Miten tuuliturbiinit tuottavat sähköä ilman ulkoista voimalähdettä?

Ulkopäälleen sähkölähdettä puuttuessa tuulivoimala voi tuottaa sähköä seuraavilla tavoilla:

I. Tuulen ajamisen periaate

Tuulienergian muuntaminen mekaaniseksi energiaksi

Tuulivoiman siiven on suunniteltu tiettyyn muotoon. Kun tuuli puhuu siiven yli, siiven erityismuodon ja aerodynamiikan periaatteiden vuoksi tuulen liike-energia muuntuu siiven pyörimän mekaaniseksi energiaksi.

Esimerkiksi suuren tuulivoimalan siivet ovat yleensä useita kymmeniä metriä pitkiä ja niillä on lentokoneen siipien kaltainen muoto. Kun tuuli puhuu tietyllä nopeudella siiven yli, ilmavirtauksen nopeus siiven ylä- ja alapinnalla on erilainen, mikä aiheuttaa paineeriero ja työntää siiveä pyörimään.

Mekaanisen energian siirto siirtosysteemin avulla

Siiven pyörimä välitetään generaattorin roottoriin siirtosysteemin kautta. Siirtosysteemi sisältää yleensä komponentteja kuten vaihteisto ja siirtovakaus. Sen tehtävänä on muuntaa siiven hitaan, korkean jännityksen pyörimisen nopeammaksi, matalammaksi jännityksellä olevaksi pyörimiseksi, joka on tarpeen generaattorille.

Esimerkiksi joissakin tuulivoimaloissa vaihteisto voi lisätä siiven pyörimisnopeutta useita kymmeniä tai jopa satoja kertoja vastaamaan generaattorin nopeusvaatimuksia.

II. Generaattorin toimintaperiaate

Sähköntuotanto sähkömagneettisen induktion avulla

Tuulivoimalat käyttävät yleensä asynkronisia tai synkronisia generaattoreita. Ulkopäälleen sähkölähdettä puuttuessa generaattorin roottori pyörii siiven ajamana, leikkaa statorin kierroksen magneettikentän ja siten tuottaa induktoidun sähköjännityksen.

Sähkömagneettisen induktion lain mukaan, kun johtaja liikkuu magneettikentässä, sen päässä syntyy induktoidun sähköjännitys. Tuulivoimalassa generaattorin roottori on verrannollinen johtajaan, ja statorin kierroksen magneettikenttä luodaan pysyviä magneetteja tai virityskierroksia käyttäen.

Esimerkiksi asynkronisen generaattorin roottori on oravanpyörämuotoinen. Kun roottori pyörii magneettikentässä, roottorin johtajat leikkaavat magneettikentän ja tuottavat induktoidun sähkövirran. Tämä induktoidun sähkövirta tuottaa omansa magneettikentän roottoriin, joka vuorovaikuttaa statorin kierroksen magneettikentän kanssa, mikä taas saa roottorin jatkamaan pyörimistä.

Itseviritys ja jännitehaku

Joillekin synkronisille generaattoreille on tarpeen aloittaa itseviritys ja jännitehaku luodakseen alkuperäisen magneettikentän. Itseviritys ja jännitehaku tarkoittaa generaattorin jäännösmaagnetismin ja armatuurireaktion käyttöä generaattorin ulostulojännitteen luomiseksi ulkopäälleen sähkölähdettä puuttuessa.

Kun generaattorin roottori pyörii, jäännösmaagnetismin vuoksi syntyvä heikko induktoidun sähköjännitys kulkee virityspolussa olevan suodattimen ja säätimen kautta virityskierroksen viritykseen, vahvistaen siten statorin kierroksen magneettikenttää. Kun magneettikenttä kasvaa, induktoidun sähköjännitys myös kasvaa asteittain, kunnes se saavuttaa generaattorin nominoidun ulostulojännitteen.

III. Tehon tuotanto ja hallinta

Tehon tuotanto

Generaattorin tuottama sähkö välitetään sähköverkkoon tai paikallisiin kuormiin kaapeleiden kautta. Välitysvaiheessa sähköä on tarpeen nostaa tai lasketa muuntajan avulla vastaamaan eri jännitevaatimuksia.

Esimerkiksi suuret tuulivoimalat tuottaman sähkön on yleensä nostettava muuntajan avulla ennen yhdistämistä korkeajännitteiseen sähköverkkoon pitkän matkan kuljetusta varten.

Hallinta ja suojaus

Tuulivoiman turvalliseksi ja vakauden ylläpitämiseksi sitä on hallittava ja suojattava. Hallintajärjestelmä voi säätää siivien kulmaa, generaattorin pyörimisnopeutta yms. parametreihin, kuten tuulen nopeuteen, suuntaan ja generaattorin ulostulojännitteeseen, saadakseen parhaan tuotantotehokkuuden ja suojellakseen laitteita.

Esimerkiksi, kun tuulen nopeus on liian korkea, hallintajärjestelmä voi säätää siivien kulmaa vähentääkseen siivien painealueen estääkseen tuulivoiman ylikuormituksen aiheuttaman vaurion. Samalla hallintajärjestelmä voi myös valvoa generaattorin ulostulojännitettä, virtaa ja taajuutta. Epätyypillisissä tilanteissa se voi katkaista sähkövirran ajoissa suojellakseen laitteet ja henkilöt.