27.4.2019 - Na základe mnohých otázok a rôznych polemík o regulátoroch pre malé veterné turbíny by som chcel zhrnúť a doplniť to, čo už na týchto stránkach bolo na rôznych miestach napísané, ale potrebuje to učesať a trochu sprehľadniť. Keďže sa už mám na čo odvolávať, bude to pre mňa jednoduchšie ako pred rokmi, keď tieto stránky postupne vznikali. Napriek tomu, že už vtedy boli podkladom k textom o regulátoroch vlastné skúsenosti, aj tie sa ďalej rozvíjajú, rovnako ako sa rozvíjajú nové technológie.

     Aby som nemusel odbiehať k rôznym odbočkám daným rôznymi zadaniami, definujme si jedno, asi najčastejšie: Veterná turbína s trojfázovým generátorom s permanentnými magnetmi bude nabíjať akumulátor.

     Regulátor všeobecne, je elektronické zariadenie zapojené medzi veternú turbínu a akumulátor. Má niekoľko úloh, ktoré podľa typu plní buď všetky, alebo len niektoré. Regulátor môže byť za istých podmienok úplne vynechaný, a turbína môže nabíjať priamo akumulátor, ale to je zriedkakedy výhodné a niekedy nebezpečné (najmä pre akumulátor).

     Typy dostupných regulátorov: žiadny regulátor, PWM regulátor pre fotovoltaiku, PWM regulátor pre veternú turbínu, MPPT regulátor pre fotovoltaiku, MPPT regulátor pre veternú turbínu, regulátor s DC-DC meničom, programovateľný regulátor pre veternú turbínu.

- Žiadny regulátor - ako som spomenul vyššie, existuje aj takáto možnosť, aj keď ani zďaleka nie je optimálna. Napätie generátora sa usmerní a pripojí priamo k akumulátoru. Pokiaľ je usmernené napätie generátora nižšie ako napätie akumulátora, nedeje sa nič. Netečie žiaden prúd, nič nebrzdí generátor a ten sa môže voľne rozbiehať. Akonáhle otáčky stúpnu natoľko, že napätie generátora presiahne napätie akumulátora (hovoríme že dosiahne počiatočné nabíjacie napätie), začne doň tiecť nabíjací prúd. Odber z generátora znamená ale aj to, že začne klásť vetru mechanický odpor. Ak bude vietor ďalej silnieť, budú stúpať aj otáčky, ale aj mechanický odpor spôsobený narastajúcim prúdom tečúcim do akumulátora sa bude zväčšovať. Ak by sa vietor v tejto chvíli ustálil, ustálili by sa aj otáčky a hodnota nabíjacieho prúdu. Ak vietor ešte viac zosilnie, mierne sa zvýši napätie a prúd a do akumulátora potečie vyšší výkon. Ak vietor zoslabne, veľkosť nabíjania klesne. Zatiaľ to vyzerá ideálne, tak teda v čom by mal byť problém? Tých problémov je nakoniec viac:

1. Táto možnosť je použiteľná len v tom prípade, ak turbína vyprodukuje počiatočné napätie až v optimálnych otáčkach, resp. pri optimálnej rýchlobežnosti, alebo kúsok pod optimálnou rýchlobežnosťou (aby sme optimum dosiahli predsa len pri vyššom výkone). Ak dosiahne počiatočné napätie skôr, bude sa vplyvom predčasného odberu ťažšie roztáčať na optimálne otáčky, a poriadne ju roztočí až naozaj silný vietor. Ak dosiahne počiatočné napätie naopak neskôr, nabíjanie začne zbytočne neskoro a nevyužije sa slabší vietor. Sústava - vrtuľa-generátor-akumulátor musia byť ideálne zladené. Ale aj keď zladené budú, bude to v podstate 100 percentne platiť len pre jednu rýchlosť vetra. Pri všetkých ostatných to už pravda nebude a účinnosť bude nižšia. Našou záťažou je v tomto prípade akumulátor, ktorý je napäťovým zdrojom s veľmi malým vnútorným odporom. Preto bude akumulátor držať za všetkých okolností napätie generátora prakticky na svojej úrovni, len v rozsahu postupného nabíjania akumulátora. Z dôvodu impedančného neprispôsobenia nemôže byť optimálnou záťažou generátora v celom rozsahu použiteľných otáčok.

2. Ak roztočíte generátor bez brzdenia záťažou, bude jeho napätie stúpať lineárne s otáčkami. Ak ho pripojíte k akumulátoru, bude jeho napätie stúpať s otáčkami lineárne len po výšku napätia akumulátora, ďalej už len minimálne, kopírujúc pomaly stúpajúce napätie nabíjajúceho sa akumulátora. To už bolo vlastne spomenuté. Ako je potom možné, že pri málinko sa zvyšujúcom napätí napriek tomu bude pri silnejúcom vetre stúpať výkon generátora? Jedine tak, že pri tom stúpa prúd. Teraz trochu okľukou... Čo je zdrojom napätia generátora? Zjednodušene - intenzita magnetického poľa (sila magnetov), počet závitov v cievkach a otáčky. Prvé dve veci sa meniť nedajú (len v procese výroby), takže faktorom rastu napätia generátora sú len otáčky. S prúdom je to trochu inak. Čo je zdrojom prúdu generátora? Znovu zjednodušene - sila magnetov, hrúbka drôtu v cievkach (nie počet závitov) a otáčky, bez ktorých by nebolo napätie a nemohol by byť prúd. Ale prúd nestúpa lineárne s otáčkami, ako napätie v predchádzajúcom prípade. Magnetická sila a hrúbka drôtu je v tomto prípade limitná. Prúd dosiahne v určitom bode strop a ďalej rásť nebude napriek nárastu otáčok. Dostávame sa do zbytočného výkonového limitu, ktorý by pri popustení uzdy generátoru (dovoliť mu vyššie napätie, ktoré sa nebude prispôsobovať akumulátoru) mohol byť oveľa vyšší. A čo z toho ďalej vyplýva pre priame zapojenie generátora? 

Vyplýva z toho, že zapojenie generátora bez regulátora môže byť so zaťatými zubami rozumne použiteľné v podstate len pre malé výkony, dajme tomu do 100-150W. Ak by to malo fungovať pre výkony veľké, tak vzhľadom k tomu, že výkon  bude pri napäťovom ukotvení blízko napätia akumulátora hnaný výhradne prúdovo, budú tomuto prúdu musieť zodpovedať cievky svojím priemerom drôtu a samozrejme aj sile magnetického poľa magnetov ako hlavného zdroja budiaceho pohyb elektrónov. Ak si uvedomíme, že napr. len 1 kW pri 48 V napätí znamená prúd cca 20A, pri 24V 40A a 12V 80A, čo sú všetko prúdy hodné solídnych drôtov. A to sme zatiaľ len v cievkach generátora, nehovoríme o následnej, niekedy aj dosť dlhej ceste týchto prúdov k spotrebiču - akumulátoru. 

3. Priame pripojenie generátora k akumulátoru nezabezpečuje žiadnu ochranu akumulátora pred prebitím, v prípade že to nedajbože bude fungovať a ešte k tomu bude dlhodobo a poriadne fúkať vietor. Nekontrolovateľné prebitie akumulátora znamená väčšinou jeho zničenie. Nedostatok tohto bodu napráva nasledujúca možnosť.

- PWM regulátor pre fotovoltaiku - táto možnosť rieši len ochranu akumulátora. Všetko ostatné je rovnaké ako v predchádzajúcom prípade. Regulátor neobsahuje usmerňovač, preto ho treba medzi turbínu a regulátor doplniť. Regulátor pri nabíjaní akumulátora k nastavenej hranici napätia znižuje výkon dodávaný akumulátoru, až ho úplne zastaví. Znižovanie, alebo odpojenie výkonu odoberaného z turbíny môže mať zlé následky tentokrát pre turbínu, ktorá sa pri odpojení od záťaže ľahko roztočí do sebadeštruktívnych otáčok. Tie rieši nasledujúca možnosť.

- PWM regulátor pre veternú turbínu – tento variant vychádza z predchádzajúceho. Najčastejšie obsahuje usmerňovací blok, takže máva vstupy pre 3 fázy turbíny. Treba byť opatrný, lebo niektoré Čínske extrémne lacné, akože regulátory pre veterné turbíny neobsahujú nič iné. V lepšom prípade vedia pri dosiahnutí maximálneho nabíjacieho napätia akumulátora zastaviť turbínu skratovaním výstupov generátora. Tie trocha zložitejšie môžu byť doplnené vhodnejšími ochrannými funkciami.

- Hlavne sa jedná o presmerovanie výkonu z turbíny do umelej záťaže (obyčajne veľké výkonové rezistory), v prípade že je akumulátor nabitý. V predchádzajúcom prípade by regulátor pre fotovoltaiku turbínu jednoducho odpojil, čoho následkom by bol rozbeh vrtule do vysokých otáčok bez brzdenia odberom. V silnom vetre by  mohli odstredivé sily prekonať pevnosť krídel a mohlo by ľahko dôjsť k ich deštrukcii. Píšem to tu aj napriek tomu, že najmä malé HAWT obyčajne majú aj ďalšiu vlastnú mechanickú ochranu pred silným vetrom a tou je najčastejšie odklon plochy vrtule z vetra. Ale ani im nekontrolovateľná voľnobežná jazda nesvedčí.

-  Niektoré PWM regulátory pre veternú turbínu môžu byť vybavené ešte aj ochranou pred vysokými otáčkami. Táto ochrana by mala byť nastavená na extrémny vietor, kedy je už lepšie turbínu z bezpečnostných dôvodov odstaviť. Z frekvencie vstupného striedavého napätia z turbíny vie regulátor  vyhodnotiť jej otáčky a v prípade dosiahnutia nastaveného limitu turbínu zabrzdí skratovaním generátora, alebo pripojením k umelej záťaži. Ten také krátkodobé surové zaobchádzanie vydrží, a je určite lepšie prísť o maximálne výkony počas víchrice, ako o celú turbínu.

- MPPT regulátor pre fotovoltaiku – nechcem tu teraz opäť rozoberať prácu MPPT regulátora pre FV, nájdete to v staršom článku „Potrebujeme MPPT regulátor pre veternú turbínu?“. Výsledkom ale je, že je to ekonomický aj funkčný nezmysel. MPPT, tak ako je definované a funkčné pre FV, nebude v prípade veternej turbíny pracovať. To znamená, že sa regulátor bude drvivú väčšinu času správať ako PWM regulátor a počiatočné nabíjacie napätie bude zhodné s napätím akumulátora. K zvýšeniu výstupného napätia z generátora a jeho transformácii DC-DC meničom na napätie akumulátora dôjde len výnimočne, pri výnimočne stabilnom vetre, ktorý môže algoritmus MPPT vyhodnotiť ako hodný zreteľa. No a nakoniec takýto regulátor nebude mať žiadne ochranné funkcie pre turbínu.

- MPPT regulátor pre veternú turbínu – taký regulátor zatiaľ neexistuje. Teda aspoň nie v pravom slova zmysle, v zmysle definície MPPT ako vyhľadávania bodu najvyššieho výkonu. V štádiu návrhov existujú pokusy o vytvorenie akýchsi samoučiacich sa regulátorov, ktoré by k MPPT mohli mať relatívne blízko.

-  Regulátor s DC-DC meničom -  ak výrobca označí svoj regulátor pre veternú turbínu ako MPPT, ale ten nemá možnosť programovania výkonovej krivky, mohlo by ísť o regulátor s DC-DC meničom. Podstata je v tom, že v takomto regulátore je možné nastaviť ľubovoľné (do istej miery, podľa typu DC-DC meniča) počiatočné nabíjacie napätie. To znamená, že môžu byť použité generátory, ktoré po dosiahnutí optimálnych otáčok produkujú podstatne vyššíe napätie, ako je systémové napätie akumulátora. DC-DC menič následne zníži napätie na vhodné pre akumulátor, pri zachovaní prenášaného výkonu (zníženého o pár percent strát na účinnosti). To znamená hrubo povedané, že z vysokého napätia s nízkym prúdom bude nízke napätie s vysokým prúdom. Na obr. vpravo sú prevádzkové údaje mojej turbíny, z ktorých je všetko vyššie napísané dokonale zrejmé. Pričom účinnosť vychádza na 98%.

Nabíjanie začne od nastaveného napätia a ďalej pokračuje so silnejúcim vetrom zvyšovaním vstupného napätia a výkonu až po hranicu maximálneho dovoleného vstupného napätia DC-DC meniča. Potom už musia zareagovať ochrany. Regulátory s DC-DC meničom existujú znižujúce (vyššie popísaný prípad), ale aj zvyšujúce, kedy je systémové napätie vyššie, ako napätie generátora a to je potrebné zvýšiť na použiteľnú úroveň (to má zmysel napríklad vtedy, ak ste vlastníkom funkčnej turbíny a neskôr sa rozhodnete zvýšiť systémové napätie napr. z 24 na 48V. Na nové napätie turbína nemusí stačiť a ak, tak až pri veľmi silnom vetre a vysokých otáčkach. Tomu sa dá pomôcť práve regulátorom so zvyšujúcim DC-DC meničom. Nie je to ale žiaden zázračný prostriedok pre zlé turbíny. Žiaden regulátor nevyrobí výkon z ničoho, ani ho nezdvihne nad dostupný príkon prichádzajúci z vrtule.

Samozrejme, tieto regulátory už majú aj ostatné ochranné funkcie pre bezpečnosť prevádzky veternej turbíny ako už boli spomínané v predchádzajúcich prípadoch, alebo môžu byť sofistikovanejšie alebo rozšírené o ďalšie (sledovanie rýchlosti vetra, teploty generátora, vibrácií)    

 -  Programovateľný regulátor pre veternú turbínu – najvyššia kategória regulátorov. Zvládnu všetko to čo aj predchádzajúce, ale navyše umožňujú programovanie výkonovej krivky turbíny. Boli už popísané v druhej polovici staršieho článku „Potrebujeme MPPT regulátor pre veternú turbínu?“. Umožňujú nielen nastavenie počiatočného nabíjacieho napätia, ale aj kontrolu vhodného zaťaženia turbíny odberom po celej nastavenej výkonovej krivke. To znamená, že svojou funkcionalitou umožnia turbíne v celom rozsahu pracovať v optimálnom režime otáčky-rýchlobežnosť-výkon-účinnosť. Pri vhodnom nastavení takto dokážu turbínu využiť na jej maximum pri každej rýchlosti použiteľného vetra.

     Naozaj som sa snažil napísať toto porovnanie regulátorov stručne a jednoducho. Bolo by možné a možno aj vhodné rozdeliť ich inak, ale delenie podľa dostupných typov bude asi pre uživateľov najzrozumiteľnejšie.

     Tento článok bude mať pokračovanie, ponúkne tipy na konkrétne typy, aj so stručným popisom.