Tierummunsulatin

Lapin tiepiirin kanssa käydyissä katuvalojen myyntineuvotteluissa tuli esille erityisesti heidän tiepiirissään oleva ongelma. Talvi on pohjoisessa varsin pitkä, mutta jo kevättalvella päivän pituus on melkoinen ja kevätaurinko erinomaisen lämmin. Tämän vuoksi päivällä alkaa lumi sulaa jäätyen taas yöllä, minkä seurauksena lähes kaikki tierummut ovat pian umpeen jäätyneitä. Sulamisvedet nousevat sitten jatkossa paikoitellen teille jäätyen öisin hengenvaarallisen liukkaiksi.

Tierumpuja pidetään sulana verkkosähköllä, sikäli kun sitä on saatavilla. Lapissa tosin sähköverkko on varsin harva. Tierummut voitaisiinkin pitää

toimintakuntoisina tuulienergian avulla sähköverkon ulkopuolella.

Lämmitys tarvitsee huomattavan paljon tehoa suhteessa esimerkiksi valon tuottamiseen. Jään sulattaminen vie tehoa jo todella paljon; Lapin tiepiirissä käytetään tehoa noin 50 vvattia metriä kohti verkkosähköllä toimivissa

tierumpujen sulattajissa. Tällaisiin tehoihin emme jatkuvassa käytössä pysty: 10 metriä tierumpua vaatisi 500 vvattia, mikä vaatisi meidän generaattoreitamme toistakymmentä. Tierummut ovat pituudeltaan 6-15 metriä ja halkaisijaltaan 0,3 - 1,5 metriä.

Ongelman ratkaisi yksinkertainen innovaatio. Putkeahan ei tarvitse sulattaa ulkopuolisella energialla kokonaan auki. Näin pienikin teho riittää sulattamaan kaapelin ympärille pienen kanavan, jossa vesi mahtuu virtaamaan, virtaava vesi hoitaa sulamisen jatkumisen. Halkaisijaltaan suurissa tierummuissa kannattaa asentaa rummun sisään pienempi muoviputki, joka pysyy suurta putkea

helpommin sulana. Kotimainen lämmityskaapeleiden valmistaja ilmoitti tehon 10 vvattia metriä kohden riittävän tällaiseen sovellukseen.

Lämmitystehoakaan ei tarvita edes koko aikaa. Ulkolämpötilan ollessa yli +2 C luonto hoitaa sulatuksen aivan ilman apua. Toisaalta lämpötilan laskiessa alle -5°C jään kertyminen on erittäin vähäistä eikä sulamisvesiä ole liikkeellä.

4.3.1. Toimintaperiaate

Tuulen mukana pyörivä roottori pyörittää vaihteiston välityksellä tasajännitegeneraattoria. Generaattorin tuottama sähköenergia ladataan suurikapasiteettiseen lyijyakkuun. Akkua puretaan sulakkeen vartioimana lämmityskaapeliin differentiaalitermostaatin määräämänä aikana ulkolämpötilan ollessa -5°C ja +2°C välillä. Akun purkupiirissä on alijänniterele, joka katkaisee syötön akun suojelemiseksi jännitteen laskiessa 80 %:n purkausta vastaavaan arvoon.

Tehon tarve ja akkujen kapasiteetti on suoraan verrannollinen rummun pituuteen.

Rumpujen pidetessä asennetaan tarvittava määrä generaattoreita ja akkuja rinnan ja Saijaan kytkettyinä.

4.3.2. Sähkötekniset komponentit

Generaattorin ja käyttöjännitteen osalta ei tässä yhteydessä ole lisättävää kappaleiden 3.1, 3.2 ja 4.2.2 sisältöihin. Näiltä osin sovellus on identtinen katuvalon kanssa.

Tarvittava generaattoreiden määrä sekä akkukapasiteetti riippuvat rummun pituudesta. Lämmityskaapeliin syötettävä teho on 10 wattia rumpumetriä kohti.

Käyttöjännitteen ollessa 24 volttia on virta 0,42 ampeeria metriä kohti. Hyvää käyttövarmuutta vastaa tyynessä säässä täydellä kapasiteetilla saavutettava 30 tunnin käyttö, mikä tarkoittaa akkukapasiteetissa noin 15 Ah rumpumetriä kohti.

Riittävän lataustehon saavuttamiseksi tulisi tehonsyötön vastata kulutusta hyvällä tuulella, mikä tarkoittaisi yhtä generaattoria neljää rumpumetriä kohti. Suuren akkukapasiteetin ja verraten pienen käyttöajan (-5°C - +2°C) vuoksi arvioin generaattorin per viisi metriä tierumpua olevan riittävä.

Esimerkiksi 10 metrin tierumpua varten tarvitaan kaksi generaattoria ja akkukapasiteettia 150 Ah, joka saavutetaan edullisimmin neljällä 70 Ah /12 V

markkinoiden ylivoimasti edullisin laskettuna Ah markkaa kohti johtuen suuresta myyntimäärästään autoihin ja veneisiin. Tässä sovelluksessa ei ole välttämätöntä käyttää kalliita suljettuja lyijyakkuja, sillä akut pysyvät tukevasti vaakasuorassa ja ne ovat tielaitoksen jatkuvan huollon alaisuudessa.

Mikäli sovelluksen energiantarve katsotaan poikkeuksellisen suureksi johtuen rumpupituudesta tai halusta varmistaa normaalia tärkeämpi tieosuus, toimitetaan tierummunsulatin tehokkaammalla alihankkijan toimittamalla tuulimyllyllä.

Kotimainen Windsiden roottori-generaattoriyhdistelmä (kts. liite 6) antaa huomattavasti suuremman lataustehon, mutta on toisaalta erittäin kallis.

Windsidessa ei ole lainkaan vaihteistoa, minkä vuoksi generaattorin fyysinen kokoja hinta ovat suuria riittävän tehon saamiseksi (kts. kappale 3.3). Windsiden tuulimyllyn etuna on alhainen käynnistyskynnys, eli se aloittaa latauksen jo varsin heikolla tuulella.

Sulakkeen ja alijännitereleen toiminta on esitelty tyhjentävästi jo aiemmin kappaleessa kappaleessa 4.1.2.

Tehon syöttöä lämmityskaapeliin valvoo differentiaalitermostaatti, joka ohjaa relettä. Rele katkaisee tehon syötön ulkolämpötilan ollessa alle -5°C tai yli +2°C.

Lämmityskaapeli on muovivaippaista koaksiaalikaapelia, jonka toinen pää kytketään akkuun ja toinen pää oikosuljetaan. Lämmityskaapeleita saa useilla eri vastusarvoilla ohmia metriä kohti. Kuten tunnettua teho on jännitteen neliö jaettuna vastuksella [P=U2/R], mistä haluttu lämmityskaapelin ominaisvastus valitaan yksinkertaisesti johdetulla kaavalla r=U2/(p*L2)=57,6/L2, missä r on kaapelin ominaisvastus [Q/m], U on jännite [24 V], p on tehon tarve [10 W/m] ja L on rummun pituus metreinä.

4.3.3. Mekaaninen rakenne

Tierummunsulatin on rakenteeltaan varsin yksinkertainen. Se koostuu kolmesta osasta, jotka ovat generaattoripylväs, akkulaatikko komponentteineen ja

lämmityskaapeli yhdyskaapeleineen (kts. liite 5).

Generaattoripylväs koostuu asiakkaan haluamasta roottori-

varsiputkia. Roottori-generaattoriyhdistelmä on pyörivä, muovinen nelikuppinen roottori, jonka sisällä on kumirullista koostuva vaihteisto. Vaihteisto kiinnitetään generaattorin akseliin. Generaattori asennetaan 250 mm pitkään ø 120 mm alumiiniputkeen.

Toinen vaihtoehto on alihankkijamme toimittama huomattavasti järeämpi roottori-generaattoriyhdistelmä, jossa ei ole lainkaan vaihteistoa (kts. liite 6).

Varsiputket ovat pituudeltaan á 2 metriä, ja niitä asennetaan yhdestä kolmeen maastosta riippuen; syvässäkin notkelmassa tuulee kuuden metrin korkeudessa jo varsin kohtuullisesti. Kukin osa liittyy ylempään osaan hoikilla, jonka

ulkohalkaisija vastaa ylemmän osan putken sisähalkaisijaa. Liitoskohdissa on ruuvit, joiden kiristämisen jälkeen generaattoripylväs on valmis. Pylväs valetaan betoniin tai pystytetään muulla tarkoituksenmukaisella tavalla.

Akkulaatikko on metallinen lukittava laatikko, joka sisältää tarvittavan määrän akkuja ja toimintaa avustavat komponentit Akut sijoitetaan yksinkertaisesti laatikon pohjalle. Alijänniterele, sulake ja differentiaalitermostaatti ruuvataan laatikon seinään sisäpuolelle, johon ne on helppo kytkeä ja vaihtaa.

Tierummunsulatin asennetaan tierummun pohjalle ja lukitaan paikalleen nk.

klemmarikiinnityksellä; johdon molemmin puolin porataan reikä tulpille, joihin kierrettävien muvien avulla johdon päälle puristuu metallilevy. Lämmityskaapeli liitetään akkuihin häviöiden välttämiseksi mahdollisimman pieniohmisella kaapelilla.

Akkulaatikko pitää sijoittaa mahdollisimman lähelle sulatettavaa tierumpua. Jo muutaman metrin yhdyskaapeli tuottaa melkoisesti häviötehoa [Ph=R*I^], sillä käytössä oleva virta on kohtuullisen suuri. Esimerkkinä olleessa 10 metrin tierummun lämmityskaapelissa kulkee yli neljän ampeerin virta.