En ausencia de una fuente de energía externa, un aerogenerador puede generar electricidad de las siguientes maneras:
I. Principio de funcionamiento impulsado por el viento
Conversión de la energía eólica en energía mecánica
Las palas de un aerogenerador están diseñadas con una forma específica. Cuando el viento sopla sobre las palas, debido a la forma especial de las palas y a los principios de la aerodinámica, la energía cinética del viento se convierte en energía mecánica rotativa de las palas.
Por ejemplo, las palas de un gran aerogenerador suelen tener varias decenas de metros de longitud y tienen una forma similar a la de un ala de avión. Cuando el viento sopla a cierta velocidad sobre las palas, las velocidades del flujo de aire en las superficies superior e inferior de las palas son diferentes, generando así una diferencia de presión y empujando las palas a rotar.
Transmisión de la energía mecánica por el sistema de transmisión
La rotación de las palas se transmite al rotor del generador a través del sistema de transmisión. El sistema de transmisión suele incluir componentes como una caja de cambios y un eje de transmisión. Su función es convertir la rotación de baja velocidad y alta torsión de las palas en la rotación de alta velocidad y baja torsión requerida por el generador.
Por ejemplo, en algunos aerogeneradores, la caja de cambios puede aumentar la velocidad de rotación de las palas por decenas o incluso cientos de veces para cumplir con los requisitos de velocidad del generador.
II. Principio de funcionamiento del generador
Generación de electricidad por inducción electromagnética
Los aerogeneradores suelen utilizar generadores asíncronos o síncronos. En ausencia de una fuente de energía externa, el rotor del generador gira bajo el impulso de las palas, cortando el campo magnético en el devanado del estator y generando así una fuerza electromotriz inducida.
Según la ley de la inducción electromagnética, cuando un conductor se mueve en un campo magnético, se genera una fuerza electromotriz inducida en los extremos del conductor. En un aerogenerador, el rotor del generador es equivalente a un conductor, y el campo magnético en el devanado del estator se genera mediante imanes permanentes o devanados de excitación.
Por ejemplo, el rotor de un generador asíncrono tiene una estructura de jaula de ardilla. Cuando el rotor gira en el campo magnético, los conductores en el rotor cortan el campo magnético y generan una corriente inducida. Esta corriente inducida a su vez genera un campo magnético en el rotor, que interactúa con el campo magnético en el devanado del estator, causando que el rotor continúe girando.
Autoexcitación y construcción de tensión
Para algunos generadores síncronos, se requiere la construcción de tensión por autoexcitación para establecer el campo magnético inicial. La autoexcitación y construcción de tensión se refiere al uso del magnetismo residual del generador y la reacción del armadura para establecer la tensión de salida del generador en ausencia de una fuente de energía externa.
Cuando el rotor del generador gira, debido a la existencia de magnetismo residual, se genera una débil fuerza electromotriz inducida en el devanado del estator. Esta fuerza electromotriz inducida pasa a través del rectificador y regulador en el circuito de excitación para excitar el devanado de excitación, fortaleciendo así el campo magnético en el devanado del estator. A medida que el campo magnético aumenta, la fuerza electromotriz inducida irá aumentando gradualmente hasta alcanzar la tensión de salida nominal del generador.
III. Salida de potencia y control
Salida de potencia
La electricidad generada por el generador se transmite a la red eléctrica o a cargas locales a través de cables. Durante el proceso de transmisión, necesita ser elevada o reducida por un transformador para cumplir con diferentes requisitos de tensión.
Por ejemplo, la electricidad generada por grandes aerogeneradores generalmente necesita ser elevada por un transformador de elevación antes de poder conectarse a la red eléctrica de alta tensión para la transmisión a larga distancia.
Control y protección
Para garantizar el funcionamiento seguro y estable del aerogenerador, es necesario controlarlo y protegerlo. El sistema de control puede ajustar el ángulo de las palas, la velocidad de rotación del generador, etc., según parámetros como la velocidad y dirección del viento, y la potencia de salida del generador, para lograr la máxima eficiencia de generación de energía y proteger el equipo.
Por ejemplo, cuando la velocidad del viento es demasiado alta, el sistema de control puede ajustar el ángulo de las palas para reducir el área de carga de las palas y evitar que el aerogenerador se dañe por sobrecarga. Al mismo tiempo, el sistema de control también puede monitorear parámetros como la tensión, corriente y frecuencia de salida del generador. Cuando ocurren condiciones anormales, puede cortar el suministro de energía de inmediato para proteger la seguridad del equipo y el personal.
