چگونه توربینهای بادی برق تولید میکنند بدون منبع برق خارجی
در غیاب منبع برق خارجی، توربین بادی میتواند به روشهای زیر برق تولید کند:
I. اصل عملکرد باد-محرک
تبدیل انرژی باد به انرژی مکانیکی
پرههای توربین بادی با شکل خاصی طراحی شدهاند. هنگامی که باد بر روی پرهها میوزد، به دلیل شکل خاص پرهها و اصول آیرودینامیک، انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی چرخشی پرهها تبدیل میشود.
به عنوان مثال، پرههای یک توربین بادی بزرگ معمولاً چند ده متر طول دارند و شکل مشابه بال هواپیما دارند. هنگامی که باد با سرعت معینی بر روی پرهها میوزد، سرعت جریان هوا در سطوح بالا و پایین پرهها متفاوت است، بنابراین یک اختلاف فشار ایجاد میشود و پرهها را به چرخش میراند.
انتقال انرژی مکانیکی توسط سیستم انتقال
چرخش پرهها از طریق سیستم انتقال به روتور ژنراتور منتقل میشود. سیستم انتقال معمولاً شامل قطعاتی مانند جعبه دنده و محور انتقال است. وظیفه آن تبدیل چرخش با سرعت پایین و گشتاور بالا پرهها به چرخش با سرعت بالا و گشتاور پایین مورد نیاز ژنراتور است.
به عنوان مثال، در برخی توربینهای بادی، جعبه دنده میتواند سرعت چرخش پرهها را چندین ده یا حتی صد برابر کند تا نیازهای سرعت ژنراتور را برآورده کند.
II. اصل کار ژنراتور
تولید برق از طریق القاء الکترومغناطیسی
توربینهای بادی معمولاً از ژنراتورهای غیرهمگام یا همگام استفاده میکنند. در غیاب منبع برق خارجی، روتور ژنراتور تحت تحریک پرهها چرخش میکند، میدان مغناطیسی در سیمپیچ استاتور را میبرد و بدین ترتیب یک القای الکتروموتاویک ایجاد میکند.
بر اساس قانون القاء الکترومغناطیسی، هنگامی که یک رسانا در یک میدان مغناطیسی حرکت میکند، یک القای الکتروموتاویک در دو سر رسانا ایجاد میشود. در یک توربین بادی، روتور ژنراتور معادل یک رسانا است و میدان مغناطیسی در سیمپیچ استاتور توسط المانهای دائمی یا سیمپیچهای تحریک ایجاد میشود.
به عنوان مثال، روتور یک ژنراتور غیرهمگام ساختار کفتاری دارد. هنگامی که روتور در میدان مغناطیسی چرخش میکند، رساناهای موجود در روتور میدان مغناطیسی را میبرند و یک جریان القایی ایجاد میکنند. این جریان القایی به نوبه خود یک میدان مغناطیسی در روتور ایجاد میکند که با میدان مغناطیسی در سیمپیچ استاتور تعامل میکند و بدین ترتیب روتور را به چرخش ادامه میدهد.
القاء خودی و ساخت ولتاژ
برای برخی از ژنراتورهای همگام، ساخت ولتاژ از طریق القاء خودی برای ایجاد میدان مغناطیسی اولیه لازم است. القاء خودی و ساخت ولتاژ به این معنی است که از مغناطیس باقیمانده ژنراتور و واکنش آرماتور برای ایجاد ولتاژ خروجی ژنراتور در غیاب منبع برق خارجی استفاده میشود.
هنگامی که روتور ژنراتور چرخش میکند، به دلیل وجود مغناطیس باقیمانده، یک القای الکتروموتاویک ضعیف در سیمپیچ استاتور ایجاد میشود. این القای الکتروموتاویک از طریق مستقیمکننده و تنظیمکننده در مدار تحریک عبور میکند و سیمپیچ تحریک را تحریک میکند، بدین ترتیب میدان مغناطیسی در سیمپیچ استاتور تقویت میشود. با افزایش میدان مغناطیسی، القای الکتروموتاویک به تدریج افزایش مییابد تا به ولتاژ خروجی اسمی ژنراتور برسد.
III. خروجی برق و کنترل
خروجی برق
برق تولید شده توسط ژنراتور از طریق کابلها به شبکه برق یا بارهای محلی منتقل میشود. در حین انتقال، نیاز به افزایش یا کاهش ولتاژ توسط یک ترانسفورماتور دارد تا نیازهای مختلف ولتاژ را برآورده کند.
به عنوان مثال، برق تولید شده توسط توربینهای بادی بزرگ معمولاً نیاز به افزایش ولتاژ توسط یک ترانسفورماتور افزایشی دارد تا بتواند به شبکه برق با ولتاژ بالا برای انتقال دور مسافت متصل شود.
کنترل و محافظت
برای اطمینان از عملکرد ایمن و پایدار توربین بادی، نیاز به کنترل و محافظت آن است. سیستم کنترل میتواند زاویه پرهها، سرعت چرخش ژنراتور و غیره را بر اساس پارامترهایی مانند سرعت باد، جهت باد و توان خروجی ژنراتور تنظیم کند تا به بهترین کارایی تولید برق برسد و تجهیزات را محافظت کند.
به عنوان مثال، هنگامی که سرعت باد خیلی زیاد است، سیستم کنترل میتواند زاویه پرهها را تنظیم کند تا مساحت تحمل نیروی پرهها کاهش یابد و توربین بادی از بار زیاد محافظت شود. همچنین، سیستم کنترل میتواند پارامترهایی مانند ولتاژ خروجی، جریان و فرکانس ژنراتور را نیز مانیتور کند. هنگامی که شرایط ناهماهنگی رخ میدهد، میتواند تامین برق را به موقع قطع کند تا ایمنی تجهیزات و افراد را حفظ کند.
