Külső energiaforrás nélkül a szélturbina az alábbi módon tud elektromos áramot termelni:
I. A szélvezetés elve
A szélerő átalakítása mechanikus energiává
A szélturbina lappanai specifikus formában vannak kialakítva. Amikor a szél áthatol a lappana felett, a lappanák speciális formája és az aerodinamika törvényei miatt a szél kinetikus energiája átalakul a lappanák forgó mechanikus energiájává.
Például egy nagy szélturbina lappanai általában több tíz méter hosszúak, és hasonló alakjuk van, mint egy repülőgép szárnyának. Amikor a szél bizonyos sebességgel áthatol a lappana felett, a lappanák felső és alsó felületén lévő szellőzási sebességek különböznek, ezáltal egy nyomáscsere jön létre, ami elindítja a lappanák forgását.
A mechanikus energia továbbítása a továbbító rendszerrel
A lappanák forgása a generátor rotorjára kerül át a továbbító rendszeren keresztül. A továbbító rendszer általában tartalmaz olyan elemeket, mint a sebességváltó és a továbbító tengely. Szerepe, hogy a lappanák lassú, nagy erőtényű forgását a generátor által igényelt gyors, kevés erőtényű forgásba alakítsa.
Például néhány szélturbinánál a sebességváltó képes a lappanák forgási sebességét több tízszeres vagy akár százszorosra is emelni, hogy megfeleljen a generátor sebességigényeinek.
II. A generátor működési elve
Elektromos áram termelése elektromágneses indukcióval
A szélturbínák általában aszinkron vagy szinkron generátort használnak. Külső energiaforrás nélkül a generátor rotora a lappanák hajtásával forog, áthalad a stator tekercseiben lévő mágneses mezőn, és ezzel indukált elektromotív erőt generál.
Az elektromágneses indukció törvénye szerint, amikor egy vezető test mozog egy mágneses mezőben, a vezető test két végén indukált elektromotív erő jön létre. Egy szélturbinában a generátor rotora egy vezető testnek felel meg, a mágneses mező pedig a stator tekercseiben állítható elő állandómágnesekkel vagy izmányezésekkel.
Például egy aszinkron generátor rotora egy ecsetház struktúrájú. Amikor a rotora forog a mágneses mezőben, a rotora vezető részei áthaladják a mágneses mezőt, és indukált áramot generálnak. Ez az indukált áram szintén mágneses mezőt generál a rotora, ami interakcióba lép a stator tekercsében lévő mágneses mezővel, így a rotora tovább folytatja a forgást.
Sajátizmányezés és feszültségépítés
Néhány szinkron generátor esetén a kezdeti mágneses mező kialakításához sajátizmányezés és feszültségépítés szükséges. Sajátizmányezés és feszültségépítés azt jelenti, hogy a generátor maradék mágnessége és az armatúra reakciója segítségével a generátor kimeneti feszültségét építik fel külső energiaforrás nélkül.
Amikor a generátor rotora forog, a maradék mágnesség miatt a stator tekercsében gyenge indukált elektromotív erő jön létre. Ez az indukált elektromotív erő áthalad a izmányezési körben lévő derékszögítőn és szabályozón, ami megerősíti a stator tekercsében lévő mágneses mezőt. Ahogy a mágneses mező növekszik, az indukált elektromotív erő is fokozatosan nő, amíg el nem éri a generátor nominális kimeneti feszültségét.
III. Erőmű kiadása és ellenőrzése
Erőmű kiadása
A generátor által termelt elektromos áram kábelek révén kerül át a villamos hálózatra vagy helyi terhelésekre. A továbbítás során transzformátorral kell fokozni vagy csökkenteni, hogy különböző feszültségigényeknek megfeleljen.
Például a nagy szélturbinák által termelt elektromos áram általában fokozó transzformátorral kell emelni, mielőtt csatlakoztatható lenne a magasfeszültségi villamos hálózathoz távolsági továbbítás céljából.
Ellenőrzés és védelem
A szélturbina biztonságos és stabil működéséhez ellenőrzésre és védelemre van szükség. Az ellenőrző rendszer a szélszél, a szélirány, valamint a generátor kimeneti teljesítménye alapján állíthatja be a lappanák szögét, a generátor forgási sebességét, hogy optimalizálja a termelés hatékonyságát és védelmet nyújtson az eszközöknek.
Például, ha a szélszél túl magas, az ellenőrző rendszer a lappanák szögét úgy állíthatja be, hogy csökkentse a lappanák terhelését, így elkerülve a turbina túlterhelésből adódó károsodását. Ugyanakkor az ellenőrző rendszer figyeli a generátor kimeneti feszültségét, áramát és frekvenciáját. Ha anomália lép fel, időben lekapcsolhatja a tápegését, hogy megvédje az eszközök és a személyzet biztonságát.
