U odsutnosti vanjskog izvora struje, vjetroelektrana može proizvoditi električnu energiju na sljedeće načine:
I. Princip rada pod utjecajem vjetra
Pretvorba vjetrove energije u mehaničku energiju
Lopate vjetroelektrane dizajnirane su u određenom obliku. Kada vjetar prođe preko lopata, zbog specifičnog oblika lopata i principa aerodinamike, kinetička energija vjetra pretvara se u rotacijsku mehaničku energiju lopata.
Na primjer, lopate velike vjetroelektrane obično su desetak metara dugačke i imaju oblik sličan krilu zrakoplova. Kada vjetar prođe na određenoj brzini preko lopata, brzine strujanja zraka na gornjoj i donjoj strani lopata su različite, stvarajući razliku pritisaka i poticući lopate da se vrte.
Prenos mehaničke energije preko prenosnog sustava
Rotacija lopata prenosi se na rotor generatora kroz prenosni sustav. Prenosni sustav obično uključuje komponente poput mjenjača i prenosne vile. Funkcija mu je pretvoriti niskobrzinsku, visokotorsionalnu rotaciju lopata u visokobrzinsku, niskotorsionalnu rotaciju koja je potrebna generatoru.
Na primjer, u nekim vjetroelektranama mjenjač može povećati brzinu rotacije lopata desetkama ili čak stotinama puta kako bi ispunio zahtjeve brzine generatora.
II. Radni princip generatora
Proizvodnja struje putem elektromagnetske indukcije
Vjetroelektrane obično koriste asinkrone generatori ili sinkrone generatori. U odsutnosti vanjskog izvora struje, rotor generatora vrtea se pod utjecajem lopata, rezujući magnetsko polje u statornom vijku i time generirajući inducirani elektromotorni napon.
Prema zakonu elektromagnetske indukcije, kada vodič pomiče se u magnetskom polju, inducirani elektromotorni napon generira se na krajevima vodiča. U vjetroelektrani, rotor generatora ekvivalentan je vodiču, a magnetsko polje u statornom vijku generira se stalnim magnetima ili pobudnim vijkovima.
Na primjer, rotor asinkronog generatora ima strukturu klepe. Kada rotor vrtea se u magnetskom polju, vodiči u rotoru rezuju magnetsko polje i generiraju inducirani struj. Taj inducirani struja opet generira magnetsko polje u rotoru, koje interagira s magnetskim poljem u statornom vijku, čime se rotor nastavlja vrtjeti.
Samopobuda i građenje napona
Za neke sinkrone generatore, potrebno je građenje napona samopobudom kako bi se postavilo početno magnetsko polje. Samopobuda i građenje napona znači upotrebu ostatka magnetizma generatora i armaturne reakcije kako bi se uspostavio izlazni napon generatora u odsutnosti vanjskog izvora struje.
Kada rotor generatora vrtea se, zbog postojanja ostatka magnetizma, generira se slab inducirani elektromotorni napon u statornom vijku. Taj inducirani elektromotorni napon prođe kroz pravilnik i regulator u pobudnom krugu kako bi pobudio pobudni vijak, čime se jača magnetsko polje u statornom vijku. Kako magnetsko polje raste, inducirani elektromotorni napon će postupno rasti dok ne dosegne nominirani izlazni napon generatora.
III. Izlaz snage i kontrola
Izlaz snage
Struja generirana generatorom prenosi se na električnu mrežu ili lokalne opterećivače kroz kabel. Tijekom prenosa, potrebno je pomoću transformatora povećati ili smanjiti napon kako bi se ispunili različiti zahtjevi za naponom.
Na primjer, struja generirana velikim vjetroelektranama obično treba povećati pomoću transformatora prije nego što se može spojiti na visokonaponsku električnu mrežu za dugoročni prenos.
Kontrola i zaštita
Kako bi se osigurala sigurna i stabilna radnja vjetroelektrane, potrebno je kontrolirati i zaštititi je. Kontrolni sustav može prilagoditi kut lopata, brzinu rotacije generatora itd. prema parametrima poput brzine vjetra, smjera vjetra i izlaza snage generatora kako bi se postigla najbolja efikasnost proizvodnje struje i zaštićena oprema.
Na primjer, kada je brzina vjetra prevelika, kontrolni sustav može prilagoditi kut lopata kako bi smanjio površinu opterećenja lopata kako bi se sprečilo oštećenje vjetroelektrane preopterećenjem. U isto vrijeme, kontrolni sustav također može nadgledati parametre poput izlaznog napona, struje i frekvencije generatora. Kada dođe do nepravilnosti, može isključiti napajanje kako bi se zaštitila sigurnost opreme i osoba.
