Budeme sa teraz baviť tak, ako keby neexistovala žiadna moderná elektronika, ktorej úlohou je spracovať napätie generované alternátorom, napríklad regulátor pre nabíjanie batérií. V takom prípade je naozaj nutné prispôsobiť, resp. zosúladiť výkon pohonu - vrtule, s výkonom generátora, oba vzhľadom k systémovému napätiu, čiže napätiu akumulátora. Ďalšie vysvetlenie nájdete na konci tohto článku.
Ak sme doteraz spomínali, že otáčky turbíny sú závislé od jej priemeru, jej typu a najmä rýchlosti vetra, ako aj to, že je ich možné s akou - takou presnosťou aj vypočítať, išlo o otáčky voľnobežné. Celkom iná situácia nastane, ak sa k turbíne pripojí generátor (alternátor), ktorý bude odovzdávať výkon, teda ak sa turbína zaťaží.
Premenlivé (otáčavé) magnetické pole permanentných magnetov indukuje v cievkach statora napätie. Pokiaľ je okruh neuzavretý a neodoberá sa žiaden prúd, nič sa nedeje. Ak ale k statoru pripojíme napríklad 12 V žiarovku s príkonom 10 W, uzavrieme elektrický obvod a žiarovkou začne pretekať prúd. Ten istý prúd preteká samozrejme tiež cievkami statora a spôsobí, že aj cievky vytvoria magnetické pole. Toto magnetické pole však pôsobí proti magnetickému poľu rotujúcich magnetov a snaží sa ich zabrzdiť. Na prekonanie brzdenia musí turbína vyvinúť dostatočnú silu.
Čím je prúd statora generátora väčší, tým väčšia je brzdná sila pôsobiaca na rotor. Je veľký rozdiel točiť generátorom pri pripojenej 10 W žiarovke, a ak má žiarovka 50 W. Je pravdepodobné, že v druhom prípade žiarovka len blikne, ale dlhšie sa vám os generátora rukou roztočiť nepodarí. O poznanie lepšie sa vám bude točiť, ak na os pridáte veľké koleso alebo dlhšiu kľuku. Takto ste zväčšili krútiaci moment - páku. Ale rukou musíte hýbať podstatne rýchlejšie, ako pri osi. To robí neplechu obvodová rýchlosť, ktorá sa polomerom zväčšuje.
Čiže potrebujeme turbínu, ktorá má väčší polomer, aby zaťaženým generátorom mohla točiť ľahko (1). Zároveň z meraní generátora vieme, aké musí mať otáčky, aby vyrobil potrebné napätie (2). Také isté otáčky bude musieť vyvinúť turbína. Ak chceme aby ich dosiahla s potrebnou silou, musí mať dostatočný priemer (3). Ak bude mať dostatočný priemer, bude schopná dosiahnuť potrebné otáčky? Nie sme náhodou v nejakom začarovanom kruhu? Ani nie, pretože prispôsobiť sa tu musí aj generátor. Musí byť schopný vyrábať potrebné napätia už pri nižších otáčkach. Preto nie každý generátor musí byť pre VAWT vhodný. A keďže my si generátor vyrábame sami, máme to pevne v rukách... (O generátoroch viac v čl. Aký alternátor?)
Okrem toho nezabúdajme, že nerobíme turbínu pre ľahký vánok. Rýchlosť vetra, ktorá sa na výkone turbíny podieľa svojou treťou mocninou, by mala byť podstatným činiteľom v našich prepočtoch. Nominálny výkon turbíny sa ráta na rýchlosť vetra obyčajne 10, alebo 15 m/s. To nie je slabý vietor. Dajme tomu že výrobca hovorí o 500 W. Ak sa udáva aj počiatočná rýchlosť vetra, pri ktorej turbína už dáva užitočný výkon, a napíše sa 2,5 m/s, verte, že ten počiatočný výkon sa bude rátať vo wattoch, max. pár desiatkach. Takže netreba zúfať, zatiaľ je všetko v poriadku! (Ďalšie informácie o výkone vetra pri jeho rôznych rýchlostiach a o jeho využiteľnosti turbínou nájdete v článku Energia vetra)
My potrebujeme dosiahnuť konsenzus medzi turbínou a generátorom. Čo do výkonu - absolútne nevhodná kombinácia je silný generátor, slabá turbína. Taká zostava by možno pohla ručičkou ampérmetra výraznejšie až v poriadnej víchrici. Opačné garde - silná turbína, slabý generátor fungovať bude, ale nevyužije sa potenciál turbíny. Navyše môže byť privysokým výkonom ohrozená ostatná elektronika (4), alebo aj samotný generátor, resp. vinutie cievok statora.
Súlad medzi turbínou a generátorom čo do otáčok - je jasný. Pri nami stanovenej hranici rýchlosti vetra, musí turbína dosiahnuť také otáčky, aby stačili na roztočenie generátora na požadované napätie. Navyše, turbína musí byť schopná otáčky udržať, aj keď sa generátor zaťaží odberom. Tu sa neuplatní ťarbavá široká turbína s generátorom, ktorý potrebuje 200 otáčok na dosiahnutie 12 V. Zas len počas veľmi silného vetra. Neuplatní sa ani síce rýchla, ale príliš úzka a nízka turbína so slabým momentom sily, ktorá bude zaťažovaným generátorom spomaľovaná natoľko, že výsledný výkon bude nízky, možno okrem prípadného výskytu búrlivého vetra. Zostava s dostatočne rýchlou a výkonnou turbínou a slabým generátorom neskončí dobre pre generátor, ak nie je dostatočne chránený proti prekročeniu prúdového zaťaženia statora... atď...
Dosť veľa monotónnych slov, žiaden pekný obrázok, tento článok je hrozný! Kto sa dostal až sem, nedostane síce medailu, len poslednú radu - je asi jedno, či budeme stavať turbínu k alternátoru, alebo alternátor k turbíne, alebo si dopredu premyslíme oboje. Dôležité je, že práve to musíme urobiť. Inak sa môže stať, že majestátny krútivý pohyb, bude to jediné čo bude vaša turbína svojmu okoliu, ale aj vám predvádzať (5).
Na záver ešte dovysvetlenie úvodnej vety tohto článku. Prispôsobenie možností generátora a jeho pohonu je naozaj dôležité v zapojeniach bez elektroniky, s priamym nabíjaním akumulátora. Dnešné možnosti elektronických regulátorov sú tak široké, že dokážu zredukovať, alebo aj využiť nedostatky inak obmedzene použiteľných, nezosúladených párov pohon-generátor. Ako som už uviedol, pri priamom zapojení na akumulátor začne generátor dodávať výkon a nabíjať akumulátor hneď pri prekročení napätia akumulátora generátorom. Z toho istého momentu začína aj brzdenie vrtule zvýšeným mechanickým odporom generátora. Čím silnejší bude vietor, tým silnejšie bude brzdenie. Ak budú napriek tomu otáčky vrtule príliš nízke, nedokáže sa dostať do prevádzkových otáčok a ani generátor nevydá svoj nominálny výkon. Riešenia bez elektroniky už boli popísané vyššie. Ak do obvodu zaradíme programovateľný regulátor, môžme vďaka nemu odsunúť hranicu začiatku odberu z generátora na vyššie napätie, ako je napätie akumulátora. Viac na: Regulátory s MPPT.
(1) alebo musíme generátor zaťažiť menej, ale odoberieme menší výkon
(2) Obyčajne v sústave 12, 24, 48 V, na tieto napätia sú vyrábané regulátory, ktoré sú bezpodmienečne nutné pre turbíny s vyšším výkonom. Viac v čl. Regulátory - nutná výbava.
(3) alebo podstatne väčšiu výšku, alebo viac krídel...
(4) Napríklad nie každý regulátor znesie vyššie vstupné napätie.
(5) Akokoľvek, nemusí sa podariť vždy správne odhadnúť (nebodaj vypočítať) parametre našej zostavy tak, aby obe jej časti rozumne spolupracovali. Takýto nepodarený pokus nám určite ukáže ďalšiu cestu, pretože v praxi sa už presne ukáže v čom je problém. Východiskom v situácii, keď je všetko hotové, ale súlad v zostave sa akosi nevydaril, je laborovanie s cievkami starora alternátora (ktorého výmena bude zo všetkých dostupných riešení zrejme najjednoduchšia).
Všetky texty na tejto stránke s výnimkou komentárov užívateľov a označených citátov sú vlastnými textami autora stránky. Ich ďalšie použitie, ako aj použitie obrázkov a fotografií je podmienené súhlasom autora. Autor stránky nenesie žiadnu zodpovednosť za činy a rozhodnutia ktoré urobíte na základe informácií získaných z týchto stránok. Taktiež nenesie žiadnu zodpovednosť za škody, ktoré vám pri tom môžu vzniknúť.
VAWT.sk © 2017 OM2CM