Elektrownie wiatrowe na magnesach neodymowych

Elektryka za prądnicą

Elektryka za prądnicą: od mostka do akumulatora

Prądnica z przerobionego silnika oddaje napięcie przemienne, którego wartość i częstotliwość zmieniają się razem z wiatrem. Akumulator przyjmuje wyłącznie prąd stały o napięciu utrzymanym w wąskim przedziale. Między jednym a drugim musi stanąć układ, który zamieni przebieg przemienny na stały, odmierzy ładowanie i odetnie zasilanie, kiedy ogniwa są pełne. Bez tego pośrednika projekt kończy się jednym z dwóch scenariuszy: akumulator zagotowany nadmiarem energii albo wiatrak rozbiegany bez obciążenia.

Ten poradnik opisuje elementy tego łańcucha po kolei. Zakłada, że wirnik z magnesami neodymowymi jest już gotowy, a uzwojenie połączone w gwiazdę lub trójkąt. O doborze magnesów mówi osobna strona, o krzywych mocy i punkcie startu — rozdział o regulacji mocy.

1. Prostownik trójfazowy: mostek, diody, straty

Prądnica trójfazowa z magnesami trwałymi oddaje trzy przebiegi przesunięte względem siebie o 120 stopni. Do wyprostowania takiego zestawu służy mostek sześciodiodowy: na każdą fazę przypadają dwie diody, jedna do szyny dodatniej, druga do ujemnej. W każdej chwili prąd płynie przez dwie z sześciu diod — tę o najwyższym potencjale chwilowym i tę o najniższym.

Mostek trójfazowy ma nad jednofazowym jedną istotną zaletę: tętnienie napięcia po wyprostowaniu jest znacznie mniejsze, a jego częstotliwość sześciokrotnie wyższa od częstotliwości jednej fazy. W praktyce oznacza to, że napięcie na wyjściu jest gładkie na tyle, by ładować akumulator bez dodatkowego filtru pojemnościowego. Kondensator na wyjściu prostownika pomaga elektronice regulatora, ale nie jest warunkiem działania.

Straty na diodach

Każda dioda krzemowa wprowadza spadek napięcia w kierunku przewodzenia. Ponieważ prąd przechodzi zawsze przez dwie diody, spadek liczy się podwójnie. Przy napięciach rzędu kilkudziesięciu woltów strata ta jest pomijalna, ale w układzie 12 V zabiera zauważalną część tego, co wyprodukowała prądnica. Diody Schottky'ego mają spadek niższy niż krzemowe złącza PN, dlatego w instalacjach niskonapięciowych spotyka się je częściej. Wadą Schottky'ego jest wyższy prąd wsteczny i mniejsza wytrzymałość na napięcie zaporowe.

Straty zamieniają się w ciepło. Mostek pracujący przy prądzie kilkunastu amperów wymaga radiatora. Jeśli mostek jest zamknięty w obudowie razem z regulatorem, obudowa musi mieć wentylację — nagrzany półprzewodnik przewodzi gorzej i pętla robi się dodatnia: cieplej znaczy większa strata, większa strata znaczy jeszcze cieplej.

Napięcie zaporowe diod

Diody muszą wytrzymać napięcie, które pojawi się na nich, kiedy prądnica kręci się bez obciążenia. To jest wartość znacznie wyższa niż napięcie robocze przy pełnym prądzie, bo bez obciążenia nie ma spadku na rezystancji uzwojenia. Dobierając mostek, punktem odniesienia jest napięcie na biegu jałowym przy maksymalnych obrotach, jakie wiatrak może osiągnąć — nie napięcie znamionowe akumulatora. Zapas rzędu dwukrotności tej wartości jest w tego rodzaju układach zwyczajem, a nie ostrożnością na wyrost.

2. Dlaczego napięcie z prądnicy skacze razem z wiatrem

W prądnicy z magnesami trwałymi strumień magnetyczny jest stały — dają go magnesy neodymowe przyklejone do wirnika i nie ma sposobu, by go zmienić w trakcie pracy. Napięcie indukowane w uzwojeniu zależy więc tylko od dwóch rzeczy: liczby zwojów, która jest ustalona przy nawijaniu, oraz prędkości, z jaką pole magnetyczne przecina uzwojenie. Ta prędkość to obroty wirnika.

Stąd wynika własność, która odróżnia prądnicę wiatrakową od alternatora samochodowego: napięcie rośnie liniowo z obrotami. Alternator ma uzwojenie wzbudzenia i regulator, który tym wzbudzeniem manipuluje — dzięki temu oddaje 14 V zarówno na biegu jałowym silnika, jak i przy pełnych obrotach. Prądnica z magnesami trwałymi takiego mechanizmu nie ma. Przy dwukrotnie wyższych obrotach da dwukrotnie wyższe napięcie i nic tego nie zatrzyma poza obciążeniem.

Częstotliwość zmienia się tak samo. Wynika ona z liczby par biegunów i obrotów, a nie z jakiejkolwiek regulacji. To dlatego prądnicy wiatrakowej nie można podłączyć wprost do odbiorników zasilanych z sieci — częstotliwość byłaby zależna od pogody.

Konsekwencja praktyczna

Instalacja musi znieść dwa skrajne stany. Przy słabym wietrze napięcie po wyprostowaniu bywa niższe niż napięcie akumulatora, wtedy prąd nie płynie w ogóle — diody blokują kierunek powrotny i akumulator nie rozładowuje się przez uzwojenie. To zachowanie jest pożądane i nie wymaga dodatkowego elementu. Przy silnym wietrze napięcie może wielokrotnie przewyższyć wartość znamionową akumulatora i to jest stan, przed którym trzeba się zabezpieczyć regulatorem.

Wykresy pokazujące, jak zmienność wiatru przenosi się na moc oddawaną w ciągu doby, są na stronie o współpracy z siecią. Widać na nich rzecz istotną przy doborze akumulatora: w umiarkowanym klimacie wiatr bywa słabszy nocą, a silniejszy w dzień, i ta zmienność występuje niezależnie od skali instalacji.

3. Regulator ładowania — co musi umieć przy źródle o zmiennej mocy

Regulator w instalacji wiatrowej robi coś innego niż regulator w instalacji fotowoltaicznej, choć oba nazywają się tak samo. Panel odłączony od obciążenia po prostu przestaje oddawać prąd i nic złego się nie dzieje. Prądnica odłączona od obciążenia rozbiega się, bo zniknął moment hamujący, który dawało obciążenie elektryczne. Regulator wiatrowy nie może więc po prostu rozwierać obwodu, kiedy akumulator jest pełny.

Stąd wymagania, które muszą być spełnione naraz:

Regulacja obciążeniem jako metoda sterowania

Zmiana obciążenia prądnicy jest jednym ze sposobów regulacji mocy całej elektrowni — opisuje go rozdział o regulacji pod nazwą load control. Rzecz warta zapamiętania: zmiana rezystancji obciążenia przenosi punkt pracy siłowni na inną charakterystykę mechaniczną, a moment hamujący na wale rośnie natychmiast. Zbyt gwałtowne dołożenie obciążenia obciąża wał, łożyska i piastę udarowo. Regulator powinien zmieniać obciążenie płynnie.

4. Dobór akumulatora do mocy prądnicy

Punktem wyjścia nie jest moc prądnicy, a energia, którą trzeba magazynować na czas bezwietrzny. Prądnica ustala jednak górną granicę prądu ładowania, a ta granica musi zmieścić się w tym, co ogniwa przyjmą bez szkody.

Prąd ładowania a pojemność

Dla ogniw kwasowych przyjętą wartością prądu ładowania jest 10% pojemności znamionowej — ta liczba pada wprost na stronie o akumulatorach: dla ogniwa 45 Ah to 4,5 A. Prąd znacznie wyższy przy ogniwach kwasowych powoduje gazowanie i przyspiesza zużycie płyt. Stąd prosty wniosek: jeśli prądnica jest zdolna oddać prąd wyższy niż jedna dziesiąta pojemności akumulatora, akumulator jest za mały — albo nadmiar prądu musi iść do obciążenia zastępczego przez regulator.

Odwrotnie: bardzo duża bateria przy słabej prądnicy nigdy nie zostanie naładowana do końca, a ogniwa kwasowe trzymane stale w stanie częściowego naładowania siarczeją. To jest cichy sposób zabicia akumulatora w instalacji, która wygląda na sprawną.

Próba pojemności

Sposób sprawdzenia, ile akumulator naprawdę trzyma, jest opisany na stronie o akumulatorach i wart powtórzenia, bo instalacja wiatrowa oparta na zużytych ogniwach nie zadziała niezależnie od jakości elektroniki: ładowanie prądem 10% pojemności do momentu gazowania, potem obciążenie żarówką i pomiar czasu świecenia. Pojemność podzielona przez 5 daje oczekiwany czas — dla 45 Ah to 9 godzin. Podczas próby trzeba pilnować napięcia i odłączyć obciążenie, zanim spadnie zbyt nisko, inaczej próba zamieni się w zabieg niszczący.

Napięcie systemu

Ta sama moc przy wyższym napięciu systemu oznacza mniejszy prąd, a więc cieńsze przewody i mniejsze straty na ich rezystancji. Przy dłuższych odcinkach od masztu do akumulatorowni różnica jest odczuwalna. Napięcie systemu ustala się przed nawijaniem uzwojenia, bo liczba zwojów na cewkę wynika właśnie z niego. Zmiana decyzji po nawinięciu oznacza przewijanie od nowa.

5. Hamowanie zwarciowe: po co i dlaczego NIE przy silnym wietrze

Hamowanie zwarciowe polega na połączeniu wyprowadzeń uzwojenia prądnicy ze sobą. W zwartym uzwojeniu płynie duży prąd, który wytwarza pole przeciwdziałające ruchowi wirnika — wirnik dostaje silny moment hamujący i zwalnia. Jest to najprostszy hamulec, jaki można mieć w tego rodzaju instalacji: wystarczy rozłącznik trójbiegunowy zwierający fazy.

Metoda ma dwa zastosowania sensowne i jedno użycie, którego trzeba unikać.

Kiedy działa

Dlaczego nie przy silnym wietrze

Przy silnym wiatrze łopaty rozwijają moment aerodynamiczny, który może przewyższyć moment hamujący ze zwarcia. Wtedy zdarza się jedno z dwojga. Wirnik nie zatrzymuje się, tylko kręci się dalej ze zwartym uzwojeniem — a prąd zwarciowy grzeje uzwojenie bez żadnego odbiornika, do którego mógłby popłynąć. Cała energia zostaje w miedzi i w izolacji. Albo wirnik hamuje, ale hamowanie jest tak gwałtowne, że udar przenosi się na wał, łożyska i mocowanie piasty.

Do zatrzymania przy silnym wietrze służą metody aerodynamiczne opisane w rozdziale o regulacji mocy: zmiana kąta natarcia łopat, wprowadzenie ich w przeciągnięcie albo odsunięcie wirnika od kierunku wiatru. Dopiero po wytraceniu prędkości ma sens zwarcie, żeby wirnik nie wystartował ponownie.

W małych instalacjach amatorskich, gdzie żadnej regulacji aerodynamicznej nie ma, jedynym sposobem jest odczekanie na osłabnięcie wiatru albo mechaniczne odsunięcie wirnika. Zwarcie jako „hamulec awaryjny na każdą pogodę” nie jest bezpieczne i nie należy tak go projektować.

6. Zabezpieczenia: bezpiecznik, odgromnik, rozłącznik

Ta część instalacji jest tania, nudna i zwykle pomijana. Jest też jedyną, która decyduje o tym, czy usterka skończy się wymianą elementu, czy pożarem.

Bezpiecznik przy akumulatorze

Akumulator kwasowy jest źródłem o bardzo małej rezystancji wewnętrznej i przy zwarciu oddaje prąd wielokrotnie przewyższający swoje znamionowe możliwości. Przewód nieuzbrojony w bezpiecznik zamienia się wtedy w grzałkę. Bezpiecznik montuje się jak najbliżej zacisku akumulatora, bo chroni on przewód, a nie odbiornik — odcinek między akumulatorem a bezpiecznikiem pozostaje niezabezpieczony i ma być możliwie krótki.

Strona o akumulatorach ostrzega przed dotknięciem metalowym przedmiotem obu wyprowadzeń jednocześnie — ta sama fizyka działa w każdym miejscu instalacji, gdzie przewód może się przetarł o krawędź blachy.

Rozłącznik między prądnicą a resztą układu

Potrzebny do pracy przy instalacji. Musi być łącznikiem przystosowanym do prądu stałego po stronie za mostkiem — prąd stały nie ma zera naturalnego, więc łuk powstający przy rozwieraniu nie gaśnie sam tak jak przy prądzie przemiennym. Łącznik przeznaczony wyłącznie do prądu przemiennego użyty w obwodzie stałym zaczyna wypalać styki po kilku operacjach.

Kolejność czynności ma znaczenie: najpierw hamowanie wirnika, potem rozłączenie. Rozłączenie prądnicy kręcącej się pod wiatr to właśnie odłączenie obciążenia, po którym wirnik przyspiesza.

Ochrona przeciwprzepięciowa

Maszt jest najwyższym elementem w okolicy i zbiera przepięcia z wyładowań w pobliżu — nie musi dostać bezpośredniego uderzenia, żeby indukowane przepięcie zniszczyło mostek i regulator. Ograniczniki przepięć montuje się na wejściu instalacji do budynku, po stronie prądu przemiennego przed mostkiem i po stronie stałej za nim.

Dobór ograniczników do konkretnej instalacji, klasa ochrony i sposób połączenia z uziemieniem to zagadnienie normowe, nie majsterkowe. Wartości napięć znamionowych i prądów wyładowczych bierze się z karty katalogowej wyrobu i z dokumentacji ochrony odgromnej obiektu — nie z poradnika.

7. Uziemienie masztu

Uziemienie pełni w tej instalacji dwie funkcje, które warto rozdzielić, bo bywają mylone.

Odprowadzenie prądu wyładowania — ta funkcja wymaga uziomu o odpowiednio małej rezystancji i połączenia z konstrukcją masztu przewodem o właściwym przekroju. Przewód musi prowadzić prąd do ziemi drogą krótką i bez ostrych zagięć.

Ochrona przed dotykiem — konstrukcja metalowa, na której może pojawić się napięcie wskutek uszkodzenia izolacji, musi być połączona z układem ochronnym instalacji budynku.

Dwa uziomy niepołączone ze sobą to gorsza sytuacja niż jeden, bo przy wyładowaniu między nimi powstaje różnica potencjałów, która szuka drogi przez to, co je łączy — czyli przez przewody sygnałowe i elektronikę. Zasada połączenia wyrównawczego mówi, że wszystkie części przewodzące w obiekcie łączy się w jeden układ.

Rezystancja uziomu, przekroje przewodów odprowadzających i sposób wykonania połączeń są przedmiotem normy. Instalacja wiatrowa na maszcie przy budynku mieszkalnym to ingerencja w ochronę odgromną tego budynku i wykonanie jej na wyczucie jest błędem, którego nie widać do pierwszej burzy.

8. Kiedy to już jest instalacja wymagająca uprawnień

Poradnik nie zastąpi przepisu i nie ma sensu podawać w nim granicznych napięć ani mocy — wartości te zależą od kraju, od tego, czy instalacja jest wyspowa czy przyłączona do sieci, oraz od rodzaju obiektu. Zamiast liczb warto zapamiętać, jakie okoliczności przesuwają projekt z kategorii „majsterkowanie” do kategorii „robota dla uprawnionego elektryka”.

Sama przeróbka silnika, nawijanie uzwojenia, klejenie magnesów i wyważanie wirnika uprawnień nie wymagają. Granica przebiega tam, gdzie prądnica przestaje być samodzielnym urządzeniem, a zaczyna być częścią instalacji elektrycznej obiektu.

Co dalej

Elektryka opisana wyżej ma sens tylko wtedy, gdy prądnica rzeczywiście oddaje przewidywaną moc. Ta zależy od strumienia magnetycznego, czyli od doboru magnesów do wirnika — ile biegunów, jakie wymiary i jaka klasa. Katalog z pomiarami indukcji dla poszczególnych wymiarów jest w magnesach walcowych i płytkowych; to z niego pochodzą wszystkie wartości, na które powołuje się ten serwis.

O tym, jak zmienność wiatru przenosi się na moc oddawaną w ciągu doby i dlaczego punkt startu wiatraka ma większe znaczenie niż moc maksymalna, mówi rozdział o regulacji mocy. Stan ogniw sprawdzisz metodą ze strony o akumulatorach — warto zrobić to przed budową instalacji, nie po.