumulátora.

     Výber takýchto múdrejších regulátorov je dnes už širší ako pred pár rokmi a najmä čínske výrobky začínajú byť cenovo aj kvalitatívne prijateľné. Ide vlastne zväčša o MPPT regulátory pre fotovoltaiku, ktoré majú aj mód pre veternú turbínu a označujú sa preto ako hybridné. Pri využívaní pre vietor sa nepoužíva MPPT algoritmus, namiesto neho elektronika riadi regulátor podľa vloženej výkonovej krivky. A veľmi prospešne využije DC-DC menič, ktorý MPPT regulátory všetky majú. Asi najväčším problémom je dopátrať sa skutočných vlastností, pretože v internetových obchodoch obyčajne nie sú dostatočne popísané.

     Menej múdre regulátory bývajú väčšinou určené pre konkrétne turbíny ale len niektoré fungujú na základe ich výkonových charakteristík.  Kúpiť si takýto regulátor k vlastnej home made turbíne alebo niekde vyrábanej turbíne bez k nej určeného regulátora je riziko a bola by veľká náhoda, ak by to fungovalo. Ľahko sa môže stať, že za málo peňazí bude aj málo muziky. Príklad takého neurčitého regulátora je na obr. vľavo.

     Bezpečnosť

     Fotovoltaické panely to majú jednoduché. Ak je energie prebytok, zníži sa odber z nich, alebo sa odpoja. Nič sa nestane. U veterných turbín to tak nie je. Ak sa za silného vetra zníži odber z turbíny, alebo sa dokonca celkom odpojí, potom už turbíne vo voľnobehu nič nebráni roztočiť sa do extrémnych otáčok, ktoré by ju pôsobením veľkých odstredivých síl mohli zničiť. Preto treba turbíny brzdiť umelo, buď mechanicky, alebo elektricky.

     Malé turbínky často nepotrebujú riešiť ochranu pred silným vetrom nejakou komplikovanou elektronikou. HAWT majú obyčane niektorú zo samočinných mechanických ochrán - vyklápanie po smere prúdennia pri silnom vetre, u VAWT dôjde k zahlteniu a otáčky nad určitú hranicu nestúpajú ani so zvyšujúcou sa úrovňou rýchlosti vetra. U malých konštrukcií si to aj u VAWT môžeme dovoliť, lebo rozmery a vlastná hmotnosť krídel neumožňujú vyprodukovať také odstredivé sily, ktoré by turbínu poškodili.

     Čím výkonnejšia má byť turbína, tým musí byť väčšia. Je to preto, lebo turbína "zbiera" výkon vetra z určitej plochy. U HAWT je tou plochou obsah kruhu, ktorý opisujú listy vrtule, u VAWT je touto plochou priemer násobený výškou krídel. Čím väčšiu plochu obsiahne, tým viac výkonu môže vetru zobrať. Súčasne, čím väčší priemer a hmotnosť má vrtuľa, tým väčšie budú odstredivé sily pôsobiace na jej listy alebo krídla. Taktiež tlak vetra bude vyšší, čo znamená väčšie nároky na konštrukciu turbíny, ale aj na stožiar. Tlak, alebo ak chcete sila vetra pôsobiaca na zastavenú turbínu pôsobí len na plochu listov vrtule, ktoré jej stoja v ceste. U rýchlo sa pohybujúcej vrtule musíte rátať so silou pôsobiacou na celú opisovanú, resp. premietanú plochu. Turbíny sa v nebezpečnom vetre obyčajne zastavujú, lebo ich pohyb zbytočne zväčšuje namáhanú plochu. 

     Výrobcovia lepších regulátorov (nemusia to byť len tie múdrejšie) pre veterné turbíny mnohé typy vybavujú bezpečnostnými funkciami. Najjednoduchšou je elektrodynamická brzda. Inak povedané zabrzdenie turbíny skratovaním generátora, alebo prepnutím výstupu generátora z regulátora na umelú záťaž (Dump Load) po dosiahnutí hraničného napätia, alebo otáčok. Trochu zložitejšie je použitie umelej záťaže v režime, keď sa turbína nezabrzďuje, ale prebytky sú  likvidované regulátorom záťaže. Dump Load (na úvodnom obrázku profi výrobok, vpravo moja výroba) je sada výkonových rezistorov nízkej ohmickej hodnoty, na ktorých sa nadbytočný výkon spotrebuje a vyžiari do tepla. Môže byť vybavená vlastnou elektronikou, ktorá riadi podľa potreby pripínanie ďalších rezistorov a ich chladenie. Umelá záťaž môže byť súčasťou regulátora, alebo sa dá dokúpiť k regulátoru, ktorý podporuje jej použitie.

     Nikdy nebude na škodu ani ručné vypnutie turbíny, ktoré sa nespolieha na elektroniku regulátora alebo iného automatizačného systému. Jednoducho vypínač s mohutnými kontaktami skratujúcimi v prípade nebezpečného vetra, pri očakávaní nebezpečného vetra, alebo aj napríklad pri servise, vzájomne všetky tri fázy generátora ešte pred usmerňovačom. Taký vypínač pre náročnejších je na obr. vľavo. Solídnejšie páčkové vypínače nám urobia tú istú službu oveľa lacnejšie. 

     Regulátor s riadením prebytkov pre prevádzku veternej turbíny prakticky postačuje. Ak chce niekto pre bezpečnosť urobiť viac, medze sa nekladú. Môže dokonale uplatniť svoje nápady. 

     Článok bude mať pokračovanie opisom môjho systému a ďalšími dôležitými informáciami. A to vás nechcem strašiť priatelia! :-)