Χωρίς εξωτερική πηγή ενέργειας, ένας ανεμογεννήτριας μπορεί να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα με τους εξής τρόπους:
I. Αρχή λειτουργίας ανεμοδυναμικής
Μετατροπή της ανεμοδυναμικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια
Τα πτερύγια μιας ανεμογεννήτριας σχεδιάζονται με συγκεκριμένη μορφή. Όταν ο αέρας φέρεται πάνω από τα πτερύγια, λόγω της ειδικής μορφής των πτερύγιων και των αρχών της αεροδυναμικής, η κινητική ενέργεια του ανέμου μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια περιστροφής των πτερύγιων.
Για παράδειγμα, τα πτερύγια μιας μεγάλης ανεμογεννήτριας είναι συνήθως δεκάδες μέτρα μήκους και έχουν μορφή παρόμοια με το πτερύγιο ενός αεροπλάνου. Όταν ο αέρας φέρεται με συγκεκριμένη ταχύτητα πάνω από τα πτερύγια, οι ταχύτητες ροής του αέρα στις επάνω και κάτω επιφάνειες των πτερύγιων είναι διαφορετικές, παράγοντας ένα διαφορά πίεσης και παρακινώντας τα πτερύγια να περιστρέφονται.
Μεταφορά της μηχανικής ενέργειας μέσω του συστήματος μεταφοράς
Η περιστροφή των πτερύγιων μεταφέρεται στον ρότορα του γεννήτρια μέσω του συστήματος μεταφοράς. Το σύστημα μεταφοράς συνήθως περιλαμβάνει συστατικά όπως μετατροπέα και μεταφορικό πέδιλο. Η λειτουργία του είναι να μετατρέψει τη βαθμιαία, υψηλή τορμή περιστροφή των πτερύγιων σε υψηλή ταχύτητα, χαμηλή τορμή περιστροφή που απαιτείται από τον γεννήτρια.
Για παράδειγμα, σε κάποιες ανεμογεννήτριες, ο μετατροπέας μπορεί να αυξήσει την ταχύτητα περιστροφής των πτερύγιων κατά δεκάδες ή ακόμη και εκατοντάδες φορές για να επιτευχθούν οι απαιτήσεις ταχύτητας του γεννήτρια.
II. Λειτουργική αρχή του γεννήτρια
Παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής
Οι ανεμογεννήτριες συνήθως χρησιμοποιούν ασυγχρονικούς ή συγχρονικούς γεννήτριες. Χωρίς εξωτερική πηγή ενέργειας, ο ρότορας του γεννήτρια περιστρέφεται υπό την οδηγία των πτερύγιων, κόβοντας το μαγνητικό πεδίο στην στατική στροφή και παράγοντας ένα επαγωγικό ηλεκτροκινητικό δυναμικό.
Σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, όταν ένας ηλεκτρολογής κινείται σε ένα μαγνητικό πεδίο, παράγεται ένα επαγωγικό ηλεκτροκινητικό δυναμικό στα δύο άκρα του. Σε μια ανεμογεννήτρια, ο ρότορας του γεννήτρια είναι ισοδύναμος με έναν ηλεκτρολογή, και το μαγνητικό πεδίο στην στατική στροφή παράγεται από μόνιμα μαγνήτη ή ενεργοποιητικά στρώματα.
Για παράδειγμα, ο ρότορας ενός ασυγχρονικού γεννήτρια έχει μορφή πλατύς σκουρίδας. Όταν ο ρότορας περιστρέφεται στο μαγνητικό πεδίο, οι ηλεκτρολόγοι στον ρότορα κόβουν το μαγνητικό πεδίο και παράγουν ένα επαγωγικό ρεύμα. Αυτό το επαγωγικό ρεύμα, σε σειρά, παράγει ένα μαγνητικό πεδίο στον ρότορα, το οποίο αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο στην στατική στροφή, προκαλώντας τον ρότορα να συνεχίσει να περιστρέφεται.
Αυτοενέργεια και δημιουργία τάσης
Για κάποιους συγχρονικούς γεννήτριες, απαιτείται η δημιουργία τάσης μέσω αυτοενέργειας για να εγκαθιδρυθεί το αρχικό μαγνητικό πεδίο. Η αυτοενέργεια και η δημιουργία τάσης αναφέρεται στη χρήση της υπολειμματικής μαγνητισμού του γεννήτρια και της αντίδρασης του αρματούρα για να εγκαθιδρυθεί η εξόδια τάση του γεννήτρια χωρίς εξωτερική πηγή ενέργειας.
Όταν ο ρότορας του γεννήτρια περιστρέφεται, λόγω της ύπαρξης υπολειμματικής μαγνητισμού, παράγεται ένα αδύναμο επαγωγικό ηλεκτροκινητικό δυναμικό στη στατική στροφή. Αυτό το επαγωγικό ηλεκτροκινητικό δυναμικό περνάει μέσω του ορθογωνίου και του ρυθμιστή στο ενεργοποιητικό κύκλωμα για να ενεργοποιήσει το ενεργοποιητικό στρώμα, ενισχύοντας έτσι το μαγνητικό πεδίο στη στατική στροφή. Καθώς το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται, το επαγωγικό ηλεκτροκινητικό δυναμικό θα αυξάνεται σταδιακά μέχρι να φτάσει στην κανονική εξόδια τάση του γεννήτρια.
III. Εξόδια δύναμης και έλεγχος
Εξόδια δύναμης
Το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται από τον γεννήτρια μεταφέρεται στο δίκτυο ηλεκτροδότησης ή τις τοπικές φορτία μέσω καλωδίων. Κατά τη διάρκεια της μεταφοράς, απαιτείται να επιβαρυνθεί ή να ελαφρυνθεί μέσω ενός μετατροπέα για να εκπληρωθούν διάφορες απαιτήσεις τάσης.
Για παράδειγμα, το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται από μεγάλες ανεμογεννήτριες συνήθως χρειάζεται να επιβαρυνθεί μέσω ενός επιβαρυντή πριν μπορέσει να συνδεθεί στο υψηλής τάσης δίκτυο ηλεκτροδότησης για μακρινή μεταφορά.
Έλεγχος και προστασία
Για να εξασφαλιστεί η ασφαλής και σταθερή λειτουργία της ανεμογεννήτριας, απαιτείται να ελεγχθεί και να προστατευθεί. Το σύστημα ελέγχου μπορεί να προσαρμόσει τη γωνία των πτερύγιων, την ταχύτητα περιστροφής του γεννήτρια κλπ., σύμφωνα με παραμέτρους όπως η ταχύτητα και η κατεύθυνση του ανέμου, καθώς και η εξόδια δύναμη του γεννήτρια, για να επιτευχθεί η καλύτερη αποδοτικότητα παραγωγής δυνάμεως και να προστατευθεί το εξοπλισμό.
Για παράδειγμα, όταν η ταχύτητα του ανέμου είναι πολύ υψηλή, το σύστημα ελέγχου μπορεί να προσαρμόσει τη γωνία των πτερύγιων για να μειώσει την επιφάνεια αντίστασης των πτερύγιων, προκειμένου να προληφθεί η κατάρρευση της ανεμογεννήτριας λόγω υπερφόρτωσης. Παράλληλα, το σύστημα ελέγχου μπορεί επίσης να παρακολουθεί παραμέτρους όπως η εξόδια τάση, το ρεύμα και η συχνότητα του γεννήτρια. Όταν παρουσιάζονται ανωμαλίες, μπορεί να διακόψει την ενέργεια σε χρόνο για να προστατευθεί η ασφάλεια του εξοπλισμού και του προσωπικού.
