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)
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.
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.
|
Svenska
English
