Vindgenerator utan magneter

[PowerMizer]

Hej på er, alla!

Igår jobbade jag uppe i fjället i en enslig sportstuga. Jag var den förste som körde sedan plogbilen tagit upp vägen, och det var någon dag tidigare. Det var tyst förutom naturens smekande småljud och jag hade fjäll i 180 grader av synfältet. Efter ett par timmar blev jag dock störd av ljudet av civilisation; ett jetplan på hög höjd var på väg mot Nordnorge. Sen återvände lugnet igen.
Där och då fick jag lite tid att vara med mej själv, vilket resulterade i detta:

Jag tror att ett bra sätt (för en fattiglapp som mej) att bygga en generator är att skippa magneterna och bygga en helt vanlig synkronmaskin med borstlös matare. Den fungerar som följer: En del av den genererade kraften används för att skapa ett magnetfält istället för de dyra och farliga (fråga Zigge!) magneterna.

I generatorlindningen lindar man även in en tunnare tråd med flera varv där man genererar magnetiseringsströmmen (hjälpmatare). Min tanke är att man har högre spänning (~100 VDC) på magnetiseringen än på kraften till huset (24 VDC). Genom detta uppnår man ett par fördelar:
* Mindre strömmar genom elektroniken
* Smidigare lindningshärvor
* Smäckrare konstruktion

Spänningen från hjälpmataren (stillastående) likriktas och går in i en spänningsregulator som i sin tur driver fältlindnigen (stillastående) för matargeneratorn (roterande). Matargeneratorns ström likriktas och levererar kraft till generatorns fältlindning (roterande). Se skiss!

Generatorn byggs likt Hugh Piggott's idé, men med ytterligare en generator innanför (mot cenrum) den vanliga.
Nu frågar säkert vän av ordning -"Vart tog 'Keep it simple, stupid!' vägen?"
Allt har ju sin anledning, så även denna idé. Det finns nackdelar med idén, bl.a. komplexiteten och feltoleransen.... Men det finns fördelar också:
* Billigare vid stor (>1 kW) generator (magneter är dyra, koppar billigare)
* Stabil utspänning oberoende av varvtal, så gott som...
* Man kan designa generatorn för ett lågt "cut in-" varvtal
* Klarar man det så kan man skriva sin _egen_ bok om vindkraft!

Därav följer alltså: Åk till fjällen och var tilsammans med dej själv i tystnaden! Då kommer idéer. Inte alltid bra, men idéer i alla fall!!

*** GE MEJ FEEDBACK PÅ DETTA!! ***

Ha det gott!
/P

[magi]

Hej.
Försök att bygga en prototyp och testa.
Får du bra verkningsgrad så blir du berömd.
Snacka med folk på Innovation skåne eller liknande och hör vad de tror.

Regards Magi

[Zigge]

Jag har lite svårt att förstå hur själva maskinen ska se ut och hur det hela hänger ihop. Kan du göra en skiss över själva generatorn och var de olika lindningarna sitter?

Visst vore det fördelaktigt rent ekonomiskt om man slapp neodymmagneterna och det här var väl i stort sett vad jag fick kvar sedan jag köpt 36 magneter (24 stora och 12 små).  

[Zigge]

Jag bifogade fel bild, men det spelar ingen roll, det är ju ändå en magnet och stark är den trots sin storlek.

[eka]

En fundering dyker upp när du ritade in en reglerutrustning som skall jobba på 100V.
Det kan vara lite lurigt att hitta halvledare för överkommliga priser som klarar dessa spänningar.
Gör man sedan något fel så brukar den blå röken som finns i komponenterna komma ut (i alla på en gång) och då får man aldrig dem att fungera igen.

[PowerMizer]

Hej igen!

Tack för alla kommentarer hittills!  

Zigge:
Bifogar en enkel och inte så genomtänkt skiss över ena "magnet-" rotorn.
Som du ser så har denna rotor samma diameter som den för en 3,6 m "Piggott-snurra". Det är möjligt att man bör öka diametern ytterligare, men jag vill inte det. Ökad diameter skulle inverka på innersta delen av turbinbladen så att startmomentet sänks. Jag vill ju ha en snurra som startar i låga vindar... Mot detta står ju det faktum att ju längre del av lindningen som skärs av magnetfältet ju mera kräm får man, vilket skulle öka diametern ytterligare. (pest eller kolera)

Som sagt kommer den att likna en Piggott-generator, men ha lite större diameter på skivorna för att rymma matargeneratorn.

En sak jag grunnat på är hur den ska kunna ta upp spänning _själv_ utan startmagnetiseringsutrustning. Undrar om man kan sätta in en liiiten neo-magnet brevid nån lindning för att på så sätt få den att ta upp spänning. Känns dumt att dra upp en DC-kabel i tornet bara för att magnetisera den. Jag vill nämligen ha ner 3~AC till marken för att kunna mäta ditt å datt som varvtal (frekvens) och statorlindningstemperatur (genom att mäta ström och spänning kan resistansen, och därmed temperaturen, i statorlindningarna beräknas).


Magi:
Ja, det är lockande att göra mera än en skrivbordsprodukt av detta! Det som är knixigt är att jag har lite pengar, dålig verkstad och för lite kunskap (än). På pluskontot är ju den kunskap jag redan har och inte minst mitt kontaktnät. Har pratat med en nära vän på ABB och han känner en pensionerad generatorguru som har "saved their asses" många gånger. får se om det ger nått...


Eka:
Den magiska röken känner jag till. läcker den ut ur komponenterna så är det bara att köpa nytt!
 

Jag tror att det kan vara dyrare att köpa strömtåliga prylar än spänningståliga, i alla fall när det bara är kring 100 V. Sen är det så att inom kraftindustrin ligger man ofta kring 100-120 V för magnetiseringens kontrollutrustning, och med rätt kontakter kanske man kan hitta några "hyllvärmare" eller utbytta delar som går att komma över...

Tack för i dag!
/P

[ollebolle]

Fiffig lösning med magnetiseringslindning. Det är sånt man kommer på när man vaknar mitt i natten, kör motorcykel i dvala i jämnan lunk eller som du på fjälltoppen helt utan störande moment.

Räcker det inte att magnetisera generatorn med en inkoppling till nätet? Det är ju tillåtet att koppla in en trefasmotor på nätet. Bara man inte låter det blåsa för mycket. Den lilla kvarvarande magnetismen i rotorn kan då räcka för att den ska börja ge ström till sig själv och så är det hela igång förhoppningsvis.

Sedan kan anslutna kondensatorer ordna med fasvinkelförskjuningen (kallas det så) så att motorn går som generator.

[Zigge]

Ett alternativ är att sätta en liten turbin på toppen av vindkraftverkets mast, som driver en liten PMG bestående av två neodymmagneter från en hårddisk. Eftersom dessa magneter är tvåpoliga får man en fyrpolig generator och med tunn koppartråd kan man linda en himla massa varv och snabbt uppnå hög spänning redan vid låg vind. Den lilla turbinen kommer ju också att snurra ganska fort.

När sedan magnetiseringen kommer igång och den stora turbinen börjat snurra, kan man låta den stora generatorn generera sin egen magnetiseringsspänning. Vill man inte höra det surrande ljudet från den lilla turbinen kan man kortsluta dess lindningar och få tyst på eländet.

Använder man sig av kondensatorer, som man gör med asynkronmotorer för att få dem att fungera som generatorer, lär det inte behövas mycket till generator i den lilla snurran för att få igång magnetiseringen.
Ett alternativ vore att ersätta stjärtfenan med den lilla snurran för magnetiseringsspänningen (helikoptermodell).

Kanske skulle det också gå att dimensionera den lilla magnetiseringssnurran så att den ensam alltid kunde magnetisera den stora generatorns rotorlindningar.
Väljer man en vingprofil på magnetiseringsturbinen som är avsedd för låg vindhastighet får man tidigt snurr på turbinen.  Den har också sin begränsning i rotationshastighet, än hur mycket det blåser och då behöver man knappast någon spänningsrelulator till rotorlindningarna, eftersom spänningen mår sitt max vid ett visst varvtal/vindhastighet.

Tyvärr har jag inte en aning om vilken spänning och ström som krävs för rotorns lindningar, men det kan du säkert bättre själv. Men som sagt, jag skulle nog satsa på dubbla turbiner för att inte få några som helst förluster p.g.a. självmagetisering, vilket är extra viktigt vid låga vindhastigheter och låg är ju vindhastigheten för det mesta.

En kombination med självmagnetisering vid högre vindhastigheter och broms på den lilla turbenen genom kortslutning av lindningarna, vore kanske det bästa, dels med tanske på ljudnivån från den surrande lilla turbinen, men också för att kunna nå högre toppeffekt vid stark vind.

[Zigge]

Ett litt tillägg...

Eftersom en bilgenerator kan ge 1000 watt, eller mer, men ändå bara drar 30-50 watt för sin egen magnetisering, skulle det alltså bara kvävas en 30 till 50-watts generator med turbin och sätter man den där bak på tvären blir det riktigt snitsigt och vika av från vinden kommer den ju också att göra.

[Zigge]

Ytterligare tillägg...

Det jag menar var att köa samma princip som jag tror du tänkt dig, men att driva de båda generatorerna med två olika turbiner, dels för att helt undvika förluster, men också för att snabbare få upp magnetiseringsspänningen genom den lilla turbinens höga varvtal i låg vind.

[PowerMizer]

Hej!

Måste upp å lägga lillpojken, men passar på att säga att jag är imponerad på Zigge!
Magnetiseringseffekten ska inte överstiga 5% och ditt exempel på bilgeneratorn är ju helt inom den gränsen.

Bra jobbat! Vi kan MYCKET tillsammans!!
/P

[PowerMizer]

Hej igen!

Frun i huset nannar pojken. I'm back!

Idén med en liten pluttsnurra är ju kul! Den kanske kan kopplas in mellan spänningsregulatorn och matarens fältlindning om man strömbegränsar den med ett motstånd!? En pluttsnurra som ger 10-20 VDC och kanske 5 W borde ju gå att bygga redan nu på senvintern bara för att testa. Sen montera den på bilen och köra och mäta upp den... Låter kul!

Den vore snygg att ha i toppen av stjärtfenan och gärna en liten röd diod som lyser i mörkret!

Att avpassa lilla snurran till en bra spänningsreglering tror jag säkert går, men jag tror att det blir för mycket "trial n' error" för mitt tålamod. Jag HAR tålamod, men det ryms i en fingerborg.....

När det gäller fältströmmar å sånt:
Fältstyrkan står i relation till effekten i fältlindningen; ju högre ström vi kan mata fältlindningarna med (upp till mättnadspunkten), ju högre fluxdensitet får vi i magnetfältet. Om vi kan öka fluxdensiteten i fältet så kommer också utspänningen i generatorlindningen att öka. Fältstyrkan kan ökas genom att minska lindningsvarven i fältlindningen. Fältlindningen använder sej av en viss del av den genererande effekten. Idealgeneratorn använder ungefär 5% av märkeffekten till fältlindningen. Över denna gräns blir generatorn mindre effektiv upp till gränsen för mättnad, då fältlindningen börjar att parasitera och snylta på effekten istället. Detta betyder att dina antaganden är korrekta.

Jag vet inte om jag köper allt det du skrivet i svar #9, men idén med en liten snurra för startmagnetisering köper jag direkt! Det finns egentligen bara två anledningar:
* Man slipper laborera med småmagneter o små järnkärnor, men viktigast ändå:
* Det är ju både tufft och snyggt!! Särskilt med små lysande dioder här och där!

Ha det gott!
/P

[ollebolle]

Bravo Zigge.

En magnetiseringsgenerator är ju en fiffig lösningen att optimera energin som vinden kan ge i avgiven elektrisk energi vid skiftande vindstyrkor.

När det blåser mycket får generatorn mer ström till magnetiseringen - generatorn går då tyngre och det orkar den med  i den kraftigare vinden. Genom att förkoppla med ett justerbart motstånd kan du trimma in lämplig magnetiseringsström. Du kan alltså ha lite för stark magnetiseringsgenerator och efterjustera. Mät strömmen t.ex från generatorn och vrid in motståndet för max effekt.

Kan inte tänka mig bättre sätt att få ut max av en generator vid varje vindstyrka utan att ha en elektronisk reglering.

Det här gäller om du har t.ex en bilgenerator.

Applåder klapp klapp

[Zigge]

Tackar, tackar! Jag känner mig smickrad!  

Hur många varv man lindar spolarna med kan man beräkna med formeln (gäller en spole):

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

N = Antal var (en spole)
U = Spänning (en spole)
P = Antal poler (magneter på en rotordisk)
B = Magnetisk flödestäthet i Tesla (1 Tesla = 10.000 Gauss)
A = Magnetens area (längd * bredd (en magnet))

Vänder man på formeln bör man få:
U = N*A*R*P*B*2

Den magnetisk flödestätheten är inte lätt att veta, men för neodymmagneter kan man räkna på ett värde för B runt 0,6 - 0,65, om om man använder dubbla rotorskivor, med magneter på båda och ett luftgap mellan rotorskivorna som motsvarar tjockleken på en magnet.
Använder man dubbla rotorskivor, men bara med magneter på den ena, hamnar B runt 0,45 (om jag inte mins fel) och kör man med enbart en skiva blir värdet ca: 0,38.

[PowerMizer]

Hej Zigge!

Jag har bara fått mej två baljor kaffe nu på förmiddagen, men om du hittat denna formel så borde det finnas formler för hur man räknar ut Tesla och sånt på lindningar. Om man hittar en formel så borde det ju bli liiite mindre "trial n' error"...

Har du möjligen någon sådan?

/P

[Zigge]

Någon formel för hur man räknar på luftgapet har jag aldrig sett. Jag vet bara att värdet på magneterna oftast anges i Gauss, exemlevis 12.800 Gauss. Dividerar man med 10.000, får man den magnetiska flödestätheten i Tesla, alltså 1,28 Tesla.

Hur stor magnetisk flödestäthet man får genom statorlindningarna beror på luftgapet mellan två magneter i förhållande till magneternas tjocklek.
Är magneterna 12 mm tjocka, alltså 24 mm för två stycken mot varandra, erhåller man halva värdet i Tesla om luftgapet är halva magneternas tjocklek tillsammans. Så om två magneter tillsammans är totalt 24 mm tjocka och luftgapet (inkl. stator) 12 mm, då blir den magnetiska flödestätheten 1,28 / 2 = 0,64 Tesla.

Stålskivan som magneterna sitter på inverkar ju också på det hela, liksom avståndet mellan magneterna på en rotorskiva. Sitter de för tätt får man läckage mellan magnterna och är stålskivan för tunn kan man inte utnyttja stålets "förstärkningsfaktor" till fullo.

Jag känner att jag är ute på djupt vatten nu, men det här är vad jag lärt mig, om jag förstått vad jag läst.  

När det gäller ditt vindprojekt, kom jag att tänka på ett annat alternativ, om du helt vill slippa magneter. Sätter man likriktardioderna uppe i masten, vid generatorn, då har man ju alltid batterispänning uppe i masten, utan att det behöver dras en extra kabel från batteriet. Den likriktade spänningen från generatorn går ju ändå direkt in på batteriet, utan att först passera shuntregulatorn, som ju också kopplas direkt till batterierna.
Med tillgång till 24 volt uppe i masten har man ju alltid magnetiseringsspänning för rotorlindningarna och denna borde gå att strömreglera efter varvtalet på turbinen, så att generatorn går lätt i svag vind och tungt i hård vind.

Vid låg vind kan man helt låta bli att magnetisera rotorlindningarna så att turbinen snabbt uppnår tillräckligt varvtal (för elproduktion), sedan pulsar man fram ström till rotorn så att inte turbinen tappar fart och stannar i den låga vinden. När det sedan blåser lite mer, kan pulsningen upphöra och strömmen kan ligga på hela tiden och automatiskt regleras beroende på vindhastighet.

Det enda som egentligen bromsar vid riktigt låga vindhastigheter borde vara friktion i lager och turbinen själv (tröghet beroende på dess massa, friktion mot den omgivande luften och hur väl balanserad den är). Rent teoretiskt borde det gå att få kräm ur ett sådant vindkraftverk vid extremt låg vindhastighet, beroende på hur turbinen är konstruerad. Att få tillräcklig spänning vid lågt varvtal kräver en generator med många poler och lindningar, eller en växel.

Att få varvtalsreglering på det hela kanske blir klurigt, men riktar man en varvräknare mot turbinbladen borde det gå. Jag vet inte hur en sådan är konstruerad, men det finns ju D/A-omvandlare och andra komponenter, så att både pulsa och strömregulera rotorlindningarna borde inte vara alltför svårt.

Det känns som om vi börjar lämna det enkla nu, så jag nöjer mig med detta.  

[eka]

Jag fortsätter där du slutade Zigge, du ger fina ideer att fortsätta på. Grunden var ju att få generatorn enkel.
Varvtalet, det får man från lindingarna, före dioderna.
Pulsa kan man också göra före likriktningen. (kanske direkt i = få spänningståliga komponenter)
Då kan man använda vanliga tyristorer.

[ollebolle]

I svag vind kan du aldrig få ut någon hög effekt.

Det som är det sorgliga i låg vind (och i kraftig vind) är energin som är i kvadratiskt förhållande till vindens hastighet. Säg att turbinen ger 100W i 8 m/s. Då får man bara en fjärdedel vid 4 m/s=25W, och vid 2 m/s 6W. När vi går uppåt så blir det underbart vid 16 m/s=400 W men vid 32 m/s ger det 1600W innan det blåser sönder.

Det här är ett förhållande man lärt sig att förhålla sig till på sjön. 5-10 m/s är underbart men det dubbla är uthärdligt bara i medvind.

Man behöver ha detta i åtanke vid konstruktion av en vindsnurra. Den höga energin som alltså vid 32 m/s är 256 ggr starkare än vid 2 m/s. När man uppger vindstyrka i väderleksrapporter är det medelvind under 10 minuter Då kan enstaka vindbyar vara betydligt starkare. Så vid dimensionen av snurra,  mastoch stag måste man ta i ordentligt. Kan vara bra med nödstopp av turbin med broms eller likn. Eller ha en generator som klarar att kortslutas utan att brinna upp. Skenar turbinen så flyger kanske bladen iväg. Kan vara en variant om det är folktomt men då gäller det att alla flyger samtidigt - brytpinne eller likn som håller samtliga blad?

[Zigge]

Smart det där med varvtalet från lindningarna! Så långt tänkte inte jag.  
Kan man tänka sig att använda magneter blir allt mycket enklare, annars förstår jag inte hur man kickar igång generatorn från stillastående om man inte tar spänningen efter dioderna, alltså direkt från batterierna.

[Filip Skräplund]

Nån som känner till ifall hur pass effektivt det kan vara att samla upp vind i en stor tratt och placera en turbin vid trattens trånga öppning?

Det blir ju en del förluster i tratten men å andra sidan kan man ha ett mindre turbinhjul med högre varvtal.