في حالة عدم وجود مصدر طاقة خارجي، يمكن لتوربين الرياح توليد الكهرباء بالطرق التالية:
أ. مبدأ التشغيل بواسطة الرياح
تحويل طاقة الرياح إلى طاقة ميكانيكية
مصممة شفرات توربين الرياح بأشكال معينة. عندما تهب الرياح على الشفرات، وبسبب الشكل الخاص للشفرات ومبادئ الديناميكا الهوائية، يتم تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى الطاقة الميكانيكية الدوارة للشفرات.
على سبيل المثال، تكون شفرات توربين الرياح الكبير عادة بطول عشرات الأمتار وتشبه في شكلها جناح الطائرة. عندما تهب الرياح بسرعة معينة على الشفرات، تكون سرعات تدفق الهواء على السطحين العلوي والسفلي للشفرات مختلفة، مما يولد فرقاً في الضغط ويدفع الشفرات للدوران.
نقل الطاقة الميكانيكية بواسطة نظام النقل
يتم نقل دوران الشفرات إلى روتور المولد من خلال نظام النقل. عادة ما يتضمن نظام النقل مكونات مثل صندوق التروس ومحور النقل. وظيفته هي تحويل الدوران البطيء ذو العزم العالي للشفرات إلى الدوران السريع ذو العزم المنخفض المطلوب للمولد.
على سبيل المثال، في بعض توربينات الرياح، يمكن لصندوق التروس زيادة سرعة دوران الشفرات بمقدار عشرات أو حتى مئات المرات لتلبية متطلبات سرعة المولد.
ب. مبدأ عمل المولد
توليد الكهرباء بواسطة الاستقراء الكهرومغناطيسي
عادة ما يستخدم توربينات الرياح المولدات غير المتزامنة أو المتزامنة. في حالة عدم وجود مصدر طاقة خارجي، يدور روتور المولد تحت قيادة الشفرات، مما يقطع المجال المغناطيسي في ملفات الثابت ويولد بذلك القوة الكهروضوئية المستندة.
وفقاً لقانون الاستقراء الكهرومغناطيسي، عند حركة الموصل في مجال مغناطيسي، يُولد قوة كهروضوئية مستندة عند طرفي الموصل. في توربين الرياح، يعتبر روتور المولد موصلًا، والمجال المغناطيسي في ملفات الثابت يُنتج بواسطة المغناطيس الدائم أو ملفات التحريض.
على سبيل المثال، يكون روتور المولد غير المتزامن بنية سلة الفئران. عندما يدور الروتور في المجال المغناطيسي، يقوم الموصلات في الروتور بقطع المجال المغناطيسي وتوليد تيار مستند. هذا التيار المستند بدوره يولد مجالاً مغناطيسياً في الروتور، والذي يتفاعل مع المجال المغناطيسي في ملفات الثابت، مما يؤدي إلى استمرار دوران الروتور.
التحريض الذاتي وإنشاء الجهد
بالنسبة لبعض المولدات المتزامنة، يتطلب إنشاء الجهد عن طريق التحريض الذاتي لإنشاء المجال المغناطيسي الأولي. التحريض الذاتي وإنشاء الجهد يعني استخدام المغناطيسية المتبقية للمولد ورد فعل الأرماتور لإنشاء الجهد الخرج للمولد في حالة عدم وجود مصدر طاقة خارجي.
عندما يدور روتور المولد، بسبب وجود المغناطيسية المتبقية، يتم توليد قوة كهروضوئية ضعيفة في ملفات الثابت. هذه القوة الكهروضوئية تمر عبر مستقيم ومضبوط في دائرة التحريض لتحريض ملفات التحريض، مما يقوي المجال المغناطيسي في ملفات الثابت. مع زيادة المجال المغناطيسي، ستزداد القوة الكهروضوئية تدريجياً حتى تصل إلى الجهد الخرج المقنن للمولد.
ج. الإخراج والتحكم بالطاقة
إخراج الطاقة
تُنقل الكهرباء التي تم توليدها بواسطة المولد إلى شبكة الكهرباء أو الأحمال المحلية عبر الأسلاك. أثناء عملية النقل، يجب أن يتم رفع أو خفض الجهد بواسطة محول لتلبية متطلبات الجهد المختلفة.
على سبيل المثال، عادة ما يحتاج الكهرباء التي يتم توليدها بواسطة توربينات الرياح الكبيرة إلى رفع الجهد بواسطة محول رافع قبل أن يمكن ربطها بشبكة الكهرباء ذات الجهد العالي للنقل على مسافات طويلة.
التحكم والحماية
من أجل ضمان التشغيل الآمن والاستقرار لتوربين الرياح، يجب التحكم فيه والحفاظ عليه. يمكن لنظام التحكم تعديل زاوية الشفرات وسرعة دوران المولد وغيرها من المعلمات وفقاً لمعلمات مثل سرعة الرياح واتجاه الرياح وقوة خرج المولد لتحقيق أفضل كفاءة في توليد الطاقة وحماية المعدات.
على سبيل المثال، عندما تكون سرعة الرياح عالية جداً، يمكن لنظام التحكم تعديل زاوية الشفرات لتقليل مساحة الحمل على الشفرات لمنع تلف توربين الرياح بسبب زيادة الحمل. في الوقت نفسه، يمكن لنظام التحكم أيضاً مراقبة معلمات مثل الجهد والتيار والتواتر الخارج من المولد. عند حدوث ظروف غير طبيعية، يمكنه قطع التيار الكهربائي في الوقت المناسب لحماية سلامة المعدات والأشخاص.
