V nepřítomnosti externího zdroje energie může větrný turbín generovat elektrickou energii následujícím způsobem:
I. Princip větropoháněného provozu
Převod větrné energie na mechanickou energii
Lopatky větrné turbíny jsou navrženy ve specifickém tvaru. Když vítr přejede lopatkami, díky speciálnímu tvaru lopatek a principům aerodynamiky se kinetická energie větru převede na rotující mechanickou energii lopatek.
Například lopatky velké větrné turbíny jsou obvykle několik desítek metrů dlouhé a mají tvar podobný křídlu letadla. Když vítr přejede lopatkami určitou rychlostí, rychlost proudění vzduchu na horní a spodní straně lopatek je různá, což vytváří rozdíl tlaku a pohání lopatky k otáčení.
Přenos mechanické energie přenášecím systémem
Otáčení lopatek je přeneseno na rotor generátoru prostřednictvím přenášecího systému. Přenášecí systém obvykle zahrnuje komponenty jako převodovka a hřídel. Jeho funkce spočívá v převodu nízkorychlostního, vysokotridlového otáčení lopatek na vysokorychlostní, nízkotridlové otáčení požadované generátorem.
Například u některých větrných turbín může převodovka zvýšit otáčivou rychlost lopatek o několik desítek nebo dokonce stokrát, aby splnila požadavky na rychlost generátoru.
II. Pracovní princip generátoru
Generování elektřiny elektromagnetickou indukcí
Větrné turbíny obvykle používají asynchronní nebo synchronní generátory. V nepřítomnosti externího zdroje energie rotor generátoru otáčí pod vedením lopatek, řezává magnetické pole v statorovém cívi a tím vyvolává indukovanou elektromotorickou sílu.
Podle zákona elektromagnetické indukce, když vodič pohybuje v magnetickém poli, vznikne na obou koncích vodiče indukovaná elektromotorická síla. U větrné turbíny je rotor generátoru ekvivalentní vodiči a magnetické pole v statorovém cívi je generováno permanentními magnety nebo excitačními civy.
Například rotor asynchronního generátoru má strukturu klece. Když rotor otáčí v magnetickém poli, vodiče v rotoru řezají magnetické pole a generují indukovaný proud. Tento indukovaný proud opět generuje magnetické pole v rotoru, které interaguje s magnetickým polem v statorovém cívi, čímž rotor pokračuje v otáčení.
Samoodborní a vytváření napětí
Pro některé synchronní generátory je potřeba vytvořit napětí samoodborním způsobem, aby bylo zajištěno počáteční magnetické pole. Samoodborní a vytváření napětí znamená využití reziduálního magnetismu generátoru a reakce armatury k vytvoření výstupního napětí generátoru v nepřítomnosti externího zdroje energie.
Když rotor generátoru otáčí, díky existenci reziduálního magnetismu vznikne v statorovém cívi slabá indukovaná elektromotorická síla. Tato indukovaná elektromotorická síla prochází usměrňovačem a regulátorem v excitaci cive, což posiluje magnetické pole v statorovém cívi. S rostoucím magnetickým polem se indukovaná elektromotorická síla postupně zvyšuje, dokud nedosáhne nominálního výstupního napětí generátoru.
III. Výstup energie a kontrola
Výstup energie
Elektřina vygenerovaná generátorem je přenesena do elektrické sítě nebo místních zatěžovacích jednotek prostřednictvím kabelů. Během přenosu je třeba ji pomocí transformátoru zvýšit nebo snížit, aby splňovala různé požadavky na napětí.
Například elektřina vygenerovaná velkými větrnými turbínami obvykle musí být zvýšena pomocí transformátoru, než může být připojena k vysokonapěťové síti pro dlouhodobý přenos.
Řízení a ochrana
Aby byl zajištěn bezpečný a stabilní provoz větrné turbíny, je třeba ji řídit a chránit. Řídící systém může upravovat úhel lopatek, otáčivou rychlost generátoru atd. podle parametrů jako rychlost a směr větru, výkon generátoru, aby dosáhl nejlepší efektivity výroby energie a chránil zařízení.
Například, když je rychlost větru příliš vysoká, může řídící systém upravit úhel lopatek, aby snížil plochu, která nese sílu, a zabránil přetížení větrné turbíny. Zároveň může řídící systém sledovat parametry jako výstupní napětí, proud a frekvence generátoru. Při výskytu neočekávaných stavů může včas odpojit dodávku energie, aby chránil bezpečnost zařízení a osob.
