„Elektřina za nás může všechno. “ – tak se v polovině minulého století zpívalo studentům vysokých škol elektrotechnických. V této humorné „ódě“ na elektřinu je věnována spousta fantazie, ale dnes můžeme s jistotou říci, že moderní člověk by bez elektřiny prostě zmizel. Pokud by nám svíčky mohly nahradit „Iljičovu žárovku“, tak co všechno ostatní?
K dnešnímu dni lidé objevili různé způsoby výroby elektrického proudu:
- galvanické články, ve kterých se chemická energie přeměňuje na elektrickou energii;
- tepelné generátory, ve kterých se tepelná energie přeměňuje na elektřinu;
- solární panely, kde se sluneční energie přeměňuje na elektřinu.
Každý z těchto zdrojů má své výhody a nevýhody. Převládaly však generátory, ve kterých se mechanická energie přeměňuje na energii střídavého elektrického proudu. Jedná se o tzv. indukční generátory, jejichž činnost je založena na jevu elektromagnetické indukce.
Trocha historie a teorie
Připomeňme si malý školní kurz fyziky, ze kterého víme, že fenomén elektromagnetické indukce objevil v roce 1831 anglický fyzik Michael Faraday. A spočívá v následujícím: při jakékoli změně magnetického toku pronikajícího do uzavřeného vodivého obvodu vzniká v tomto obvodu elektrický proud.
To znamená, že ve své nejjednodušší podobě takový generátor vypadá jako rám umístěný v poli permanentního magnetu, který se otáčí pod vlivem mechanické síly. Tento typ generátoru střídavého proudu se stacionárním magnetickým systémem (induktor) a rotujícími cívkami vodiče (kotva) se však používá velmi zřídka. To je způsobeno skutečností, že pohyblivé kontakty jsou nutné k odstranění proudu z pohyblivé cívky a při vysokonapěťovém proudu v takových kontaktech dojde k silnému jiskření. Proto se u naprosté většiny indukčních generátorů střídavého proudu vinutí (kotva), ve kterém se indukuje proud, stane nehybným a nazývá se stator a magnetický systém (induktor), který se nazývá rotor, se otáčí. U výkonných generátorů se magnetické pole obvykle vytváří pomocí elektromagnetu napájeného ze zdroje stejnosměrného proudu – budiče.
Avšak s příchodem magnetů vyrobených ze slitiny neodym-železo-bor, které svými vlastnostmi výrazně převyšují jiné typy permanentních magnetů, bylo možné vyrobit rotor generátoru na bázi permanentních magnetů. Neodymové magnety vyvinuté v 70.–80. letech minulého století se vyznačují vysokými a stabilními magnetickými vlastnostmi při malých rozměrech.
Nyní pár slov o mechanické energii, kterou generátor přeměňuje na elektřinu. K otáčení rotoru generátoru se využívá vodní energie (vodíkové generátory) a páry (parní generátory). Existují generátory poháněné dieselovými a benzínovými spalovacími motory. Starost o životní prostředí a úspora vlastních peněz přiměly lidi, aby si vzpomněli na takového „neúnavného pracovníka“, jakým je vítr. Od nepaměti lidé využívali větrnou energii k pohonu lodí a k přeměně obilí na mouku. Moderní větrné motory pro elektrické generátory mají svůj původ ve větrných mlýnech. Spojením větrné turbíny (větrného mlýna) s elektrickým generátorem vyrobeným pomocí moderních magnetů získáme větrný generátor s neodymovými magnety – ekologický a ekonomický zdroj elektrické energie.
Co je dobrého na větrném generátoru?
O výhodách tohoto typu zdrojů střídavého proudu dnes nebude polemizovat ani zarytý skeptik.
Hodnoty napětí, výkonu a proudu získané z generátoru pro větrný mlýn vyrobený sami vám samozřejmě neumožní napájet všechny elektrické spotřebiče v poměrně velkém venkovském domě. Ale zásobování malého venkovského domu elektřinou, zejména pokud se nachází daleko od elektrické sítě, je zcela racionální řešení. A i když získáte jen část elektřiny spotřebované pro váš domov z větrného mlýna, úspory v budoucnu budou patrné.
Výroba generátoru pro větrný mlýn je navíc zajímavá kreativní práce, po které na sebe můžete být právem hrdí.
Z čeho se vyrábějí větrné generátory a jaké jsou typy?
Požadované prvky takového magnetického větrného generátoru jsou:
1) Stožár, na kterém je instalováno větrné kolo a generátor. Jeho výška se volí na základě konkrétních přírodních podmínek a lidských potřeb.
2) Motor pro větrný mlýn je větrné kolo s lopatkami, které převádí pohyb větru na rotační pohyb hřídele rotoru generátoru.
3) Generátor, který vyrábí střídavý elektrický proud, jehož velikost závisí na parametrech statoru a rotoru generátoru a na rychlosti otáčení větrného kola, které dává rotoru pohyb.
Kromě toho může systém obsahovat řadu pomocných zařízení, která řídí provoz systému a zlepšují kvalitu přijímaného proudu: regulátor, baterie, měniče, stabilizátory.
V závislosti na směru osy otáčení existují dva typy větrných generátorů – vertikální a horizontální.
Horizontální (vrtulové) mají větší účinnost, ale jsou složitější v konstrukci, protože obsahují systém, který orientuje vrtuli ve větru. Výroba takových větrných generátorů je obtížnější a fungují pouze při dostatečně vysokých rychlostech větru. Větrné turbíny s horizontální osou otáčení navíc vyžadují poměrně velký prostor, zatímco modely s vertikální osou otáčení jsou mnohem kompaktnější.
Vertikální větrné turbíny jsou konstrukčně jednodušší, levnější, ale jejich účinnost je nižší.
Vraťme se ale k srdci každého větrného mlýna – elektrickému generátoru na střídavý proud, jehož rotor je vyroben z neodymových magnetů.
Jak sestavit generátor magnetů
Sestavení rotoru
Rotor takového magnetického větrného generátoru je konstrukčně sestavou dvou ocelových disků umístěných vzájemně rovnoběžně. Disky jsou k sobě pevně připevněny přes distanční pouzdro a nasazeny na hřídeli, jejíž rotaci zajišťuje větrná turbína. Rotor se doporučuje vyrobit z náboje automobilu doplněného o brzdové kotouče. Jedná se o spolehlivou a dobře vyváženou základnu rotoru. Bude levnější koupit použitý rozbočovač. V takovém případě je nutné jej rozebrat, důkladně vyčistit a zkontrolovat a promazat ložiska. Rotorové kotouče si můžete vyrobit sami z nízkouhlíkové oceli. Samozřejmě můžete použít jiný materiál, ale je třeba poznamenat, že při použití nemagnetického materiálu je účinnost generátoru výrazně snížena.
Po obvodu každého disku jsou magnety. Jaké magnety jsou potřeba pro větrný generátor? Můžete si vzít kotoučové nebo obdélníkové magnety, ale nejlepšího efektu dosáhnou neodymové sektorové magnety. Jejich velikost a počet se může lišit v závislosti na vašem cíli a schopnostech. Počet párů magnetických pólů však musí být sudý a pro jednofázový generátor by jich mělo být tolik, kolik je cívek ve statoru, a pro třífázový generátor – čtyři nebo dva páry pro tři cívky . Magnety po obvodu disku jsou instalovány se střídavými póly: N–S–N–S…. Chcete-li to provést, musíte nejprve vytvořit šablonu, abyste přesně označili umístění každého magnetu.
Rozměry rotorových disků se vypočítávají na základě velikosti magnetů a jejich počtu. Tloušťka kotouče pro rotor by měla být řádově tloušťka magnetu.
Magnety jsou k disku přilepeny superlepidlem a poté je disk naplněn epoxidovou pryskyřicí. Aby nedocházelo k jejímu stékání po vnitřním a vnějším obvodu disku, jsou strany vyrobeny z pásky, plastelíny nebo jiného dostupného materiálu. Před plněním kotouče epoxidem doporučujeme každý kotouč označit magnetem, jehož póly směřují opačně, aby nedošlo k pozdější záměně při montáži. Při montáži generátoru byste měli zajistit, aby magnety na rotorových discích byly umístěny přesně proti sobě a měly opačné póly nasměrované k sobě. Schematický nákres rotoru větrného mlýna s rozložením magnetických siločar je na Obr. 1.
Výroba statorů větrných generátorů
Nyní je potřeba generované magnetické pole přeměnit na elektřinu. K tomuto účelu se používá stator – stacionární vinutí z měděného drátu, umístěné tak, že magnetické siločáry tvořené magnety rotoru protínají při otáčení dráty vinutí.
Stator generátoru je umístěn v mezeře mezi kotouči rotoru. Skládá se z pevných plochých cívek bez jader. V každé cívce, když siločáry magnetického pole protnou magnetické pole, se objeví indukované emf, proměnlivé ve velikosti a směru. Velikost napětí, a tedy i účinnost větrného generátoru, závisí na rychlosti otáčení rotoru, na počtu závitů v každé cívce, na počtu cívek samotných a na průměru měděného drátu použitého pro jejich výroba.
Generátor může být jednofázový nebo třífázový. První je jednodušší, ale druhý je výhodnější ze dvou důvodů. Za prvé, ve větrném mlýně s obvodem třífázového generátoru nedochází k vibracím, které sužují jednofázový generátor při zatížení. Třífázový generátor je navíc více než 1,5krát účinnější než jednofázový.
Počet a parametry cívek pro rotor jsou vypočteny na základě počtu magnetů, jejich šířky, zvoleného poměru 4/3 nebo 2/3 a průměru drátu.
Pokud použijete pro vinutí tenký drát, pak lze cívky statoru navinout s větším počtem závitů, napětí na výstupu generátoru bude vyšší, ale jeho zatížitelnost je nižší. Použitím silnějšího drátu s nižším odporem se mezera statoru přizpůsobí vinutí s menším počtem závitů, což má za následek nižší výstupní napětí, ale vyšší zatížitelnost. Tvar cívek je určen tvarem magnetů a za optimální tloušťku statoru se považuje hodnota rovnající se tloušťce magnetů. Počet závitů každé cívky se získá vydělením celkového počtu závitů vinutí počtem cívek a celkový počet závitů statorového vinutí je určen na základě emf, velikosti magnetické indukce a průměrná rychlost rotoru.
Po navinutí cívek se rozloží na předem připravenou šablonu s vyznačenými sektory a vzájemně se spojí v závislosti na zvoleném schématu. V jednofázové verzi jsou všechny cívky vzájemně zapojeny do série. Je třeba vzít v úvahu, že proudy v sousedních cívkách budou mít opačné směry, takže začátek je spojen se začátkem další cívky a konec s koncem další cívky. Dráty ze začátku první a konce poslední cívky jsou vyvedeny ven. U třífázové verze je každá třetí cívka vzájemně propojena. Vodiče každé fáze jsou vyvedeny a následně spojeny do hvězdy nebo trojúhelníku. Schémata zapojení vinutí generátoru jsou na obr. 2.
Pro pevnost je pod cívky a na ně umístěno sklolaminát a celá konstrukce je vyplněna epoxidovou pryskyřicí. Po vytvrzení se vyvrtají otvory pro montážní šrouby.
Oba rotorové disky jsou instalovány na hřídeli na obou stranách statoru ve vypočítané vzdálenosti, na přední rotorový disk je připevněn větrný přijímač.
Podívejme se do budoucnosti
Lidské myšlení nestojí na místě a dnes nejběžnější horizontální větrné generátory postupně ustupují vertikálním. Může za to nástup technologie magnetické levitace, neboli takzvaných větrných generátorů magnetické levitace. V tomto provedení listy křídel s malými rozměry maximálně využívají energii větru, to znamená, že účinnost zde bude mnohem vyšší.
Vedení v aplikaci této technologie patří Číňanům, ale nyní v mnoha zemích světa inženýři pracují na vytvoření výkonných větrných generátorů s magnetickou levitací, což umožňuje přechod na obnovitelné zdroje energie v průmyslovém měřítku.
