(Ne)povinné doplnky pre zvýšenie bezpečnosti

     28.8.2016 - Toto je sľúbené pokračovanie článku Elektronika pre veternú turbínu. Len krátke zhrnutie: Netreba mať z toho stres, pretože regulátor s riadením prebytkov do umelej záťaže pre prevádzku malej veternej turbíny v zásade postačuje. Niektoré klasické vrtuľky (HAWT) môžu navyše disponovať samočinnými mechanickými systémami na zníženie výkonu v silnom vetre (odklonenie vrtule po vetre), a u malých vertikálnych turbín (VAWT), dochádza zasa k zahlteniu vnútorného priestoru vrtule, čo zastaví ďalší nárast otáčok.

     Veterné turbíny nad cca 200 W, alebo jednoducho väčšie podľa našich meradiel trúfalosti by si mohli zaslúžiť aj nejaké ďalšie bezpečnostné prvky, hlavne ak majú pracovať dlhodobo a úplne autonómne, bez kontroly, hoci len občasnej víkendovej.

     Pretože práve s takou alternatívou musím počítať, nejde u mňa o žiadnu paranoiu alebo preháňanie s bezpečnosťou. Uplatnia sa nielen rôzne snímače a logická automatika, ale napríklad aj kamerový dohľad ako vrchná inštancia plnej distančnej kontroly. Lepšie je raz vidieť, ako 1000 krát prezerať číselné dáta a pri náhlej nezrovnalosti nevedieť, čo sa tam v skutočnosti deje.

     Ale poďme k môjmu systému riadenia turbíny.

     Regulácia a riadenie prebytkov

     Ako som už mnohokrát spomínal, používam k turbíne regulátor TriStar MPPT-60. Je to solárny regulátor, ale výrobca plánoval aj využitie pre veternú alebo vodnú turbínu. Bohužiaľ to nedotiahol do konca. Takže firmware verzie 13 vám síce na požiadanie zašle, ale stále ide len o Beta verziu, ktorej použitie je bez záruky. Firmware otvorí možnosť prepnutia regulátora do veterného módu, čím umožní naprogramovať do regulátora výkonovú krivku turbíny a vykašle sa na sledovanie MPPT. Nastavíte si presne od akého napätia generátora môže byť z neho odoberaný výkon, čím uľahčíte turbíne dostávať sa bez záťaže do prevádzkových otáčok. A na ďalších miestach výkonovej tabuľky zadáte narastajúce napätia a im prislúchajúce limity odoberaných výkonov. Tým zadefinujete priebeh zaťažiteľnosti turbíny v závislosti na otáčkach. Takto je možné "naladiť" regulátor v podstate k akémukoľvek generátoru a turbíne tak, aby otáčky boli vždy optimálne.

     Jediné, čo TriStar-u MPPT chýba, a je to dosť podstatné, je brzdenie. Brzdenie, alebo odvádzanie prebytočnej energie do umelej záťaže, poprípade do vhodnej užitočnejšej záťaže.

     Túto nepríjemnosť musím riešiť klasickým PWM regulátorom TriStar-45, ktorý sa dá nastaviť do režimu nabíjania s náhradnou záťažou (obr. tandemu TriStar-ov s umelou záťažou vpravo, obrázok zapojenia v úvode článku). Nastavíte mu hraničné napätie, po ktorého prekročení bude prebytočný výkon prepúšťať do záťaže. TriStar-y neobsahujú žiadne mechanické súčiastky, regulácia sa robí s využitím výkonových polovodičových prvkov, spojite, bez prudkých skokov.

     Bezpečnostné doplnky

    Predchádzajúci odstavec hovoril o riešení odvádzania prebytočnej energie. Je to svojím spôsobom aj brzdenie, lebo turbína je brzdená veľkým odberom, ktorý sa nepreruší, ale je presmerovaný do iného spotrebiča (tu konkrétne do umelej záťaže). Ak by vietor enormne vzrástol, tak môže nastať situácia, že by bolo vhodnejšie turbínu pribrzdiť výraznejšie, alebo kvôli bezpečnosti úplne zastaviť. TS-45 si ale bude robiť len svoju robotu - odvádzať prebytočný výkon. Nijako si nevšíma nebezpečné stavy, dokonca ani tie, ktoré sa ho bezprostredne týkajú. Napríklad, že dlhodobo vysoký odvádzaný výkon sa začne pomaly znižovať z dôvodu prehriatia umelej záťaže a tým pádom zvýšenia jej rezistancie a z toho vyplývajúceho zníženia výkonu ktorý dokáže absorbovať. To je jedna z možností, ale nie jediná. Extrémny vietor ani nemusí trvať dlho. Stačí, že bude bez prerušenia naozaj silný, nielen v nárazoch. TS-45 má totiž svoj prúdový limit a to je 45A. 45A pri 28V, to je takmer 1300 W. A to už moja turbína niekoľko krát prekonala. TS-45 môže vyhlásit "Over current" a jednoducho z dôvodu svojej vlastnej ochrany zníži prepúšťaný výkon, alebo sa reštartuje, alebo sa nedajbože vypne. A máte po brzdení...

     Ako už bolo spomenuté v starších článkoch, existujú regulátory pre veterné turbíny, ktoré toto všetko riešia all in one. Ale TS MPPT ani v spolupráci s TS-45 stále nezabezpečujú všetko potrebné. Tak nezostávalo nič iné, ako uvedený tandem doplniť už skutočne brzdiacim prvkom. Riešenia môžu byť rôzne a ani nemusia byť drahé. Je mnoho zariadení, ktoré dokážu sledovať výšku napätia a pri dosiahnutí nastavenej hodnoty zopnúť kontakt. Postačí aj vhodné napäťové relé. Ja som mal ešte z dávnejších dôb Relay driver (na obr. vľavo aj s dvojicou skratovacích relé v ľavom hornom rohu), ktorý je originálnym príslušenstvom TriStar-u. Výhoda je, že je priamo určený pre doplnkové funkcie. Prepojí sa dátovým káblom s TS a na štyroch relé si nastavíte čo potrebujete aby urobili, vrátane času zopnutia a hysterézie ak nastane vami zadefinovaná udalosť (napríklad limit vstupného napätia z generátora). Keďže mám pre spustenie brzdenia nastavené pomerne vysoké limitné napätie generátora, kedy už výkon pomaly prekračuje 1000 W, je brzdenie kvôli výraznejšiemu spomaleniu nastavené na 3 sekundy.

     Ďalším bezpečnostným prvkom, aj keď ide relikt zo starších čias, keď som potreboval turbínu na diaľku zapínať a vypínať kvôli chýbajúcej automatike, keď jedinou stavbou na pozemku bol stožiar a drevená búda s energetickou autonómiou a internetom. Je to LAN relé, nazývané aj LAN restarter (obr. vpravo). Ponechal som si ho ako hlavný vypínač. Má viac schopností ako len vyp-zap, tak som ich využil. Má 5 relé (1+4 na doplnkovom moduli), ktorými som okrem turbíny ovládal kamery, svetlá a fotovoltiku. Vie merať prúd, napätie, tak je využitý ako ďalší bezpečnostný prvok pre zastavenie turbíny pri detekovaní o niečo vyššieho napätia generátora ako je nastavený spomínaný Relay driver. Vie merať teploty (nevyužité), vie detekovať funkčnosť internetu, čo tiež využívam pre zastavenie turbíny keď vypadne internet a turbína je na diaľku nedostupná. Keď bude turbína vybavená plnou automatikou (zmienim sa o nej neskôr), tak táto funkcia už nebude potrebná, ale stále sa môže využiť na pôvodné určenie - napríklad reštart zamrznutých routrov. Má vlastný webserver, takže sa naň môžete prihlásiť z akéhokľvek PC. Miernou nevýhodou ne občasná nevysvetliteľná krátkodobá nedostupnosť, obyčajne po dlhodobom prihlásení na webserveri.

     Obdobných zariadení je veľa, napríklad som si zaobstaral zatiaľ nenasadený LAN modul s 8 relé (na obr. vľavo) a s podobnými vlastnosťami ako je popísané vyššie. Možno nevýhodou je absencia webservera. Na prístup treba používať dodaný program, alebo aplikáciu pre Android. Zato som nikde nepočul, že by to trpelo nejakou nestabilitou dostupnosti. LAN modul bude využívaný na diaľkové ovládanie iných zariadení domu, možno aj ako alternatívny vypínač turbíny.

     No a nakoniec ešte krátko o chystanej riadiacej jednotke (RJ). Nebude obsahovať regulátor (aspoň zatiaľ), takže bude doplnkom TriStar-ov. Základom inteligencie RJ bude mikropočítač Raspberry Pi. Už len toto dáva obrovské možnost využitia. Šikovný program a pár lacných periférií vytvoria zariadenie, ktoré sa kompletne postará o komfort turbíny. Ako prvé bude RJ merať otáčky turbíny, rýchlosť vetra a napätie generátora. Vďakla senzoru rýchlosti vetra zapne turbínu až keď začne (a nejakú dobu vydrží) fúkať použiteľný vietor, vypne ju keď by sa mala krútiť zbytočne. Postará sa aby sa netrápila v extrémnom vetre len nejakým pribrzďovaním, pretože nejde o rekordy za každú cenu ale o dlhodobú funkčnosť a spoľahlivosť. Zmeria teplotu statora, ak by pri dlhodobo vysokom výkone mohlo hroziť že sa laminát prehreje. Teoreticky sa to môže stať, tak prečo takúto funkciu nevyužiť, ak je jej využitie v podstate triviálne jednoduché. To isté platí pre indikáciu vibrácií. Senzor dnes už skoro nič nestojí a pridať funkciu do programu je pre odborníka drobnosť. Nemusí to byť, ale napríklad ani lano kotvenia by sa nemalo uvoľniť, ale môže sa tak stať. Potom zastavenie turbíny na pokyn senzoru príde celkom vhod. Pravdepodobne bude realizovaná aj fukncia ovládania prostredníctvom SMS, pre prípad nedostupnosti internetu. Samozrejmosťou bude dlhodobý záznam parametrov a tvorba grafov s online dostupnosťou. A určite by sa dali vymyslieť aj ďalšie užitočné funkcie, ako napríklad výpočet rýchlobežnosti v reálnom čase (otáčky a rýchlosť vetra budú riadiacej jednotke známe). Viac o RJ až naozaj bude k dispozícii. RJ je zatiaľ plán, ktorý postupne nadobúda konkrétnu hmotnú podobu. Vo finále zatiaľ ešte nie sme. Ale blíži sa to, priatelia! :-)