В отсъствие на външно източник на електроенергия, вятърна турбина може да генерира електричество по следния начин:
I. Принцип на работа, подхранвана от вятъра
Преобразуване на вятърна енергия в механична енергия
Лопастите на вятърната турбина са проектирани в специфична форма. Когато вятърът дува през лопастите, благодарение на специалната форма на лопастите и принципите на аеродинамиката, кинетичната енергия на вятъра се преобразува в ротационна механична енергия на лопастите.
Например, лопастите на голяма вятърна турбина обикновено са няколко десетки метра дълги и имат форма, подобна на крилото на самолет. Когато вятърът дува с определена скорост през лопастите, скоростта на въздушния поток върху горната и долната повърхност на лопастите е различна, което поражда разлика в налягането и бута лопастите да се завъртят.
Предаване на механична енергия чрез предавателна система
Завъртането на лопастите се предава до ротора на генератора чрез предавателна система. Предавателната система обикновено включва компоненти като скоростни превключватели и предавателни валове. Нейната функция е да преобразува нискоскоростното, високомоментно завъртане на лопастите в високоскоростното, нискомоментно завъртане, необходимо за генератора.
Например, в някои вятърни турбини, скоростният превключвател може да увеличи скоростта на завъртане на лопастите с няколко десетки или дори стотици пъти, за да удовлетвори скоростните изисквания на генератора.
II. Работен принцип на генератора
Генериране на електричество чрез електромагнитна индукция
Вятърните турбини обикновено използват асинхронни или синхронни генератори. В отсъствие на външен източник на електроенергия, роторът на генератора се завърта под влияние на лопастите, разрязва магнитното поле в статорните обмотки и така генерира индуцирана електродвижна сила.
Според закона за електромагнитната индукция, когато проводник се движи в магнитно поле, индуцирана електродвижна сила се генерира на двете му края. В вятърната турбина, роторът на генератора е равнозначен на проводник, а магнитното поле в статорните обмотки се генерира от постоянни магнити или возбудителни обмотки.
Например, роторът на асинхронния генератор има конструкция на клетка. Когато роторът се завърта в магнитното поле, проводниците в ротора разрязват магнитното поле и генерира индуциран ток. Този индуциран ток от своя страна генерира магнитно поле в ротора, което взаимодейства с магнитното поле в статорните обмотки, което води до продължаване на завъртането на ротора.
Самовоезбудяване и установяване на напрежението
За някои синхронни генератори, за да се установи началното магнитно поле, е необходима самовоезбудяване и установяване на напрежението. Самовоезбудяване и установяване на напрежението означава използването на остатъчната намагничиващост на генератора и реакцията на арматура, за да се установи изходното напрежение на генератора в отсъствие на външен източник на електроенергия.
Когато роторът на генератора се завърта, благодарение на наличието на остатъчна намагничиващост, в статорните обмотки се генерира слаба индуцирана електродвижна сила. Тази индуцирана електродвижна сила минава през правоъгълника и регулатора в возбудителната верига, за да възбуди возбудителната обмотка, което засилва магнитното поле в статорните обмотки. С увеличаването на магнитното поле, индуцираната електродвижна сила ще се увеличава постепенно, докато достигне номиналното изходно напрежение на генератора.
III. Изходна мощност и управление
Изходна мощност
Електричеството, генерирано от генератора, се предава към електрическата мрежа или местни потребители чрез кабели. По време на предаването, то трябва да бъде повишено или понижено чрез трансформатор, за да отговаря на различните изисквания за напрежение.
Например, електричеството, генерирано от големи вятърни турбини, обикновено трябва да бъде повишено чрез повишаващ трансформатор, преди да може да бъде свързано към високонапрегнатата електрическа мрежа за дълготрайна предаване.
Управление и защита
За да се гарантира безопасна и стабилна работа на вятърната турбина, тя трябва да бъде контролирана и защитена. Системата за управление може да коригира ъгъла на лопастите, скоростта на завъртане на генератора и други параметри, според параметри като скоростта и посоката на вятъра, както и изходната мощност на генератора, за да се постигне най-добрата ефективност при генериране на енергия и защита на оборудването.
Например, когато скоростта на вятъра е прекалено висока, системата за управление може да коригира ъгъла на лопастите, за да намали площта, която приема сила, за да се предотврати повреда на вятърната турбина от прекомерно зареждане. Едновременно с това, системата за управление може да мониторира параметри като изходното напрежение, тока и честотата на генератора. При настъпване на аномалии, тя може навременно да прекъсне подаването на електроенергия, за да защити безопасността на оборудването и персонала.
