Ohne eine externe Stromquelle kann eine Windkraftanlage auf folgende Weise Elektrizität erzeugen:
I. Prinzip des windgetriebenen Betriebs
Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie
Die Flügel einer Windkraftanlage sind in einer speziellen Form gestaltet. Wenn der Wind über die Flügel weht, wird aufgrund der speziellen Form der Flügel und den Prinzipien der Aerodynamik die kinetische Energie des Winds in die rotierende mechanische Energie der Flügel umgewandelt.
Zum Beispiel sind die Flügel einer großen Windkraftanlage in der Regel mehrere Dutzend Meter lang und haben eine Form, die dem Flügel eines Flugzeugs ähnelt. Wenn der Wind mit einer bestimmten Geschwindigkeit über die Flügel weht, unterscheiden sich die Luftgeschwindigkeiten an Ober- und Unterseite der Flügel, was zu einem Druckunterschied führt und die Flügel zum Rotieren bringt.
Übertragung der mechanischen Energie durch das Antriebssystem
Die Rotation der Flügel wird durch das Antriebssystem an den Rotor des Generators übertragen. Das Antriebssystem enthält in der Regel Komponenten wie ein Getriebe und eine Welle. Seine Funktion besteht darin, die langsame, hochdrehmomentige Rotation der Flügel in die schnelle, niedrigdrehmomentige Rotation zu verwandeln, die vom Generator benötigt wird.
Zum Beispiel kann in manchen Windkraftanlagen das Getriebe die Rotationsgeschwindigkeit der Flügel um einige Dutzend oder sogar Hunderte Male erhöhen, um die Geschwindigkeitsanforderungen des Generators zu erfüllen.
II. Arbeitsprinzip des Generators
Erzeugung von Elektrizität durch elektromagnetische Induktion
Windkraftanlagen verwenden in der Regel asynchrone oder synchrone Generatoren. Ohne externe Stromquelle dreht sich der Rotor des Generators unter der Antriebskraft der Flügel, schneidet das Magnetfeld in der Statorwicklung und erzeugt so eine induzierte Spannung.
Gemäß dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion wird, wenn ein Leiter sich in einem Magnetfeld bewegt, an den Enden des Leiters eine induzierte Spannung erzeugt. In einer Windkraftanlage ist der Rotor des Generators äquivalent zu einem Leiter, und das Magnetfeld in der Statorwicklung wird durch Permanentmagnete oder Erregerspulen erzeugt.
Zum Beispiel hat der Rotor eines asynchronen Generators eine Käfigstruktur. Wenn der Rotor im Magnetfeld rotiert, schneiden die Leiter im Rotor das Magnetfeld und erzeugen einen induzierten Strom. Dieser induzierte Strom erzeugt seinerseits ein Magnetfeld im Rotor, das mit dem Magnetfeld in der Statorwicklung wechselwirkt und den Rotor weiter rotieren lässt.
Selbstinduktion und Spannungsaufbau
Für manche synchrone Generatoren ist zur Erstellung des anfänglichen Magnetfelds ein Spannungsaufbau durch Selbstinduktion erforderlich. Selbstinduktion und Spannungsaufbau beziehen sich darauf, dass die Restmagnetisierung des Generators und die Armaturreaktion genutzt werden, um die Ausgangsspannung des Generators ohne externe Stromquelle aufzubauen.
Wenn der Rotor des Generators rotiert, entsteht aufgrund der vorhandenen Restmagnetisierung eine schwache induzierte Spannung in der Statorwicklung. Diese induzierte Spannung fließt durch den Gleichrichter und den Regler im Erregerkreis, um die Erregerspule zu erregen und das Magnetfeld in der Statorwicklung zu verstärken. Mit zunehmendem Magnetfeld steigt die induzierte Spannung allmählich bis sie die Nennausgangsspannung des Generators erreicht.
III. Leistungsausgabe und Steuerung
Leistungsausgabe
Die vom Generator erzeugte Elektrizität wird über Kabel an das Stromnetz oder lokale Lasten übertragen. Während des Übertragungsprozesses muss sie durch einen Transformator aufgestuft oder abgestuft werden, um verschiedenen Spannungsanforderungen gerecht zu werden.
Zum Beispiel muss die von großen Windkraftanlagen erzeugte Elektrizität in der Regel durch einen Spannungserhöhungs-Transformator aufgestuft werden, bevor sie an das Hochspannungsnetz für die Langstreckenübertragung angeschlossen werden kann.
Steuerung und Schutz
Um sicherzustellen, dass die Windkraftanlage sicher und stabil betrieben wird, muss sie gesteuert und geschützt werden. Das Steuerungssystem kann den Flügelwinkel, die Rotationsgeschwindigkeit des Generators usw. anhand von Parametern wie Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Generatorleistung anpassen, um die optimale Stromerzeugungseffizienz zu erreichen und die Ausrüstung zu schützen.
Zum Beispiel kann das Steuerungssystem bei zu hoher Windgeschwindigkeit den Flügelwinkel anpassen, um die Belastungsfläche der Flügel zu reduzieren und zu verhindern, dass die Windkraftanlage durch Überlast beschädigt wird. Gleichzeitig kann das Steuerungssystem auch Parameter wie die Ausgangsspannung, -stromstärke und -frequenz des Generators überwachen. Bei Auftreten von Störungen kann es den Stromversorgung zeitgerecht abschalten, um die Sicherheit der Ausrüstung und des Personals zu gewährleisten.
