DIY Mała przydomowa elektrownia wiatrowa - Prądnica

Prądnica, czyli jak nie należy jej robić.

Stator to typowa trójfazowa "prądnica amerykanka" znana z wielu kanadyjskich stron www. W pierwszej wersji składał się on (u mnie) z trzech sekcji po trzy cewki na sekcję drutu nawojowego fi 1,2mm w ilości 84 zwojów na cewkę. Grubość cewki wynosi około 10mm. Układ ten połączony w gwiazdę przy 150 obrotach na minutę dawał na obciążenie, w postaci akumulatora 12V 176Ah, napięcie 13.2V 2A (26.4W). Niestety nie miałem możliwości zmierzyć napięć i natężeń przy innych obrotach. Jako ciekawostkę podam fakt, iż przy ostatnich burzach, a wiatry wcale nie były silne, udało mi się zaobserwować napięcie ograniczone przez układ ładowania do 14.4V (napięcie mierzone na zaciskach akumulatora - typowe napięcie ładowania dla akumulatora), 250W szło w grzałkę oraz blisko 17A prądu generowane przez prądnicę wiatraka. Moc osiągnięta: 14Vx17A+250W=około 500W. I co bardzo mi się podobało miałem okazję zobaczyć jak działa "układ mimośrodowy" zabezpieczenia przed silnymi wiatrami. Wiatrak został ustawiony z kierunkiem wiatru. Film można pobrać tu lub obejrzeć animację poniżej.
A poniżej materiał zdjęciowy JAK NIE POWINNO SIĘ JEJ WYKONYWAĆ.

Jakie popełniłem błędy:

1. Kształt cewki - wzorując się na materiałach ze stron Hugh Piggott'a bezmyślnie poszedłem za "sprawdzonym rozwiązaniem" - popełniając błąd, bo z kształtem cewki związana jest również moc. Prąd produkowany jest gdy nad bokami jednej cewki znajdują się (w ruchu) dwa magnesy - a nie wtedy gdy w jej oku znajduje się magnes. W związku z powyższym jej kształt powinien być jak najbardziej dopasowany do rozstawu pary magnesów dla danej sekcji. Oczywiście wymusza to lekkie odstępstwo od kształtu idealnego z uwagi na różna ilość par magnesów i ilość cewek ale to wartości pomijalnie małe.
2. Niewykorzystane miejsce. Pustki pomiędzy cewkami mogła spokojnie wypełnić miedź - a więcej zwoi to bardziej wolnoobrotowa prądnica.
3. Grubość cewki. Pierwszy stator miał 10mm, bo magnesy miały również po 10mm. Na kliku anglojezycznych stronach www można przeczytać, że grubość cewki nie powinna przekraczać grubości użytego magnesu. Czyli jeśli używamy magnesów o grubości 5mm to grubość cewki nie powinna przekraczać 5mm. Nic bardziej błędnego.

Prądnica, czyli jak być powinno.

1. Kształt cewki: Jeśli do wykonania rotora stosuje się magnesy o kształcie prostokąta to kształt cewek powinien być wycinkiem koła czyli przypominać literę "V" (trójkąt) - innymi słowy kształt powinien się zwężać im bliżej osi obrotu rotora (dokładnie tak jak na zdjęciu z prawej strony tego tekstu).
2. Ilość miedzi: Ile wejdzie. Jak widać na zdjęciu z prawej strony cewka powinna wykorzystywać całą możliwą przestrzeń wycinka koła jaki zajmuje. Efekt jaki się dzięki temu uzyskuje to znacznie wyższe napięcie przy dużo niższych obrotach.
3. Grubość cewki: Testy które przeprowadziłem wykazały, iż bez problemu można nawijać cewki o grubości dwukrotnej grubości magnesu. Czyli stosując magnesy grubości 10 mm można z powodzeniem nawinąć cewkę grubości 20mm.

Cewka testowa: Konieczność, jeśli chce się posiadać wiedzę, co w przyszłości będzie potrafiła prądnica którą się wykonuje. Oszczędzi to kolejnych rozczarowań. Przy założeniach projektowych należy pamiętać, iż nie powinno się liczyć większej gęstości prądu na 1mm² pola przekroju, niż dany drut jest w stanie wytrzymać. O obciążalności proponuję poczytać tu: Obciążalność prądowa przewodów

To co widać na powyższym zdjęciu to cewki nawinięte drutem 2x1.2mm w ilości w okolicach 110 zwojów i grubości 16mm. Zastosowanie drutu 2x1.2mm wynika z faktu, iż znacznie łatwiej nawinąć cewkę drutem średnicy 2x1.2mm niż 1x1.7mm.

No dobrze, ale jak nawinąć cewki?
Wystarczy wykonać sobie specjalną maszynkę. Najprościej użyć cienkiej sklejki 3-4mm, czterech śrub fi 4mm - rurka termokurczliwa załozona na śruby zabezpiecza drut nawojowy przed uszkodzeniem o zwoje śrub ustalających, jest również świetnym elementem ustalającym końcową szerokość cewki.

Niewielka chwila przed zalaniem całości żywicą epoksydową. Dla wzmocnienia statora użyłem cztery warstwy grubej maty szklanej na każdą jego stronę. Dodatkowo mata wypełniła całkowicie wszystkie pozostałe miejsca na całej grubości statora.

Następnego dnia, po wyjęciu z formy, delikatnie przeszlifowałem stator szlifierką pasową i rotacyjną przy użyciu papier ściernego o ziarnistości 100 i "polerowanie" przy pomocy smaru do łożysk - totalnie zbędna czynność. :)

Rotor. Krążki grubości 8mm. Wielkie podziękowania dla Roberta Sobotki (Metal-Styl) za poświęcony czas na toczenie i całą pozostałą obróbkę. Materiał to oczywiście zwykła stal.

Magnesy, kolejno N, S, N, S... Test poprawności: magnes trzymany w zamkniętej dłoni zbliżamy do kolejnych magnesów znajdujacych się na tarczy. Powinien być odczuwalny efekt naprzemiennego przyciągania i odpychania. Kleje: nie stosowałem zadnych klejów.

Po prawej animacja przedstawiająca zależności jakie powinny występować pomiędzy wielkością cewki i magnesu dla osiągnięcia maksymalnej wydajności układu. Ogólną zasadą, jaką należy się kierować przy budowie prądnic tego typu, jest zastosowanie takich wymiarów cewki by jej kształt odpowiadał wycinkowi koła a identyczne pary magnesów znajdujące się na jednej tarczy rotora znalazły się dokładnie nad bokami wszystkich cewek z danej sekcji. Innymi słowy szerokość boku cewki powinna być mniejsza bądź równa szerokości magnesu.
Ilość magnesów potrzebnych do wykonania jednej tarczy rotora można policzyć ze wzoru:

ilość cewek / 3 x 4 = ilość magnesów

Oczywiście w przypadku tej prądnicy rotor zawiera dwie tarcze, tak więc otrzymaną ilość magnesów należy pomnożyć przez 2.
Magnesy neodymowe znajdujące się na przeciwległych tarczach (rotorach) winny się przyciągać, więc już na etapie projektowania należy zachować odpowiednie ich ułożenie względem otworów montażowych szpilek piasty.
UWAGA! Podczas zakładania drugiej tarczy należy zachować bezwzglednie należyte środki bezpieczeństwa. Tarcze z magnesami przyciągają się z niesamowitą wręcz siłą i łatwo stracić palce jeśli nie przemyśli się sposobu jej założenia.