Startsida Forum Webbutik Manualer Sol Vind Vatten El & elekronik Värme Kalkylatorer Projekt Övrigt Länkar Om 24 volt Kontakta oss
Svenska English
Vindkraft
Typer av Vindkraftverk
Vindenergi & lägeKalkylator
Vindkartor
Bygga själv
Varvtal vid startvindKalkylator
TurbinenKalkylator
GeneratornKalkylatorFilm
Magneter
Regulator
Resistiva laster

Sök på 24volt.eu
 


Besökare/Visitors
online:
1

Permanentmagnetgeneratorer (PMG) för vindkraftverk

Pannkaksgenerator

Enkel generator att bygga själv

Obs! Denna sida kommer att göras om, dels därför att kalkylatorn nedan ger en tråddiameter och ett antal lindningsvarv per spole som endast passar platser med dåliga vindförhållanden. Det svar kalkylatorn ger, resulterar i en generator som går in tidigare än 3 m/s och ger mindre effekt och högre värmeförluster. Detta är inte önskvärt på platser med bättre vindförhållanden.


Generatorer till hembyggda vindkraftverk är enkla i sin konstruktion och man kan lätt bygga dem själv. De består egentligen bara av två stycken rotorskivor med magneter och en stator med lindningar. För att hålla rotorskivorna på plats behövs även ett nav med långa bultar, samt tre fästpunkter för statorn.

Ska generatorn användas till ett vattenhjul, eller en vattenturbin, lindas den på ett annat sätt och hur det går till beskrivs under Vattenkraft och Generator.


Turbinen bestämmer effekten

Innan man börjar bygga generatorn bestämmer man diametern på turbinen. I och för sig kan man lika gärna gå andra vägen och bestämma turbinens diameter efter den generator man har.

I Sverige är vi begränsade till en turbindiameter på max två meter utan byggnadslov och av den anledningen väljer jag turbindiametern två meter i exemplen nedan. Vill man bygga ett vindkraftverk med en turbindiameter större än två meter krävs byggnadslov, men även andra miljöaspekter kan komma ifråga och fråga. Vad som gäller får man kolla upp med sin egen kommun.


Generatorn som batteriladdare

Något annat man också måste bestämma innan man börjar linda generatorn är vilken batterispänning man kommer att använda, om det blir 12, 24, eller 48 volt.

Batterierna har till uppgift att lagra energin från vindkraftverket, men de stabiliserar också spänningen från vindkraftverkets generator som annars kan ge allt från noll volt upp till mycket höga spänningar. Att vindkraftverkets generator kanske ger 40 volt vid ett visst tillfälle gör inget, för så fort generatorn ansluts till batteriet är det batteriet som bestämmer spänningen och den sjunker då till 12 volt i 12-voltssystem, eller till 24 volt i ett 24-voltssystem, o.s.v. Batteriernas spänning kommer sällan att vara 12, 24, eller 48 volt, detta beror helt på batteriernas tillstånd, om de är fulladdade, eller urladdade. Ett 12-voltsbateri brukar laddas tills spänningen överstiger 14 volt och urladdat anses det vara vid 12 volt.

Att koppla bort generatorn från batteriet är något man aldrig bör göra, utan att samtidigt kortsluta generatorns lindningar. Om generatorn är bortkopplad från batterierna, utan att lindningarna kortsluts, kommer turbinen att kunna snurra helt utan belastning och spänningen från generatorn kan då stiga till livsfarligt hög nivå, samtidigt som turbinen riskerar varva sönder.


Startvind

Vad som är intressant när det gäller vindkraftverk är medelvinden. Oftast finner man att den inte är så hög och bor man på en plats där medelvinden ligger runt 4,5 m/s, då får man vara nöjd. Att försöka fånga vindens energi vid en vindhastighet mindre än 3 m/s är dock ingen större mening, eftersom det då bara finns några få watt att utvinna. En annan nackdel är att generatorn i så fall måste lindas med smal tråd, vilket ger värmeproblem vid högre vindstyrkor. Generatorn statorlindningar riskerar helt enkelt brinna upp om inte turbinen viker av från vinden redan vid 7-8 m/s och då går de lite blåsigare dagarnas effekt förlorad. Slår man ut det över en längre tidsperiod visar det sig att den bästa kompromissen blir att låta vindkraftverket påbörja laddningen av batterierna vid en vind på 3 m/s.


Turbinbladens effekt

Hemtillverkade turbinblad av trä brukar ha en verkningsgrad mellan 20 till 40 procent, men oftast brukar man hamna strax över 30 procent. Vi antar turbinbladen har 32 procents verkningsgrad när vi ska räkna på bladens effekt vid en vindhastighet på 10 m/s. Efter 10 m/s låter man turbinen vika bort från vinden, detta p.g.a. att det vid den vindhastigheten produceras lika mycket värme i statorlindningarna som effekt till batteriet. Det är alltså för att skydda statorlindningarna från överhettning som man låter turbinen vrida bort från vinden.

Effektturbin = 0,5 x luftens densitet x (pi x turbinens radie2) x vindhastighet3 x verkningsgrad

Vid en vindhastighet på 10 m/s ska turbinen vika bort från vinden. Detta är ingen absolut regel för det har med vissa andra faktorer att göra, men vi accepterar detta tills vidare. Luftens densitet vi havsnivå är 1,22 kg/m3 och sätter vi in våra värden i formeln får vi:

Effekt = 0,5 x 1,22 x (3,14 x 12) x 103 x 0,32 = 0,61 x 3,14 x 1000 x 0,32 = 613 watt

Nu går det inte att beräkna effekten så exakt för vi vet inte turbinens verkningsgrad, den var bara ett antagande. Vi säger därför att turbinen ger ca: 600 watt vid en vind på 10 m/s.


Generatorns effekt

Om turbinen ger 600 watt betyder det inte att vi får 600 watt ur generatorn. Generatorns effekt kommer snarare att ligga strax under 300 watt vid en vind på 10 m/s. Eftersom generatorns effekt ökar linjärt med varvtalet och turbinen bromsas när generatorn belastas, hamnar generatorns verkningsgrad runt 45-50 procent. Vid 3m/s kan man dock räkna med en verkningsgrad runt 80-90 procent och det är ju i svagare vind verket oftast kommer att arbeta, så att verkningsgraden faller vid starkare vind gör inte så mycket.

För att beräkna generatorns effekt använder vi samma formel som vid beräkning av turbinens effekt, men istället för 32 procent anger vi verkningsgraden till 15 procent (0,15 i formeln istället för 0,32).

Visst går problemet att lösa om man exempelvis kopplar vindkraftverket till en MPPT-regulator av typen Outback MX-60, men en sådan kostar närmare 500 US$. Innan man har den hemma på köksbordet är kostnaden för en Outback säkert uppe i 6000 kronor och det är mycket pengar för den extra energin.


Generatorns varvtal vid startvind

En generator till ett vindkraftverk med en turbindiameter på två meter, kommer att börja ladda batterierna vid ett varvtal på 200 rpm, detta vid ett löptal på 7, vilket innehär att vindturbinens hastighet ute vid vingspetsarna är sju gånger vindens hastighet.
För att räkna ut turbinens varvtal kan följande formel användas:

Rpm = vindhastighet x löptal x 60 / turbinens omkrets


Statorns lindningar - Antal varv

För att räkna ut antalet lindningsvarv finns en formel som brukar användas för den här typen av "pannkaksgeneratorer".

N = U / (A x R x B x P x 2)

N = totalt antal lindningsvarv per fas
U = Total spänning (Emk) över samtliga lindningar i en fas
A = Magnetens area i kvadratmeter (en magnet)
R = varvtalet per sekund (ej varv per minut)
B = magnetisk flödestäthet i Tesla (oftast ca: 0,5 Tesla)
P = Antal magnetpoler per rotordisk (antal magnetpoler = antal magneter)
3-fas
U ska vara 9,5 volt i ett 12-voltssystem, 18 volt i ett 24-voltssystem och 35 volt i ett 48-voltssystem.

Om generatorn ska Y-kopplas divideras N (antal lindningsvarv) med 1,732 (1,732 = kvadratroten ur 3) och detta gäller bara vid Y-koppling, inte D-koppling. Därefter divideras N med antalet spolar i en fas.

Gör man som formeln visar, märker man att teori och praktik inte alltid går hand i hand. Vad som får en avgörande betydelse i formeln är den magnetiska flödestätheten B, som i verkligheten kanske är mer än 0,5 Tesla. Vad som avgör värdet på B är magneternas tjocklek, luftgapet, samt magneternas styrka, vilken oftast är angiven i Gauss och där 10000 Gauss = 1 Tesla.
Den magnetiska flödestätheten brukar normalt beräknas ligga runt 0,5 T och detta gäller när luftgapet är lika stort som två magneters tjocklek tillsammans. Egentligen sägs värdet vara hälften av det värde som anges för magneten, så en magnet med värdet 12.200 Gauss, alltså 1,22 Tesla, bör ligga runt 0,6 Telsa, men en viss del försvinner i magnetiskt läckage mellan magneterna.
Om värdet för B visar sig vara 0,5 T vid ett luftgap på 25 mm, kan man räkna med att värdet stiger linjärt med minskat luftgap ned till 5 mm där värdet hamnar runt 1 Tesla.

Att generatorn bara ska lämna 9,5 volts spänning till ett 12-voltsbatteri, beror på att generatorn ger växelspänning och den mäts i en form av medelvärde som kallas RMS och står för Root Mean Square. Topparna på de sinusformade spänningskurvorna är dock 41,4 % högre än rms-värdetvilket gör att spänningens toppvärde blir 9,5 x 1,414 = 13,4 volt. Eftersom spänningen också likriktas med hjälp av likriktarbryggor, vilka stjäl 1,4 volt, kommer spänningen till batteriet att bli 13,4 - 1,4 = 12 volt.
Om batteriet börjar laddas vid 12 volt beror ju helt och hållet på hur laddat, eller urladdat batteriet är, men så snart topparna på spänningskurvan når över batteriet spänning påbörjas laddningen, om än bara i små pulser i detta skede. Vid högre varvtal på turbinen stiger spänningen och batteriet kommer att laddas hela tiden.

Nu kommer dessa generatorer inte alltid att ge en ren sinusspänning, den kommer att vara något deformerad, men har man ett mätinstrument som kan mäta "True-rms", det sanna rms-värdet, är det en fördel. Har man inte det går det bra ändå och allt som kommer att hända är att den lilla avvikelsen resulterar i att generatorn börjar ladda batteriet, strax före, eller strax efter den önskade startvinden på 3 m/s. Skulle det visa sig att felet blir så stort att turbinen stallar p.g.a. att den inte orkar driva generatorn, är det bara att öka luftgapet mellan generatorns rotorskivor.


Generatorkoppling

Stjärn-, eller Delta-koppling

Vad som skiljer Stjärn- och Delta-kopplingen (Y-, eller D-koppling) åt är att Y-koplingen ger 1,732 gånger högre spänning, medan D-kopplingen istället ger 1,732 (kvadratroten ur 3) gånger högre ström. En annan skillnad är också en D-kopplad generator bara har en tredjedel så hög resistans.
Om spolarna i en fas tillsammans har resistansen 0,6 ohm, kommer den totala resistansen i en Y-kopplad generator att vara 1,2 ohm. I en D-kopplad generator blir resistansen 1/3 av den stjärnkopplade generatorns resistans, alltså 0,4 ohm.


Statorns lindningar - Testspole och kontrollmätning.

Nu vet vi hur många lindningsvarv varje spole ska ha och det är dags att linda en testspole. Teorin stämmer sällan överrens med verkligheten, så detta är ett måste.
När spolen är lindad ska vi mäta spänningen över den och det gör vi direkt på de båda trådarna som sticker ut ur den. Eftersom koppartråden är lackerad måste lacket skrapas bort så att mätinstrumentet får ordentlig kontakt.

Om hela generatorn ska lämna 9,5 volt (rms) får vi först dividera med 1,732 om den färdiga generatorn ska Y-kopplas och därefter dividera med antal spolar. 9,5 volt / 1,732 / 3 spolar ger i så fall spänningen U = 1,83 volt över en spole. Ska generatorn däremot D-kopplas dividerar vi 9,5 med 3 vilket ger 3,17 volt.
Är det en Y-kopplad generator vi ska bygga och spänningen visar 2,4 volt vid 200 rpm, då får vi plocka bort några varv från spolen.


Lindningstrådens diameter

För att räkna ut lindningstrådens diameter behöver vi veta vilken resistans generatorn ska ha. Eftersom vi känner till generatorns effekt, vilken var 287 watt enligt beräkningarna ovan, så kan vi räkna ut generatorns resistans, eftersom vi också vet vilken batterispänning vi kommer att använda (12 volt i detta exempel).

Nu är det bara att använda ohms lag för att räkna fram resistansen:

R = U2/P = 122/287 = 144/287 = 0,5 ohm

Har vi också valt att Y-koppla generatorn, vilket är det vanligaste, får vi halva den resistansen över en fas, alltså 0,25 ohm.
Innan vi kan räkna ut trådens area måste vi också veta hur många meter lindningstråd spolarna totalt innehåller i en fas. Detta får man mäta upp när man lindar spolarna, eller försöka räkna sig fram till. I det här exemplet säger vi att det krävs totalt 24 meter lindningstråd till tre spolar som utgör en fas.

Trådens area = 0,02 * trådens längd / resistans = 0,02 * 24 / 0,25 = 1,83 mm2

Sista steget blir sedan att räkna om trådens area till diameter, vilket man kan göra med formeln:



Diametern = 2 x radien = 2 x 0,76 = 1,52 mm

Skulle trådens diameter bli större än 1,6 mm blir den tjock och besvärlig att linda. Använd i så fall dubbla trådar "två trådar i handen" med mindre diameter. Multiplicera trådens diameter med 0,71 så ger det diametern för två trådar i handen. Skulle trådarnas diameter ändå hamna över 1,6 mm, multiplicera istället med 0,59 så ger det diametern för tre trådar. Om den önskade tråddiametern inte finns att köpa, välj närmast större diameter.


Kalkylator

De värden kalkylatorn ger gäller vid en startvind på 3 m/s. Effekt och laddström gäller vid vindstyrkan 10 m/s.

De värden kalkylatorn ger stämmer ganska väl överrens med de vindgeneratorer man bygger på ohterpower.com, men de är inte exakta, utan snarare en fingervisning om förväntad effekt och ungefärligt antal lindningsvarv. Hugh Piggott´s använder dock färre lindningsvarv och grövre tråd till sina 12-voltsgeneratorer. Färre lindningsvarv innebär att det krävs något starkare vind för att generatorn ska börja ladda, medan grövre tråd ger högre effekt. Detta måste dock kombineras på rätt sätt vilket visas i diagrammen nedan.

Obs! Använd punkt vid decimaltal, ej komma.
Lägg in värden:
Batterispänning:  12 V  24 V  48 V
Turbindiameter: meter
Löptal (tsr):
Startvind (m/s):
Maxvind (m/s):
Cp:
Generatortyp:  1-fas  3-fas  5-fas
Y-, eller D-kopplad: Y D
Antal magneter/rotor: st
Magnetens längd: mm
Magnetens bredd: mm
Magnetisk flödestäthet: Tesla
Resultat:
Totalt antal spolar: st
Antal spolar/fas: st
Trådens diameter: mm
Antal trådar i handen: st
Antal varv per spole: varv
Spänning/spole (Emk) volt
Generatorns resistans: ohm
Laddström till batteri: ampere
Effekt till batteri: watt


Generatorns dimensionering

Låg startvind Hög startvind Turbinen stallar


Diagrammen ovan visar vindens energi (den böjda kurvan) och generatorns effekt (den raka linjen).

Diagram 1
Diagrammet längst till vänster visar en generator som uppnår laddspänning vid låg vindhastighet. Denna generator har fler lindningsvarv per spole och den är lindad med tunnare tråd, vilket gör att resistansen blir större och ström och effekt lägre.

Diagram 2
Diagrammet i mitten visar en generator lindad med färre varv, men med grövre tråd. Den uppnår laddspänning senare, men den ger istället högre maxeffekt. Denna lindas med färre antal lindningsvarv och med grövre tråd. Färre antal lindningsvarv gör att generatorn måste rotera fortare för att uppnå laddspänning. Den grövre tråden gör att resistansen blir lägre och därmed uppnås högre ström och effekt.

Diagram 3
Diagrammet till höger visar en generator med fler lindningsvarv och grövre tråd. Detta gör att den uppnår laddspänning vid låg vindhastighet, men den grova tråden gör att effekten blir för hög i förhållande till turbinen som stallar vid belastning. Skulle detta inträffa kan antingen luftgapet mellan rotorskivorna ökas, eller en resistans läggas i serie med generatorn och batteriet.