The development of a wind energy using product family

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkötekniikan osasto

Jari Wickström

TUULŒNERGIAA HYÖDYNTÄVÄN TUOTEPERHEEN KEHITTÄMINEN

Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 25.10.1993.

Työn valvoja

Alkusanat

Tämä diplomityö on dokumentti työsuhteessa tekemästäni tuotekehitysprojektista Suomen Asovalo Oy:lle, jonka toimiala on tuulienergiasovellukset.

Työn valvojana ja ohjaajana on toiminut professori Tapani Jokinen, jolle esitän parhaimmat kiitokseni avoimesta ja rakentavasta suhtautumisesta minuun ja työhöni. Kiitän myös perhettäni ja muita läheisiäni korvaamattomasta avusta ja tuesta ketään erityisesti - varsinkaan avovaimoani Heidiä - nimeltä mainitsematta.

Kirkkonummi lokakuun 25. päivänä 1993

^(XaÍ Jari Wickström Lindalintie 9 as 5 02400 Kirkkonummi

TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ

Tekijä: Jari Wickström

Työn nimi: Tuulienergiaa hyödyntävän tuoteperheen kehittäminen

Päivämäärä: 25.10.1993 Sivumäärä: 43

Osasto: Sähkötekniikan osasto

Professuuri: Svt-17 Sähkötekniikka (Sähkömekaniikka) Työn valvoja: Professori Tapani Jokinen

Tämän työn tarkoituksena oli kehittää markkinoilla valmiina olevista

komponenteista edullinen muutaman kymmenen watin tehoinen tuulienergiaa taltioiva laitteisto. Tämän laitteiston ympärille kehitettiin edelleen neljä erilaista sovellusta markkinoilla ilmenneen kiinnostuksen mukaisesti.

Tuulienergiaa taltioiva laitteisto käsittää yksinkertaisimmillaan tuulessa pyörivän esineen, generaattorin ja akun. Tuotteen laatua ja käyttöikää lisäävät laitteiston suojelemiseksi asennettava sulake sekä alijänniterele, joka katkaisee akun purkamisen 80 %:n purkausta vastaavalla jännitteellä. Tämä pidentää akun käyttöikää noin kymmenkertaisesti.

Edellä mainitut komponentit muodostavat tuoteperheen ytimen, joka on

identtinen kaikissa neljässä sovelluksessa. Se muodostaa myös infrastruktuurin mitä erilaisimmille asiakaskohtaisille sovelluksille.

Tuotteet onnistuttiin, tarvittavaa vaihteistoa lukuun- ottamatta, kehittämään markkinoilla jo valmiina olevista komponenteista. Näin niistä muodostui

hinnaltaan kohtuullisen edullisia, sillä komponenteista käytiin hintakilpailua sekä vältyttiin uuden tuotteen perustamiskustannuksista. Myös lopputuotteen laatu saadaan helposti varsin hyvälle tasolle, kun vanhoja hyviksi havaittuja

komponentteja liitetään yhteen.

Avainsanat:_________ Tuulienergia, tuotekehitys _____________________

HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS

Author: Jari Wickström

Name of the thesis: The development of a wind energy using product family

Date: 25.10.1993 Number of pages: 43

Faculty: Electrical Engineering

Professorship: Svt-17 Electrical Engineering (Electromechanics) Supervisor: Professor Tapani Jokinen

The purpose of this work was to develop a wind energy equipment of few ten watts consisting components which already exist in the market. Around and from this equipment were four different adaptations developed according to the interest shown in the market.

At the simplest the equipment collecting wind energy is an object rotating in the wind, a generator and a battery. To increase quality of the product and also to longer its life and to protect the equipment were a fuse and low voltage relay installed. The low voltage relay cuts the discharge as the voltage meets the level of discharge of 80 %. This extends the life of a battery by tenfold.

These components mentioned above form together the base of a product family.

The base is identical in all four adaptations. It also forms the infrastructure to various adaptations made for different solutions.

To develop the products of components already existing in the market was almost succeeded, only the gear needed for the generator had to be designed. This way the products came to be reasonable what comes to the price. There were

competition of the prices of the components and the development costs of a new product were avoided. Also it is easier to reach good quality of the final product as the components put together are already tested and known to be good.

Sisällysluettelo

Alkusanat...¿

Tiivistelmä...3

Abstract... 4

Sisällysluettelo... 5

1. Johdanto... 7

2. Lähtökohta... 8

2.1. Tuoteidea... 8

2.2. Alkutavoite... 9

2.3. Uusi tavoite...9

2.4. Laatutavoite...Ю 2.5. Aikataulut...Ю 3. Perustavaa laatua olevat ongelmat ja niiden ratkaisut... 11

3.1. Käyttöjännite... 11

3.2. Generaattori...U 3.3. Vaihteisto... 12

3.4. Akku...13

3.5. Latauksen säätö... 14

4. Tekniset kokonaisratkaisut... 16

4.1. Pihavalo...16

4.1.1. Toimintaperiaate... 16

4.1.2. Sähkötekniset komponentit...16

4.1.3. Mekaaninen rakenne... 18

4.2. Katuvalo... 19

4.2.1. Toimintaperiaate... 19

4.2.2. Sähkötekniset komponentit...19

4.2.3. Mekaaninen rakenne...21

4.3. Tierummunsulatin... 22

4.3.1. Toimintaperiaate...23

4.3.2. Sähkötekniset komponentit... 23

4.3.3. Mekaaninen rakenne...24

4.4. Mökkijäijestelmä... 25

4.4.1. Toimintaperiaate...27

4.4.2. Sähkötekniset komponentit... 27

5. Tarkastelu ja jatkokehitysehdotukset... 29

5.1. Tavoitteet vs. toteutunut... 29

5.2. Jatkokehitysehdotukset... 30

6. Yhteenveto... 31

Liite 1: Tuulivalaisin... 33

Liite 2: Roottori & vaihteisto... 34

Liite 3: Katuvalo...35

Liite 4: Katuvalon asennus... 36

Liite 5: Tierummunsulatin...37

Liite 6: Windside-tuulimylly... 38

Liite 7: Asennusohjeet...39

1. ^Johdanto

Tämä diplomityö sai alkunsa tavallisen suomalaisen päähänpistosta. Eräs maallikko keksi integroida pienen tuulimyllyn, akun ja loistelampun yhdeksi tuotteeksi. Useat ovat tämän kuultuaan ihmetelleet, jotta eihän tuo mikään ihmeellinen keksintö ole. Näinhän se on, mutta yksinkertainen keksintö on usein hyvä ja yksinkertaisetkin asiat pitää kuitenkin keksiä. Diplomityön tekijänä tulin mukaan projektiin, kun keksijän ammattitaito ei maallikkona riittänyt kehittämään ideaa alkua pidemmälle.

Työn alkuvaiheissa havaitsin kiinnostusta myös muihin erilaisiin sovelluksiin kuin pelkkään valaisimeen. Työn tavoite muuttuikin muutaman tuotteen tuoteperheen kehittämiseksi sekä infrastruktuurin aikaansaamiseksi tilauskohtaisille sovelluksille.

Tässä diplomityössä ei valitettavasti viedä tuotekehitysprojektia aivan hamaan loppuun asti. Taloudellisesti vaikeat ajat heijastuivat yrityksemme toimintaan siinä määrin, että yrityksen likviditeetti loppui juuri prototyyppien

valmistumisvaiheessa. Kaikki olennainen matkalla ideasta teolliseksi tuotteeksi tulee kuitenkin käsitellyksi.

Tuotteet jäivät ainoastaan testaamatta ja luovuttamatta asiakkaille, minkä vuoksi jäin suureksi mielipahakseni mitä suurimmassa määrin vaille negatiivista

palautetta.

Tämän työn kirjoittaminen aloitettiin muutama kuukausi projektin päättymisen jälkeen. Kirjoitustyö oli minulle hyvä osoitus ihmisen muistin rajallisuudesta,

sillä useita yksityiskohtia oli ehtinyt unohtua. Toisaalta etäisyyden saaminen tiiviiseen yhtäjaksoiseen pohtimiseen toi diplomityön kirjoittamiseen aimo annoksen objektiivisuutta; pystyin katsomaan tekemääni työtä jossain määrin ulkopuolisen silmin.

Asioiden miettiminen uudestaan toi esiin myös uusia hyviä ideoita. Näine muutoksineen diplomityö on joiltakin yksityiskohdiltaan erilainen alkuperäiseen projektiin verrattuna. Itse asiassa tämän diplomityön mukaiset tuotteet ovat parempia kuin alkuperäiset.

2. Lähtökohta

Tuuli on saasteeton ja loppumaton energian lähde. Tuulienergian saatavuus ei riipu vuorokauden- tai vuodenajasta, kuten on esimerkiksi aurinkoenergian laita.

Ilmatieteen laitoksen mukaan Suomessa tuulee joka hetki keskimäärin 3,1 m/s.

Keskimääräinen tuulen voimakkuus vaihtelee alueittain; Lapissa ja rannikolla tuulee erittäin paljon ja sisämaassa ainoastaan verraten paljon. Täysin tuulettomat ajanjaksot kestävät yleensä vain muutamia tunteja.

Tuulienergiaa on tutkittu maassamme ja varsinkin sen ulkopuolella jo pidemmän aikaa. Tutkimus on keskittynyt kokonaan tuulienergian hyväksikäyttöön osana energiapoliittista kokonaisratkaisua.

Näissä projekteissa tuuligeneraattorien tehot ovat olleet dekadikaupalla suurempia kuin tämän kehitystyön kohteena olleessa tuulivalaisimessa. Asiaa selvitettäessä ilmenikin varsin nopeasti, että muutaman kymmenen watin tehoisista

tuuligeneraattoreista ei kukaan ollut vaivautunut edes kiinnostumaan. Tässä suhteessa jouduttiin tekemään eräänlaista pioneerityötä.

2.1. Tuoteidea

Kehitystyö perustui ideaan, jossa pieni tuuligeneraattori lataa akkuja, jotka syöttävät pienoisloistelamppua. Tätä yhdistelmää kutsutaan tuulivalaisimeksi.

Komponentit integroidaan tyylikkääksi kokonaisuudeksi, jonka ulkonäkö ja käyttö eivät olennaisesti eroa konventionaalisesta ulkovalaisimesta (kts. liite 1).

Tuote on erittäin kilpailukykyinen tilanteissa, joissa valaisimen asennuspaikan välittömässä läheisyydessä ei ole tarjolla verkkosähköä. Tuulivalaisimen

käyttöönotto ei edellytä kaapeleiden veto- ja kaivuutöitä, kaapeleiden hankintaa eikä mahdollisia liittymismaksuja sähköverkkoon.

Idea oli projektin alkaessa juuri patentoitu. Patentin sisältö on suunnilleen sama kuin tämän luvun ensimmäinen kappale. Tuotetta lähdettiin kehittämään niin sähköteknisesti kuin mekaanisestikin toimivaksi ja luotettavaksi kokonaisuudeksi.

2.2. Alkutavoite

Projektin tavoitteena oli tuulivalaisimen kehittäminen ideasta tuotantokelpoiseksi tuotteeksi ja etsiä markkinoilta sopivat komponentit.

Tarkoituksena oli hankkia kaikki komponentit alihankintoina. Liikeidea rajoittui ainoastaan tuotteiden suunnitteluun, kokoonpanoon ja myyntiin.

Kustannustavoitteeksi asetettiin noin tuhat markkaa komponettien yhteishintana valaisinta kohden.

2.3. Uusi tavoite

Työn alkuvaiheessa käymissäni keskusteluissa kohtasin erittäin suurta kiinnostusta projektiin, jonka nimittäjänä oli tuulienergia. Tällöin ilmeni

voimakasta kysyntää myös monille muille erilaisille tuulienergiaa hyödyntäville sovelluksille. Muutamia sovelluksia jopa tilattiin etukäteen edellyttäen, että ne saadaan kehitettyä kohtuuhintaisiksi toimiviksi tuotteiksi.

Näin ollen projektin uudeksi tavoitteeksi asetettiin tuulienergiaa hyödyntävän muutaman tuotteen tuoteperheen kehittäminen alkutavoitteen ohessa ja sen toteutumisen jälkeen. Toissijaiseksi tavoitteeksi tuli kehittää infrastruktuuri asiakkaan tarpeen mukaisten sovellusten helpolle toteutukselle, jossa kulutuskoje voi olla lähes mikä tahansa tasajänniteellä toimiva sähkölaite.

Pihavalon lisäksi muut kehitettävät tuotteet olivat tässä vaiheessa tuulivalaisimen isoveli katuvalakin, tierummunsulatin sekä tuulimylly mökkisähköpaketteineen.

Koska nämä tuotteet eivät olisi pihavalaisimen tapaisia volyymituotteita, täsmällistä kustannustavoitetta ei asetettu. Tarkoituksena oli vain etsiä

kilpailukykyinen toimiva ratkaisu. Sen jälkeen olisi tarkoituksena selvittää aiemmin ilmennyt kysyntä toteutuneilla hinnoilla.

2.4. Laatutavoite

Koska tuotteen ostajat olisivat pääasiallisesti yksityisiä kuluttajia, määriteltiin tavoitteeksi etsiä halvin mahdollinen toimiva ratkaisu. Korkeiden

laatutavoitteiden katsottiin vievän tuotteen hinnan niin korkeaksi, ettei sen kaupallinen hyödyntäminen olisi mahdollista.

Toisaalta tuote tulisi olemaan rakenteeltaan kohtuullisen yksinkertainen ja koostumaan jo sinänsä olemassa olevista komponenteista. Näin ollen tyydyttävä laatutaso voitaisiin saavuttaa varsin helposti. Laatutavoitteeksi määriteltiin yhden vuoden takuun myöntäminen siten, ettei merkittävää taloudellista takausvastuuta tulisi syntymään.

2.5. Aikataulut

Projektin alkuperäisenä aikatavoitteena oli kehittää tuulivalaisin

tuotantokelpoiseksi kolmessa kuukaudessa yhden henkilön työpanoksella.

Uusien tavoitteiden mukaisen tuoteperheen, kolmen muun tuotteen prototyyppien sekä niiden tuotantokustannusarvioiden tuli olla valmiina kuuden kuukauden kuluttua projektin aloittamisesta.

3. Perustavaa laatua olevat ongelmat ja niiden ratkaisut

Tuokehitys on jatkuvaa ongelmanratkaisua. Perustavaa laatua olevien ongelmien erottaminen muista ongelmista on hankalaa; perustavalla ongelmalla ei tarkoiteta tässä niinkään vaikeimpia ongelmia, joiden ratkaisuun meni eniten aikaa tai vaivaa. Perustavat ongelmat olivat kantoja tämän projektin olennaisten tunnusmerkkien kaskessa.

3.1. Käyttöjännite

Laitteet saavat käyttöjännitteensä akuista, käytämme siis tasajännitettä.

Markkinoilla olevien komponenttien tarjonta rajaa käytännössä jännitteen vaihtoehdoiksi 12 tai 24 volttia.

Käytettäessä 12 voltin jännitettä saavutetaan etuina laajempi ja edullisempi komponenttivalikoima. Tällöin päijätään myös vähemmillä akkukennoilla.

24 voltin jännitteellä jäävät virrat puolta pienemmiksi. Tästä on seurauksena puolta pienemmät häviöt. Myös komponenttien virrankestoisuudelle asetettavat vaatimukset pienevät. Nämä ovat merkittäviä etuja pidemmillä siirtomatkoilla sekä suuremmilla tehoilla.

Käyttöjännitteen valinta ratkesi käytännössä suurimman virran perusteella. Mikäli häviöt kävivät liian suuriksi tai komponenttien virrankestoisuus loppui kesken, valittiin 24 voltin jännite. Muutoin tyydyttiin 12 voltin käyttöjännitteeseen.

3.2. Generaattori

Sopivan generaattorin löytyminen oli kaataa koko projektin. Muutaman kymmenen watin teholuokassa ei yksinkertaisesti ollut maassa taijontaa sen enempää tasavirta- kuin vaihtovirtageneraattoreistakaan, jotka olisivat

halkaisijaltaan noin 100 mm. Tarkoituksenahan oli integroida generaattori pihavalon putkirakenteeseen.

Tarjonnan puutteesta johtuen sinänsä mielenkiintoinen kysymys tasavirta- ja vaihtovirtageneraattoreiden keskenäisestä paremmuudesta sovellukseemme jäi ensinnäkin varsin akateemiselle tasolle ja toiseksi kokonaan selvittämättä.

Pelastukseksi ongelmaamme löytyi sattumalta tamperelainen sähkölaitteiden maahantuoja, joka muisti kuulleensa erään tsekkiläisen tehtaan valmistavan tarvitsemamme kokoisia noin 30 - 40 watin tehoisia tasajännitegeneraattoreita.

3.3. Vaihteisto

Pyörivien koneiden perusyhtälö on F = Í2 * T, eli teho on pyörimisnopeuden ja vääntömomentin tulo. Vääntömomentti on tunnetusti verrannollinen koneen fyysiseen kokoon, joka meidän tapauksessamme on putken sisähalkaisijan rajoittama. Tuulienergiasta saatavan tehon kannalta on pyörimisnopeus siten ratkaiseva muuttuja.

Tuulessa pyörivä "lusikkaroottori" ei sellaisenaan pyöritä generaattoria tarpeeksi vinhasti tehon tarpeeseen nähden. Koska tällaiseen tarkoitukseen ei

pyörimisnopeuden muuntimia eli vaihteistoja ole yleisesti kaupan jouduimme suunnittelemaan sellaisen itse.

Vaihteistoja pidetään yleisesti tuuligeneraattorien akilleen kantapäänä. Niitä ei ole onnistuttu suunnittelemaan tarpeeksi kestäviksi muuhun laitteistoon nähden.

Suunnittelimme omaan käyttöömme rakenteeltaan niin yksinkertaisen vaihteiston, että uskomme vakaasti sen olevan luotettavuudeltaan esi-isiään paremman (kts.

liite 2). Vaihteiston rullat on mitoitettu siten, että roottorin pyörähtäessä yhden kierroksen generaattorin akseli pyörii noin kolme kierrosta.

3.4. Akku

Akku on laitteen toiminnan kannalta erittäin tärkeä komponentti. Sen tulee toimia erilaisissa olosuhteissa parhaimmillaan useita vuosia. Akun valinnan osalta taistelu käytiin nikkelikadmium- ja lyijyakun välillä. Edut ja haitat olivat lukumäärältään molemmilla niin yhteismitallisia, että valinta oli todella vaikea.

Valinnan vaikeus ei kuitenkaan rajoittunut pelkästään lukuisien faktojen vertailuun. Keskustelin nimittäin useiden akkumyyjien ja "puolueettomien"

asiantuntijoiden kanssa NiCd-akkujen ja lyijyakkujen ominaisuuksista. Minusta tuntui siltä, ettei kovinkaan monella heistä ole aiheesta oikeaa tietoa, tai sitten sitä ei haluttu antaa. Tämän johtopäätöksen perusteluna on hämmentävä tilanne, missä pienen Suomen pienten akkumarkkinoiden "asiantuntijat ovat keskenään useaa eri mieltä.

Olen kuitenkin vertaillut NiCd-ja lyijyakkuja useilta yksityikohdilta. Osa

vartailusta perustuu todelliseen faktaan; loput on "enemmistön mielipidettä ja/tai omia johtopäätöksiäni.

Ladattaessa NiCd-akkuja niitä tulee syöttää vakiovirralla, lyijyakkuja syötetään vakiojännitteellä. Tuulienergiasyötöllä on vakiojännitelataus yksinkertainen järjestää, vakiovirtalataus vaatii ohjauselektroniikkaa.

Latausvirta NiCd-akkuilla riippuu lämpötilasta. Alhaisilla lämpötiloilla niitä saa syöttää varsin pienillä virroilla, mm. Varta suosittaa 0°C lämpötilassa latausvirtaa 5 % maksimista, mikä tarkoittaa varsin pieniä lataustehoja ja pitkiä latausaikoja.

Tällainen lämpötilakompensaatio vaatii myös elektroniikkaa eli jonkinlaisen säätöpiirin. Lyijyakun latauksessa tulee huolehtia jännitteestä, jota tulisi myös hieman säätää lämpötilan mukana. Vaadittu säätö on kuitenkin sen verran pientä - vajaan yhden voltin luokkaa, että se ei ole välttämätöntä. Näin ollen lyijyakkua voidaan pakkasella ladata suuremmilla tehoilla.

Kaiken kaikkiaan lyijyakun latausjäijestelmä on hieman halvempi, sillä se ei vaadi elektronista säätöä.

NiCd-akku antaa paljon tehoa pienessä koossa; NiCd-akku on vastaavan tehoista lyijyakkua huomattavasti pienempi ja keveämpi. Sovelluksessamme, jossa akut sijoitetaan putken sisään, soveltuu NiCd-akku huomattavasti paremmin.

Akku on aina ongelmajätettä. Lyijyakku on kuitenkin NiCd-akkua

ympäristöystävällisempi, tai lähinnä vähemmän ongelmallisempaa jätettä. Tämä lienee merkittävä aspekti tuulienergiatuotteiden markkinoinnissa.

Akku saatetaan purkaa käytössä usein aivan tyhjiin, kun tuuli on liian vähäistä.

NiCd-akku kestää hyvin jatkuvaa tyhjenemistä, se on tarkoitettu nk. sykliseen käyttöön. Lyijyakku on tehty nk. puskurikäyttöön, sen elinikä lyhenee

syväpurkauksista. Mikäli lyijyakun käytössä on vaara toistuvista

syväpurkauksista, kannattaa systeemiin asentaa alijänniterele, joka katkaisee piirin sellaisen jännitteen alapuolelta, joka vastaa noin 80 %:n purkausta. Tällöin lyijyakun eliniän luvataan pysyvän valmistajan ilmoittamassa arvossa, joka on noin kymmenkertainen verrattuna toistuvien syväpurkauksien alaisena olevaan akkuun.

Lyijyakku myydään täytenä ja NiCd-akku tyhjänä, sillä NiCd-akku purkautuu itsestään melko nopeasti. Lyijyakun varaus säilyy vuoden päivät.

Loppujen lopuksi valinnan ratkaisi niinkin raadollinen seikka kuin, että lyijyakku on halvempi kuin vastaavan tehoinen NiCd-akku.

3.5. Latauksen säätö

Akun jatkuva lataaminen sen täyttymisen jälkeen johtaa akun ylikuumenemiseen ja vaurioitumiseen. Latausjännitettä tulisi siis pystyä akun täyttyessä säätämään tai kokonaan katkaisemaan.

Latausjännitteen säätö on sekä vaikeaa että aivan liian kallista. Tarkoituksena oli siis jäljestää latausjännitteen katkaisu akun täytyttyä. Helpoin ratkaisu olisi siis ylijänniterele, joka katkaisee piirin akun napojen jännitteen ylitettyä tietyn arvon.

Ongelmaksi tuli ylijännitereleiden hinta. Lopullisen tuotteen hinta oli

karkaamassa pikkuhiljaa tavoitteestaan kaikenlaisten välttämättömien oheislaitteiden mukana.

Tämä ongelma ratkesi kuitenkin yllättävään innovaatioon, joka on vaatimattomasti sanoen täydellinen. Sain ohimennen kuulla akkujen

maahantuojalta jänniterajan 14,0 volttia, jota alhaisemmilla jännitteillä akkua voi ladata jatkuvasti ilman vaaraa ylikuumenemisesta ja vaurioitumisesta. Koska tämä jännite on noin 0,5 volttia suositeltua latausjännitettä alhaisempi ja sen käyttäminen johtaa pidempään latausaikaan ja alhaisempaan varaustasoon, ei maahantuoja halunnut suositella sellaista jännitettä jatkuvaan lataukseen. Koska erot optimitilanteeseen latausajan ja varaustilan kannalta ovat tällä alhaisemmalla latausjännitteellä kuitenkin vain noin kymmenen prosentin luokkaa, katsoin sen olevan riittävä. Sovelluksillamme ei nimittäin varauksen riittävyys ole niinkään ongelma, sillä tuulta riittää ja käytetyt tehot ovat verraten alhaisia.

4. Tekniset kokonaisratkaisut

4.1. Pihavalo

Pihavalo oli koko tuoteperheen lähtökohta. Sen tuoteidea on patentoitu ja tuoteperheen muut tuotteet ovat tavallaan sen pohjalta tehtyjä sovelluksia.

Pihavalon tarkoituksena on olla myös ainoa volyymituote, jota tehdään markkinoille sarjatuotantona.

Tuote on erittäin kilpailukykyinen tilanteissa, joissa valaisimen asennuspaikan välittömässä läheisyydessä ei olisi taidolla verkkosähköä. Tuulivalaisimen käyttöönotto ei edellytä kaapeleiden veto- ja kaivuutöitä, kaapeleiden hankintaa eikä mahdollisia liittymismaksuja sähköverkkoon.

4.1.1. Toimintaperiaate

Tuulen mukana pyörivä roottori pyörittää vaihteiston välityksellä tasajännitegeneraattoria. Generaattorin tuottama sähköenergia ladataan

lyijyakkuun. Akkua puretaan sulakkeen vartioimana elektronisen liitäntälaitteen ohjaaman pienoisloistelampun polttamiseen hämärakytkimen määräämänä aikana, jolloin purkamisen voi katkaista kytkimestä. Akun purkupiirissä on alijänniterele, joka katkaisee syötön akun suojelemiseksi jännitteen laskiessa 80 %:n purkausta vastaavaan arvoon.

4.1.2. Sähkötekniset komponentit

Luvussa 3 käsiteltiin jo joitakin sähköteknisiä komponentteja, joilta osin tyydytään tässä yhteydessä suppeampaan käsittelyyn.

Sähköä tuottaa tasajännitegeneraattori, joka antaa tehoa pyörimisnopeudesta riippuen aina 30 wattiin saakka.

Akku on perusversiona alumiiniputkirungon sisään mahtuva pyöreistä

lyijykennoista koostuva 6,0 Ah akusto. Lyijykennot ovat suljettuja eli niistä ei

polyuretaanivaahtoon, joka sekä kiinnittää akun paikalleen että pitää hyvänä lämpöeristeenä akun lämpimänä ja käyttökelpoisena kovallakin pakkasella.

Kylmää akkua alettaessa purkaa se kehittää lämpöä, joka lämmittää akkua itseään sen ollessa hyvin eristetty. Ylikuumenemisongelma on selvitetty kappaleessa 3.5.

Mikäli asiakas kokee 6,0 Ah akun liian pieneksi, niin pihavalo toimitetaan ilman putkeen integroitua akkua. Tällöin putken juureen maahan sijoitetaan lukittava metallinen laatikko, johon asiakas hankkii haluamansa kokoisen akun. Laatikkoon tuodaan valmiiksi kaikki tarvittavat johdot

Akun purkupiiriin asennetaan lattasulake. Oikosulun sattuessa on nimittäin huomattavasti mukavampi uusia 50 penniä maksava sulake, kuin kaivaa esiin tuhoutuneita komponentteja. Tuotteellahan on vuoden takuu.

Lyijyakun elinikä lyhenee merkittävästi syväpurkauksista, mikä tarkoittaa akun totaalista tyhjentämistä. Alijänniterele tarkkailee akun jännitettä ja katkaisee akun purkamisen sellaisen jännitteen kohdalta, joka vastaa noin 80 %:n purkausta.

Tällöin lyijyakun eliniän luvataan pysyvän valmistajan ilmoittamiassa arvossa.

Katkaisujännite on noin 9,0 volttia. Alijännitereleessä on 0,5 voltin hystereesi välkytkennän estämiseksi, sillä kuorman poistuessa akun jännite kohoaa hieman.

Ilman hystereesiä alijännitereleen katkaistua kuorman se välittömästi kytkisi sen takaisin jännitteen noustessa, jonka jälkeen se taas katkaisisi kuorman, jonka jälkeen...

Hämäräkytkin on alihankkijan toimesta valmiiksi säädetty "normaaliin"

valaistustasoon. Käsikäyttöinen kytkin on tavallinen painokytkin.

Loistelamppu ei toimi 12 voltin tasajännitteellä, vaan se vaatii yli sadan voltin vaihtojännitteen kaasupurkauksen ylläpitämiseen. Loistelamppua syöttää elektroninen liitäntälaite, jonka tehtävänä on sytyttää lamppu ja stabiloida kaasupurkaus; se siis korvaa perinteisen kuristimen ja sytyttimen.

Elektroninen liitäntälaite on transistorimuuttaja, joka muuttaa sitä syöttävän tasajännitteen 110 voltin ja 30 kHz:n suurtaajuiseksi vaihtojännitteeksi. Jännitteen suuri taajuus tuottaa perinteiseen 50 Hz:iin verrattuna paremman

valotehokkuuden ja syttymisen myös alhaisemmilla lämpötiloilla. Elektroninen

syöttöjännitteen vaihteluille. Korkeahko latausjännite sekä alhaisen varaustilan aiheuttama alhainen jännite saavat vaihdella 12 ± 3 volttia ilman vaikutusta lampun valovirtaan.

Lamppuna on 11 W pienoisloistelamppu, jonka valovirta vastaa 60 W

hehkulamppua. Lampun virrankulutus on noin 1 A, jolloin 6,0 Ah akulla täysin tyynessä säässä täydestä varauksesta lampun käyttöaika on noin 5 tuntia.

Alijänniterelehän katkaisee jännitteen varaustason laskiessa noin 20 %:iin maksimista.

Asiakkaan kaivatessa pidempää käyttöaikaa tyynessä säässä voidaan täydestä varauksesta esimerkiksi 38 Ah:n akulla käyttää lamppua jopa noin 30 tuntia.

Ottaen vielä huomioon lampun palavan vain valoisana aikana, ei näin pitkiä tyyniä jaksoja ole koskaan näillä leveyspiireillä.

4.1.3. Mekaaninen rakenne

Tuulivalaisimen rakenteessa pyrittiin maksimaaliseen yksinkertaisuuteen ja asentamisen helppouteen. Asiakas ostaa tuulivalaisimen osina, joista hän kokoaa ja kytkee tuotteen itse. Asiakas löytää laatikosta neljä osaa, jotka hän latoo päällekkäin liittäen samanväriset johtimet yhteen. Kukin moduli liittyy ylempään moduliin hoikilla, jonka ulkohalkaisija vastaa ylemmän modulin putken

sisähalkaisijaa. Liitoskohdissa on ruuvit, joiden kiristämisen jälkeen tuulivalaisin on valmis.

Tuulivalaisimen huippuna on pyörivä, muovinen nelikuppinen roottori, jonka sisällä on kumirullista koostuva vaihteisto (kts. liite 2). Vaihteisto kiinnitetään generaattorin akseliin. Generaattori asennetaan 250 mm pitkään ø 120 mm alumiiniputkeen. Samaan putkeen on sijoitettu generaattorin seuraksi myös hämäräkytkin, jonka anturia varten on putken kylkeen meistetty reikä. Nämä muodostavat ylimmän modulin.

Seuraava alaspäin on valaisinmoduli. Se koostuu teräksisestä kansiosasta, jossa on liitosholkki. Keskiosa on opaalimuovia, joka hajottaa valonlähteen kirkkaan valon miellyttävän pehmeäksi. Valaisinyksikön sisällä on 11W

pienoisloistelamppu liitäntälaitteineen sekä ohut putki sähköjohdoille. Alaosana

Loppuosa näyttääkin ulospäin pelkältä valaisimen varrelta, joka koostuu kahdesta metrin mittaisesta ø 60 mm putkesta. Ylemmän putken yläosaan on asennetm kytkin. Polyuretaanivaahtoon upotettu akusto päätettiin sijoittaa alimpaan putkeen painopisteen saamiseksi mahdollisimman alas. Toinen huomioitu seikka akkujen sijoituksessa oli saada akut mahdollisimman keskelle putkea, jotta putki olisi tasapainoisena helpompi käsitellä. Tuulivalaisimen kokoaminen aloitetaan valamalla alimmainen putki esim. betoniin.

4.2. Katuvalo

Katuvalo on pihavalon isoveli; niiden toimintaperiaatteet ja tekniset toteutukset ovat kutakuinkin samat. Katuvalo on vain suurempi kooltaan ja valoteholtaan, ja se on muotoiltu nimensä mukaisesti katuvalaisimen näköiseksi, sillä se on suunniteltu yleisten teiden ja katujen valaistuksen tarpeisiin, (kts. liite 3) Tuulienergialla toimiva katuvalo on erittäin kilpailukykyinen tilanteissa, joissa valaisimen asennuspaikan välittömässä läheisyydessä ei olisi tarjolla

verkkosähköä. Sen käyttöönotto ei edellytä toisinaan pitkiäkin kaapeleiden veto­

ja kaivuutöitä. Syrjäseuduilla se on erittäin hyvä vaihtoehto lisäämään liikenneturvallisuutta risteyksissä, jotka ovat useiden kilometrien päässä sähköverkosta. Lapin tiepiiri onkin tilannut katuvalot koekäyttöön yhden risteyksen valaisemiseen.

4.2.1. Toimintaperiaate

Katuvalon toimintaperiaate on identtinen pihavalon kanssa ja on käsitelty kappaleessa 4.1.1.

4.2.2. Sähkötekniset komponentit

Luvussa 3 käsiteltiin jo joitakin sähköteknisiä komponentteja, joilta osin tyydytään tässä yhteydessä suppeampaan käsittelyyn.

Sähköenergiaa tuottava tasasähkögeneraattori on sama kuin pihavalossa, mutta se on säädetty synnyttämään 24 voltin tasajännite.

Käyttöjännite onkin olennaisin ero piha- ja katuvalon välillä. Koska katuvalossa on tehonkulutus pihavaloon verrattuna noin puolitoistakertainen, olisi samalla 12 voltin käyttöjännitteellä myös virta noin puolitoistakertainen; tunnetustihan teho on virran ja jännitteen tulo [P=I*U]. Noin puolitoistakertaisella virralla olisi vastaavasti tehohäviö noin 2,5-kertainen, sillä Ph=R*I^. Käyttöjännitteen

kaksinkertaistaminen 24 volttiin puolittaa virran, minkä seurauksena tehohäviö on neljänneksen alkuperäisestä; pihavaloon verrattuna tehohäviö on siis vain noin (2,5/4=) 0,6-kertainen. Siis suuremmalla jännitteellä voidaan saada pienempi tehohäviö vaikka tehon kulutus olisi suurempi.

Akustona on kaksi 12 voltin 26 Ah suljettua lyijyakkua sarjaan kytkettynä eli akuista saadaan 24 voltin jännite. Mentäessä leveyspiirin 65° pohjoista leveyttä pohjoispuolelle suositellaan tuote varustettavaksi kahdella 38 Ah suljetulla lyijyakulla pidemmän päivittäisen käyttöajan sekä kylmemmän käyttölämpötilan vuoksi.

Katuvalossa on pihavalon tavoin sulake, alijänniterele, hämäräkytkin,

käsikäyttöinen kytkin ja elektroninen liitäntälaite. Näiltä osin kappaleessa 4.1.2.

on tarkempi selvitys, jota en katso tarpeelliseksi kopioida tähän.

Lamppuna on 18 W pienoisloistelamppu, jonka valovirta vastaa 100 W hehkulamppua. Lampun virrankulutus on noin 0,75 A, jolloin 26,0 Ah akuilla täysin tyynessä säässä lampun käyttöaika on täydestä varauksesta noin 28 tuntia.

Alijänniterelehän katkaisee jännitteen varaustason laskiessa noin 20 %:iin

maksimista. Kun valoisana aikana akkua ei pureta hämäräkytkimen ansiosta, eivät katkokset valaisimen toiminnassa ole periaatteessa mahdollisia.

Leveyspiirin 65° pohjoista leveyttä pohjoispuolella suositeltavien 38 Ah akkujen käyttöaika tyynessä säässä täydestä varauksesta lampun käyttöaika on noin 40 tuntia. Kova pakkanen saattaa hieman pudottaa tätä arvoa.

4.2.3. Mekaaninen rakenne

Katuvalon rakenteessa pyrittiin pihavalon tavoin maksimaaliseen

yksinkertaisuuteen ja asentamisen helppouteen. Asiakas saa tuulivalaisen osina, joista hän kokoaa ja kytkee tuotteen itse. Asiakas löytää laatikosta sovelluksesta riippuen kolme tai neljä osaa, jotka hän latoo päällekkäin liittäen samanväriset johtimet yhteen. Kukin moduli liittyy ylempään moduliin hoikilla, jonka

ulkohalkaisija vastaa ylemmän modulin putken sisähalkaisijaa. Liitoskohdissa on ruuvit, joiden kiristämisen jälkeen katuvalo on valmis.

Katuvalon huippuna on pyörivä, muovinen nelikuppinen roottori, jonka sisällä on kumirullista koostuva vaihteisto. Vaihteisto kiinnitetään generaattorin akseliin.

Generaattori asennetaan 250 mm pitkään ø 120 mm alumiiniputkeen. Samaan putkeen on sijoitettu generaattorin seuraksi myös hämäräkytkin, jonka anturia varten on putken kylkeen meistetty reikä. Nämä muodostavat ylimmän modulin, joka on samanlainen kuin pihavalossa.

Seuraava alaspäin on valaisinmoduli. Se koostuu kahden metrin pituisesta ø 100 mm putkesta, jonka puolivälistä lähtee tavallisen katuvalon tapaan viistoon ylöspäin putki, jonka päässä on itse valaisin. Tässä yhteydessä yksi kuva (liite 3) kertoo huomattavasti enemmän kuin vähäinen kykyni kuvailla tuotetta.

Lamppu oli ajateltu suojattavaksi ritilällä sen hyvän hyötysuhteen vuoksi.

Keskusteltuani ohimennen Espoon kaupungin katupäällikön kanssa asiasta hän ilmoitti, ettei yksikään asiantunteva asiakas hyväksy moista ratkaisua.

Pikkupoikien ritsojen ammusten kestävä tukeva muovisuojus on ainoa järkevä valinta heikommasta valaistusteknisestä hyötysuhteestaan huolimatta.

Loppuosa onkin pelkkää valaisimen vartta, jonka pituus vaihtelee

asennustarkoituksen mukaan. Mikäli tehdään kokonaan uusi asennus, toimittaa varren virkaa kaksi kappaletta kahden metrin mittaista ø 100 mm putkea, joista ylemmän kylkeen on metallisella pannalla kiinnitetty lukittava metallinen laatikko akkuja varten.

Alimmainen putki on varustettu saranoidulla jalkaosalla, joten yksi huoltomies voi yksinään kaataa valaisimen huoltoa varten. Huolto on nopeaa eikä kalliita

Ilman alinta putkea toimitettu katuvalo voidaan helposti integroida vanhaan katuvalaisimeen tai puiseen pylvääseen (kts. liite 4).

4.3. 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.

4.4. Mökkijäijestelmä

Sähkövalo on ihmiskunnan historiassa varsin uusi keksintö. Suomen kansan suuri

vuosikymmenen. Ehkäpä juuri siksi kansan syvät rivit kaipaavat

kesäviikonloppuisin ja lomillansa geeniperimänsä tuoreessa muistissa oleviin hämäriin piilopirtteihin.

Edes tottuminen korkeaan elintasoon ja helppoon elämään ei ole saanut suomalaisia jukuripäitä luopumaan korpimetsiensä salamajoista. Modernin yhteiskunnan palvelut ovat kuitenkin hieman pehmentäneet kovakalloisia kansalaisiaan, sillä sähkövalo, televisio ja jääkaappi ovat alkaneet ilmestyä sähköverkkoon kuulumattomien kesämökkien omistajien toivomuslistalle.

Sähköverkkoon liittyminen on varsin kallista lystiä. Sähkölaitos perii

liittymismaksun, joka on toisinaan kymmeniä tuhansia markkoja. Liittymisen kiinteät kustannukset tulevat kuluttajan maksettavaksi; pääkeskus ja joskus jopa kilometrien mittainen yhdyskaapeli sähköverkkoon voivat maksaa pienen omaisuuden. Tämä kaikki saattaa toisinaan maksaa jopa yli satatuhatta markkaa.

Jos energian kulutus on pientä - asiakas kaipaa vain paria valopistettä ja katselee televisiota pari tuntia päivässä - nostavat liittymismaksun kiinteät kustannukset sähkön hinnan pilviin. Oletan ahkeran mökki-ihmisen viettävän piilopirtissään teekkarilakin käyttöaikana kaikki viikonloput sekä kuukauden pituisen kesälomansa, jolloin vuorokausia kertyy noin 60. Arvioin edellämainitun laitekannan kuluttavan tehoa yhteensä 60 wattía, sillä pienoisloistelampun tehonkulutus on 10 wattia ja television 40 wattia. Neljän tunnin käyttöaika vuorokaudessa lienee yöttömän yön maassa hyvä keskiarvo, jolloin

energiankulutus on vuodessa noin 15 kWh.

Edellämainitun sähköverkkoon liittymisen aiheuttaman sadantuhannen maikan investoinnin vuotuiset kustannukset annuiteettimenetelmällä laskettuna ovat

11750 mk 20 vuoden takaisinmaksuajalla ja 10 % korolla; annuiteettikerroin on i*(l+i)n/(l+i)n-l, missä i on korkokanta ja n on takaisinmaksuaika. Sähkön hinnaksi tulee tällöin uskomaton 780 mk/kWh pelkkinä kiinteinä kustannuksina.

Vielä kahdenkymmenentuhannen markan investointi tuottaa 15 kWh vuotuisella energiankulutuksella sähkön hinnan kiinteiksi kuluiksi huikeat 150 mk/kWh.

Pienitehoinen tuulimylly muutaman tuhannen markan kertainvestointina alkaa olla tällaisessa tilanteessa varsin kilpailukykyinen ellei peräti ainoa järkevä vaihtoehto.

4.4.1. Toimintaperiaate

Tuulen mukana pyörivä roottori pyörittää vaihteiston välityksellä tasajännitegeneraattoria. Generaattorin tuottama sähköenergia ladataan

suurikapasiteettiseen lyijyakkuun. Mökkiin tehdään sisäjohtoasennus, joka saa sähköenergiansa akusta sulakkeen kautta. Akun purkupiirissä on myös

alijänniterele, joka katkaisee purkamisen akun suojelemiseksi jännitteen laskiessa 80 %:n purkausta vastaavaan arvoon.

4.4.2. Sähkötekniset komponentit

Sähköenergian tuottaminen ja taltiointi sekä sen käyttämistä valvovat

komponentit - sulake ja alijänniterele - ovat täysin identtisiä tierummunsulattimen kanssa. Näiltä osin asiaa ei tässä yhteydessä enää käsitellä.

Suojajännitteisessä tasajännitekäytössä syntyy huomattavan paljon enemmän siirtohäviöitä kuin tutulla 220 voltin vaihtojännitteellä. Generaattorin ja akun sijoittaminen lähelle toisiaan on usein ylivoimainen ongelma; tuulimylly kannattaa sijoittaa edullisimpaan kohtaan tuulen kannalta esimerkiksi katon harjalle ja akku mieluiten sisätiloihin suojaan. Vaikka tuulienergia on edullista ja helposti saatavilla, ei sitä kuitenkaan ole syytä tuhlata johtojen lämmittämiseen.

Tämän vuoksi generaattorin ja akun välinen kaapeli kannattaa valita todella järeäksi; paketissa toimitetaan siirtojohdoksi ómm^ MMJ-kaapelia.

Asiakkaan ostaessa nk. standardiratkaisun hän saa kaksi seinäkytkintä, kaksi valaisinta valintansa mukaan, neljä jakorasiaa, kaksi pistorasiaa ja kaksi pistotulppaa. Asiakas saa toki halutessaan minkälaisia määriä tahansa edellämainittuja komponentteja.

4.4.3. Asennus

Suojajännitteisen asennustyön tekeminen ei ole luvanvaraista toimintaa. Kuka hyvänsä saa asentaa mökkiinsä 12 voltin jännitettä käyttävän sisäasennuksen.

Asiakkaille suositellaan kuitenkin asennuksen teettämistä alan ammattilaisella.

Vaikka jännite ei aiheuta varsinaista hengenvaaraa, on aina huomioitava paloturvallisuus, sillä akusta irtoaa tehoa melkoisen suureen oikosulkuvirtaan.

Ammattilaisen työn tuloksena saa myös siistin asennusjäljen. Toki täytyy kantaa huolta myös sähköalan koulututetun työvoiman työllisyydestä ja ansiotasosta.

Suomalainen mies pystyy mielestään kaikkeen ja vielä vähän muuhunkin. Uskon siis jääräpäisten korpisoturien jälkeläisten tekevän asennustyön itse noin

yhdeksässä tapauksessa kymmenestä. Tämän vuoksi katsoin välttämättömäksi - suurempien vahinkojen välttämiseksi - tehdä varsin perusteelliset ja yksinkertaiset asennusohjeet koko sisäasennuksen tekemiseen. Asennusohjeen terminologia ja lähestymistapa saattaa hämmentää paatunutta teknokraattia, mutta sen

tarkoituksena onkin olla niin yksinkertainen, että jopa ekonomikin ymmärtää sen sisällön ja osaa suorittaa asennustyön asianmukaisella tavalla.

Asennusohjeista lopun kertokoon itse asiakkaille toimitettava viisisivuinen Asennusohjeet (kts. liite 7).

5. Tarkastelu ja jatkokehitysehdotukset

5.1. Tavoitteet vs. toteutuma

Tuotekehitysprojekti voitaneen tulkita kohtuullisen menestykselliseksi.

Tavoitteiden mukaiset luoteet saatiin aikaiseksi; niiden ominaisuudet kehitettiin jopa paremmiksi kuin alunpitäen uskallettiin kiireisellä aikataululla tavoitella.

Toisaalta tärkeimmän tuotteen eli pihavalon hintatavoite ylitettiin noin 50 %:lla eli 500 markalla johtuen muutamista odottamattomista yllätyksistä. Esimerkiksi alijännitereleen (200 mk) tarvetta en osannut ennakoida. Toisaalta halvimmat tarjoajat useinkin kaikkosivat takuuvaatimusten jälkeen. Muiden tuotteiden kohdalla ei ollut varsinaista hintatavoitetta, vaan tarkoituksena oli tarkastella markkinoiden reagointia uusiin tuotteisiin toteutuneilla hinnoilla.

Pihavalon aikatavoite ylitettiin yhdellä kuukaudella. Toisaalta uskon, etten olisi millään suoriutunut tällaisesta urakasta neljässä kuukaudessa, ellei aikatavoitteena olisi ollut epärealistinen kolme kuukautta. Muiden tuotteiden osalta pysyttiin asetetussa puolen vuoden aikatavoitteessa, sillä perustavinta laatua olevat ongelmat tuli ratkaistua jo pihavalon yhteydessä.

Sähköteknisen koulutuksen saaneena tuotekehittelijänä olin siinä onnellisessa asemassa, että isäni on mekaanisten rakenneratkaisujen ammattilainen. Ilman tätä yhteistyömahdollisuutta olisin ollut suurissa vaikeuksissa.

Kaipaamaan jäin sitä vastoin yhteistyömahdollisuutta teollisen muotoilijan

kanssa. Todennäköisesti varsin vähäisillä panostuksilla muotoiluun olisi tuotteelle saatu melkoista lisäarvoa. Tästä yrityksen johto päätti kuitenkin luopua

kustannussyistä.

5.2. Jatkokehitysehdotukset

Tuuligeneraattorin sielu on roottori. Tässä ratkaisussa ei valitettavasti ollut aikaa syvällisiin tarkasteluihin tuulienergian taltiointifilosofiassa. Valittu roottori antoi toki tarvitsemamme varsin vaatimattoman tehon. Tällainen tuote kaipaisi

kuitenkin herkemmin pyörivää roottoria, sillä ongelmana ei suinkaan ole

huipputeho - voimakkaalla tuulella generaattoria pyörittää vaikka kenkälusikka - vaan saada lataustehoa jo heikollakin tuulella.

Jo aiemmin kaipaamani teollinen muotoilija tekisi tuulivalaisimesta kuin kokonaan uuden tuotteen. Ammattitaitoinen muotoilu nostaisi mitä

todennäköisimmin volyymituotteen myyntiarvoa enemmän kuin aiheuttaisi kustannuksia.

Tuulivalaisimeen on asennettu muutama kooltaan varsin pienikokoinen

sähkötekninen komponentti: hämäräkytkin, kytkin ja alijänniterele. Projektin jo loputtua saamani ahaa-elämyksen innoittamana pyysin taijouksia samalle piirilevylle integroiduista em. komponenteista. Suureksi yllätyksekseni

integroidun komponentin hinnaksi tuli alhaisempi kuin erillisten komponenttien yhteenlaskettu hinta. Lisäksi kokoonpano helpottuisi ja halpeneisi.

6. Yhteenveto

Tämä diplomityö sai alkunsa tavallisen suomalaisen päähänpistosta. Eräs maallikko keksi integroida pienen tuulimyllyn, akun ja loistelampun yhdeksi tuotteeksi. Tätä yhdistelmää kutsutaan tuulivalaisimeksi. Idea oli projektin alkaessa juuri patentoitu.

Diplomityön tarkoituksena oli kehittää markkinoilla valmiina olevista

komponenteista edullinen muutaman kymmenen watin tehoinen tuulienergiaa taltioiva laitteisto, joka käsittää tuulessa pyörivän esineen, generaattorin ja akun.

Tämän laitteiston ympärille kehitettiin edelleen neljä erilaista sovellusta

markkinoilla ilmenneen kiinnostuksen mukaisesti. Tuulivalaisimen lisäksi muut kehitettävät tuotteet olivat tässä vaiheessa tuulivalaisimen isoveli katuvalaisin, tierummunsulatin sekä tuulimylly mökkisähköpaketteineen.

Tuulessa pyörivän esineen, generaattorin ja akun yhdistelmä ei aivan vielä riitä tuoteperheen pohjaksi. Tuotteen laatua ja käyttöikää lisäävät olennaisesti laitteiston suojelemiseksi asennettava sulake sekä alijänniterele, joka katkaisee akun purkamisen 80 %:n purkausta vastaavalla jännitteellä. Alijännitereleen käyttö pidentää akun käyttöikää noin kymmenkertaisesti.

Edellä mainittu laitteisto muodostaa siis tuoteperheen ytimen, joka on identtinen kaikissa neljässä sovelluksessa. Se muodostaa myös infrastruktuurin mitä erilaisimmille asiakaskohtaisille sovelluksille, joissa kulutuskoje voi olla lähes mikä tahansa tasajänniteellä toimiva sähkölaite.

Tuotteet ovat erittäin kilpailukykyisiä tilanteissa, joissa asennuspaikan

välittömässä läheisyydessä ei ole taijolla verkkosähköä. Sovellusten käyttöönotto ei edellytä kaapeleiden veto- ja kaivuutöitä, kaapeleiden hankintaa eikä

mahdollisia liittymismaksuja sähköverkkoon. Säästö kiinteissä kustannuksissa verkkosähköön verratuna on usein varsin huomattava.

Projektin tavoitteena oli sovellusten kehittäminen ideoista tuotantokelpoisiksi tuotteiksi ja etsiä markkinoilta sopivat komponentit. Tarkoituksena oli siis hankkia kaikki komponentit alihankintoina; yrityksen liikeidea rajoittui

Tuotteet onnistuttiin kehittämään markkinoilla jo valmiina olevista

komponenteista tarvittavaa vaihteistoa lukuun ottamatta. Näin sovelluksista muodostui hinnaltaan kohtuullisen edullisia, sillä komponenteista käytiin hintakilpailua sekä vältyttiin uuden tuotteen perustamiskustannuksista. Myös lopputuotteen laatu saatiin helposti varsin hyvälle tasolle, kun paljon koeteltuja ja hyviksi havaittuja komponentteja liitettiin yhteen.

Liite 1. Tuulivalaisin

"vaihteisto"

generaattori hämäräkytkin

11 W PL-lamppu liitäntälaitteineen

katkaisija

Korkeus n. 2,5 m suurin leveys n. 0,35 m

painon. 10 kg

Lyijyakusto polyuretaanivaahdossa

Liite 2. Roottori & vaihteisto

Roottori

Vaihteisto

Roottorin pokkileikkaus

Generaattori

poikkileikkaus

Liite 3. Katuvalo

оЩо

I I

I I

I I

I I

I I

I I

I I

Korkeus n. 6 m paino n. 25 kg

Liite 4. Katuvalon asennus

Komponentit voi helposti

yhdistää myös jo käytössä

oleviin valaisinpylväisiin

Liite 5. Tiemmmunsulatin

•Tierumpu (sisähalk. 600 mm)

Lämmityskaapeli (d=10 mm)

Rumpujen paksuudet 0,3... 1,5 metriä, esimerkkirummun paksuus 0,6 m

Generaattoreita & akkuja asennetaan tarpeellinen määrä tarvittavan lämmitystehon mukaan.

Rumpujen pituudet 6... 15 metriä

Säädettävä differentiaalitermostaatti, joka johtaa halutulla lämpötila-alueella

Liite 6. Windside-tuulimylly

Suomen Asovalo Oy 05400 Jokela

(914) 473 028

ASENNUSOHJEET

Onnittelemme sinua ympäristöystävälisestä va­

linnasta asumuksesi sähköistyksessä.

Toimituksestamme “puuttuu” yksi hyvin tar­

peellinen osa. Akun valintaa emme osanneet tehdä puolestasi, sillä akun koko vaihtelee hyvin suuresti tarpeiden mukaan. Akun koon valin­

nassa auttaa meidän lisäksemme mielellään myös lähin akkumyyjä.

Akun valinnassa kannattaa ottaa huomioon tar­

vittava tehonkulutus. Vaikka saatkin sähkö­

energiasi ilmaiseksi tuulesta, on sen määrä kuitenkin rajallinen. Ei-toivottujen pimennys­

ten välttämiseksi kannattaa tarkkailla sähkö­

laitteiden virrankulutusta, josta seuraavassa muutamia esimerkkejä:

Laitç Virta

Mustavalko-TV 1 A

Väri-TV ЗА

Valaisin 11 W 1 A

Kylmäkaappi 12 litraa 2 A

Kun kerrot virran käyttötunneilla saat tuloksi kulutuksen. Esimerkiksi kylmäkaappi kuluttaa vuorokauden aikana jatkuvassa käytössä (2A*24h=) 48 Ah ja illan katselu väri-TV:lla (3A*5h=) 15 Ah.

Akkusi on suojattu alijännitereleellä, joten voit purkaa sen kapasiteetista noin 80%. Tämä sik­

si, että 100% purkaukset lyhentävät akun elin­

ikää varsin radikaalisti. Kulutusten laskennas­

sa tämä tulee ottaa huomioon, sillä 100 Ah

kuudeltaan 12 volttia. Sähköjäijestelmää kut­

sutaan tällöin suojajännitteiseksi. Suojajännit- teinen asennustyö ei ole luvanvaraista. Suoja- jännite on ihmisen terveydelle vaaraton.

Vaikka suojajännitteisen asennutyön tekemi­

nen on kaikille luvallista, ei siisti ja toimiva asennus välttämättä onnistu mattimeikäläisel- tä. Jos et ole vakuuttunut omistasi tai käytössäsi olevista kyvyistä, jätä työ suosiolla asennus- liikkeille.

Mikäli päätät suorittaa työn itse, tarvitset erin­

äisiä työkaluja ja tarvikkeita. Asennuspaketis- sa seuraa mukana

- 25 metriä 6 mm2 muovivaippajohtoa tuulimyllyltä akulle

- 40 metriä 2,5 mm2 muovivaippajohtoa sisäasennukseen

- 2 pintakytkintä valaisimille - 2 valaisinta

- 4 jakorasiaa kytkin/valaisin- & pistora- siahaaroituksiin

- 2 pistorasiaa - 2 pistotulppaa

- rasia-IP54, johon asennetaan - sulakekanta

- sulake - alijänniterele

Lisäksi tarvitset sivuleikkurit tai pihdit johdon katkaisuun, puukon tms. johdon kuorintaan, erikokoisia ruuvimeisseleitä sekä johdon kiin­

nikkeitä, joiden tyyppi riippuu seinä- & katto­

materiaaleista. Koville pinnoille kuten kivi ja

vasaralla. Kiinnikkeitä voit hankkia sähkötar- vikemyyjiltä tai rautakaupoista.

Kaikkein parhaimpaan lopputulokseen johto­

jen vetämisessä pääset käyttämällä erityisesti pinta-asennukseen suunniteltua minikanavaa, jonka sisällä johto on piilossa (kts. kuva 1).

Kuva 1 Г

4--- 18 mm--- ►

Minikanava asennetaan johdolla yhteen kyt­

kettävien sähkökoneiden - esimerkiksi jakora- sian ja pistorasian - välille, runko ruuvataan kiinni seinään, johto vedetään kanavaan ja lopuksi napsautetaan kansi päälle. Asennus on helppoa ja työn jälki siistiä. Minikanavaa saat tilata hintaan 11,50 mk/metri. Liitos-, haaroi­

tus- ym. lisäkappaleet maksavat 10 mk/kpl.

Vaikka sähköjärjestelmäsi on suojajännittei- nen eikä siten ihmisen terveydelle vaarallinen, on oikosulun syntymistä varottava. Oikosulku on tilanne, jossa plus-ja miinusjohdin kosket­

tavat toisiaan suoraan tai johtavan aineen väli­

tyksellä. Esimerkkinä kuvassa 2. teräväkärki­

nen metalliesine tunkeutuu johdon eristeker- roksen läpi johtimiin asti aiheuttaen oikosulun.

Kuva 2

AKKU

Akussasi on alhaisesta jännitteestä huolimatta melkoisesti “voimaa" aiheuttamaan varsin tu­

hoisaa jälkeä; esimerkiksi tulipalon vaara oiko- sulkutilanteessa on ilmeinen. Parhaimpana va­

rotoimenpiteenä on kytkeä asennuspaketissa mukana oleva sulake (kts. kuva 3), mistä anne­

taan myöhemmin tarkemmat ohjeet

Toisin kuin kotoisessa vaihtosähköjärjestelmäs- sä tulee tasajännitteellä huomioida kytkentöjen napaisuus. Pistorasioissa, pistotulpissa yms.

täytyy plus- ja miinusnavat olla kohdallaan sähkölaitteiden toiminnan ja turvallisuuden ta­

kaamiseksi. Oikean napaisuuden säilymisen helpottamiseksi ovat kaapelin sisällä olevien johtimien kuoret eri värisiä, toinen on musta ja toinen on sininen. Musta johdin on plus ja sininen on miinus.

Ennen kuin voit kytkeä johdot liittimrin tai ko­

jeisiin, kuori johtimet ensin esiin kuvan 4 osoit­

tamalla tavalla

Kuva 4

I

Pyöräytä puukolla kevyesti kuorimiskohdan ympäri, taivuttele eri suuntiin muovin murtu­

misen edistämiseksi ja vedä irroitetlava vaippa tai eriste pois. Työnnä paljaat johtimenpäät liit­

timeen ja rouvaa liitin kiinni. Liittimen sisään

Kuva 5

OIKEIN (sähkövirta kulkee)

VÄÄRIN (sähkövirta ei kulje)

Sulaketta varten vedetään akulta tuleva johto rasiaan IP54, joka kannattanee kiinnittää sei­

nään lähelle akkua. Mitään sähkölaitetta ei saa kytkeä akkuun ennen sulaketta eli kaikkien sähkölaitteiden tulee olla akusta katsoen sulak­

keen takana. Rasiaan IP54 sijoitetaan myös alijänniterele. Sulake ja rele kytketään rasiassa kuvan 6 mukaisesti.

Akun plusnavalta tuleva johdin (musta) sekä sisäasennukseen menevä plusjohdin (musta) työnnetään kuvan 7 osoittamalla tavalla sula- kekantaan. Sulakekanta taivutetaan kiinni var­

mistuen samalla, että sulakekannan metalliosat kohtaavat johtimen kuoritun osan. Sulakekan­

nan sulkemisessa voi joutua käyttämään puris­

tavaa työkalua esim. pihdit, jotta sulakekanta

Kiinni olevaan sulakekantaan voidaan asentaa sulakekuvan 8 osoittamalla tavalla.

Sulakkeen vimankestoisuuden valinnan mää­

rää tehon huippukulutus, joka on yleensä kaik­

kien sähkölaitteiden yhteenlaskettu teho. Huip­

puteho jaettuna jännitteellä antaa maksimi vir­

ran, jota suurempi tulee sulakkeen olla.

Esimerkisi huipputehon ollessa 180 W, saa­

daan maksimivirraksi (180W/12V=) ISA.

Tällöin valitaan sulakkeeksi 20A. Muistetta­

koon mitoituksessa kuitenkin jonkinlaiset tole­

ranssit. Esimerkisi huipputehon ollessa 230 W, saadaan maksimivirraksi (230W/12V=) 19,2A.

Tällöin kannatta valita sulakkeeksi 30A, sillä annetut tehoarvot eivät aina pidä täysin paik­

kaansa ja seurauksena voi olla ei-toivottu säh­

Voitte myös halutessanne suojata sulakkeella yksittäisiä sähkölaitteita tai verkon osia. Sulak­

keen voi nimittäin helposti asentaa kaikkiin jakorasioihin tai jopa johtimeen sähkölaitteen juureen.

Kaapelit - kulkevat ne sitten minikanavassa tai ei - kannattaa vetää pitkin katon rajaa. Pistora­

sialle tms. vedetään johto alas jakorasiasta.

Kytkentä jakorasiassa on kuvan 9 kaltainen.

Kuva 9

JAKORASIA

Sisäverkko

i mus.

sm.

Ф O

0

e

_\f ^/ e

e e

1 ^f

Sisäverkko

Kuvasta 10 nähdään niiltä se näyttää asennettu­

na huoneeseen Kuva 10

Aiemmin mainitun napaisuuden säilymisen vuoksi pistorasioissa ja -tulpissa navat ovat erikokoisia. Rasian suurempi reikä on plus ja pienempi on miinus. Kytkettessä tulppa sa­

moin, ei ole koskaan erehtymisen vaaraa. Musta

johdin siis aina suurempaan ja sininen aina pienempään.

Haaroitus kattovalaisimelle siten että kytkin on seinällä on hieman monimutkaisempi tapaus.

Kytkentä jakorasiassa on kuvan 11 kaltainen.

Valaisin

JAKORASIA

Sisäverkko Sisäverkko

mus. mus.

Lopputuloksen ulkonäön kannalta on joh­

tojen onnistunut pinta-asennus ensiarvoi­

sen tärkeää.

Asennus huonetilaan näkyy kuvasta 12.