Koncepcja budowy małej elektrowni wiatrowej

Budowa modelu laboratoryjnego prądnicy

Do budowy modelu prądnicy wykorzystano stojan i wirnik silnika typu Direct Drive stosowanego w pralkach automatycznych, których wygląd przedstawiono na rys. 1. Jest to bezszczotkowy silnik prądu stałego typu BLDC.

Rys. 1. Silnik Direct Drive: a) rotor, b) stator; fot. B. Karolewski, K. Kasperek

Budowa silnika przypomina napęd twardego dysku w komputerze. Wirnik (rys. 1a) ma kształt pierścienia otaczającego cewki stojana. Do wewnętrznej powierzchni pierścienia rotora zamocowano dwanaście magnesów ferrytowych. Każdy magnes posiada cztery bieguny magnetyczne, czyli wirnik ma 48 biegunów.

Stojan (rys. 1b) zbudowany jest z odpowiednio ukształtowanego pakietu blach transformatorowych, na których osadzono 36 plastikowych karkasów z cewkami. Cewka ma 100 zwojów drutu aluminiowego o średnicy 0,9 mm. Każdą z trzech faz stanowi 12 szeregowo połączonych cewek. Fazy połączone są w gwiazdę.

Rys. 2. Model prądnicy uzyskanej z silnika Direct Drive, wraz z silnikiem napędowym, widok z boku; fot. B. Karolewski, K. Kasperek

Rys. 3. Model prądnicy uzyskanej z silnika Direct Drive, widok z drugiego boku; fot. B. Karolewski, K. Kasperek

W pralce wirnik zamocowany jest bezpośrednio na wale bębna. Przerabiając silnik na prądnicę, oryginalny wał skrócono. Dobrano piastę, do której zamocowano stojan, a wewnątrz niej umieszczono łożyska, w których osadzono wał wirnika. Całość zamontowano na podstawie i sprzężono z silnikiem napędowym – zastępującym w badaniach turbinę – za pomocą przekładni pasowej o przełożeniu 4:1 (rys. 2. i rys. 3.).

Rys. 4. Wirnik z magnesami neodymowymi; fot. B. Karolewski, K. Kasperek

W pierwszej kolejności zbadano parametry oryginalnej maszyny. Następnie podjęto dwie próby zwiększenia uzyskiwanej mocy. Wariant drugi uzyskano wymieniając magnesy ferrytowe na magnesy neodymowe (rys. 4.).
Użyto 48 magnesów o wymiarach 30x10x5, wykonanych z materiału N-42.
Pomiędzy magnesami pozostawiono 5-milimetrowe przerwy.

W trzecim wariancie poza wymianą magnesów dodatkowo przezwojono stojan.
Drut aluminiowy zastąpiono miedzianym o średnicy 1 mm.
Nie udało się zachować oryginalnej liczby zwojów cewek, zmniejszono ją do 77.

Wyniki badań modelu prądnicy

Rys. 5. Schemat układu zasilania silnika napędzającego prądnicę; rys. B. Karolewski, K. Kasperek

Rys. 6. Schemat układu pomiarowego na wyjściu prądnicy; rys. B. Karolewski, K. Kasperek

Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 5. i rys. 6. Prędkość silnika napędowego regulowano wykorzystując przemiennik częstotliwości. Napięcie z trójfazowej prądnicy prostowano mostkiem 6-pulsowym. Prądnicę obciążano rezystorem.

Rys. 7. Charakterystyki biegu jałowego; rys. B. Karolewski, K. Kasperek

Dla trzech wariantów wykonania prądnicy wyznaczano zależność napięcia stałego nieobciążonej prądnicy od prędkości, czyli tzw. charakterystykę biegu jałowego (rys. 7.), a następnie zależność napięcia fazowego prądnicy od prądu obciążenia przy stałej prędkości obrotowej – charakterystykę zewnętrzną.

Rys. 8. Charakterystyki zewnętrzne przy prędkości 250 obr./min; rys. B. Karolewski, K. Kasperek

Po analizie uzyskiwanych wartości przyjęto, że prędkość znamionowa prądnicy wynosi 250 obr./min. Przy tej prędkości napięcie trójfazowe maszyny ma już częstotliwość 100 Hz. Znamionowe napięcie stałe będzie dzięki temu miało mniejsze tętnienia niż przy 50 Hz. Dla tej prędkości wykreślono przykładowe charakterystyki zewnętrzne (rys. 8.).

W przypadku maszyny bez przeróbek, dziesięcioprocentowy spadek napięcia (od 96 V do 86 V) odpowiada obciążeniu prądnicy prądem 0,4 A. Uzyskana moc wynosi 86 V · 0,4 A ≅ 34 W.

Dla wariantu z magnesami neodymowymi ΔU = 10% odpowiada obniżeniu napięcia od 180 do 162 V. Taki spadek występuje dla prądu 0,75 A, czyli znamionowa moc prądnicy wynosi 162 V · 0,75 A = 121W.

W trzecim wariancie dziesięcioprocentowy spadek napięcia odpowiada zmianie napięcia od 138 do 124 V, która powodowana jest prądem obciążenia 1,2 A. Daje to moc 124 V · 1,2 A = 148 W.
Jak widać przyrost mocy między wariantem 2 i 3 jest stosunkowo niewielki, a wymiana uzwojeń – pracochłonna. W związku z tym jako optymalny przyjęto wariant 2.

Przy założeniu, że prądnica będzie zasilała grzałki z wykorzystaniem regulatora obciążenia, można dopuścić większą zmianę napięcia niż 10%. A zatem, dla prądnicy z magnesami neodymowymi przyjęto dopuszczalne zmiany napięcia w zakresie od 180 do 156 V. To ostatnie napięcie odpowiada prądowi 1 A. Jest to prąd o wartości dopuszczalnej ze względów cieplnych. Mierzono pirometrem temperaturę uzwojeń po długotrwałym przepływie prądu 1 A. Temperatura nie przekraczała 80° Celsjusza (przy temperaturze otoczenia 24°).

Po zatrzymaniu prądnicy – w związku z pogorszeniem chłodzenia – temperatura cewek początkowo wzrastała o około 4°, a dopiero później cewki zaczynały stygnąć.

Temperatura na powierzchni magnesów nie przekroczyła 65°. A zatem uzyskana maksymalna moc wybranego wariantu wykonania prądnicy wynosi 156 V · 1 A ≅ 156 W.

W celu wstępnego określenia sprawności prądnicy, wykonano pomiar mocy pobieranej przez silnik napędowy i oddawanej przez prądnicę.

Aby uniknąć odkształceń przebiegów, silnik zasilono bezpośrednio z sieci. Przy napięciu znamionowym pobierał on moc 975 W. Silnik był obciążony w 44% swojej mocy znamionowej (wynoszącej 2,2 kW).

Sprawność silnika przy podanym obciążeniu oszacowano na 0,65. Wobec tego moc na wejściu prądnicy wynosiła około 634 W.

Prądnica, obciążona rezystorem, wirowała z prędkością 685 obr./min. Przy napięciu 440 V oddawała prąd 1 A, czyli moc wyjściowa wynosiła 440 W. Szacunkowa wartość sprawności prądnicy wynosiła zatem 440/634 ≈ 0,7.

Sprawność prądnicy jest obniżona przez wykorzystanie przekładni pasowej. Naciąg paska klinowego wywierał dość znaczną boczną siłę na wał prądnicy i powodował znaczny wzrost mechanicznych oporów ruchu prądnicy. Przy umieszczeniu turbiny wprost na wale prądnicy, jej sprawność powinna znacząco wzrosnąć.

Literatura

1. W. Jagodziński, Silniki wiatrowe. PWN, Warszawa 1959.
2. B. Karolewski, Obliczanie parametrów małej elektrowni wiatrowej, „elektro.info” 6/2014.
3. Soliński, Energetyczne i ekonomiczne aspekty wykorzystania energii wiatrowej, Wyd. Inst. Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN, Kraków 1999.

Czytaj też: Aspekty ekonomiczne wytwarzania energii elektrycznej w instalacjach prosumenckich >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!