Dalam absennya sumber daya listrik eksternal, turbin angin dapat menghasilkan listrik dengan cara-cara berikut:
I. Prinsip operasi yang didorong oleh angin
Konversi energi angin menjadi energi mekanik
Blade turbin angin dirancang dalam bentuk tertentu. Ketika angin bertiup melewati blade, karena bentuk khusus blade dan prinsip aerodinamis, energi kinetik angin diubah menjadi energi mekanik rotasi blade.
Misalnya, blade turbin angin besar biasanya panjangnya beberapa puluh meter dan memiliki bentuk mirip sayap pesawat. Ketika angin bertiup dengan kecepatan tertentu melewati blade, kecepatan aliran udara pada permukaan atas dan bawah blade berbeda, sehingga menghasilkan perbedaan tekanan dan mendorong blade untuk berputar.
Transmisi energi mekanik oleh sistem transmisi
Rotasi blade ditransmisikan ke rotor generator melalui sistem transmisi. Sistem transmisi biasanya mencakup komponen seperti gearbox dan poros transmisi. Fungsinya adalah mengubah rotasi berkecepatan rendah dan torsi tinggi dari blade menjadi rotasi berkecepatan tinggi dan torsi rendah yang diperlukan oleh generator.
Misalnya, pada beberapa turbin angin, gearbox dapat meningkatkan kecepatan rotasi blade hingga puluhan atau bahkan ratusan kali untuk memenuhi kebutuhan kecepatan generator.
II. Prinsip kerja generator
Pembangkitan listrik melalui induksi elektromagnetik
Turbin angin biasanya menggunakan generator asinkron atau sinkron. Dalam absennya sumber daya listrik eksternal, rotor generator berputar di bawah dorongan blade, memotong medan magnet pada gulungan stator dan menghasilkan gaya elektromotif terinduksi.
Menurut hukum induksi elektromagnetik, ketika konduktor bergerak dalam medan magnet, gaya elektromotif terinduksi dihasilkan di kedua ujung konduktor. Pada turbin angin, rotor generator setara dengan konduktor, dan medan magnet pada gulungan stator dihasilkan oleh magnet permanen atau gulungan eksitasi.
Misalnya, rotor generator asinkron memiliki struktur kandang tupai. Ketika rotor berputar dalam medan magnet, konduktor dalam rotor memotong medan magnet dan menghasilkan arus terinduksi. Arus terinduksi ini pada gilirannya menghasilkan medan magnet di rotor, yang berinteraksi dengan medan magnet pada gulungan stator, sehingga menyebabkan rotor terus berputar.
Self-excitation dan pembangunan tegangan
Untuk beberapa generator sinkron, diperlukan pembangunan tegangan melalui self-excitation untuk menetapkan medan magnet awal. Self-excitation dan pembangunan tegangan merujuk pada penggunaan magnetisme residu generator dan reaksi armatur untuk menetapkan tegangan output generator dalam absennya sumber daya listrik eksternal.
Ketika rotor generator berputar, karena adanya magnetisme residu, gaya elektromotif terinduksi lemah dihasilkan pada gulungan stator. Gaya elektromotif terinduksi ini melewati rectifier dan regulator dalam rangkaian eksitasi untuk mengeksitasi gulungan eksitasi, sehingga memperkuat medan magnet pada gulungan stator. Seiring bertambahnya medan magnet, gaya elektromotif terinduksi akan secara bertahap meningkat hingga mencapai tegangan output nominal generator.
III. Output daya dan kontrol
Output daya
Listrik yang dihasilkan oleh generator ditransmisikan ke jaringan listrik atau beban lokal melalui kabel. Selama proses transmisi, diperlukan peningkatan atau penurunan tegangan oleh transformator untuk memenuhi persyaratan tegangan yang berbeda.
Misalnya, listrik yang dihasilkan oleh turbin angin besar biasanya perlu ditingkatkan oleh transformator step-up sebelum dapat dihubungkan ke jaringan listrik bertegangan tinggi untuk transmisi jarak jauh.
Kontrol dan perlindungan
Untuk memastikan operasi aman dan stabil turbin angin, diperlukan kontrol dan perlindungan. Sistem kontrol dapat menyesuaikan sudut blade, kecepatan rotasi generator, dll. berdasarkan parameter seperti kecepatan angin, arah angin, dan daya output generator untuk mencapai efisiensi pembangkitan listrik terbaik dan melindungi peralatan.
Misalnya, ketika kecepatan angin terlalu tinggi, sistem kontrol dapat menyesuaikan sudut blade untuk mengurangi area penerima beban blade untuk mencegah turbin angin rusak akibat overload. Pada saat yang sama, sistem kontrol juga dapat memantau parameter seperti tegangan output, arus, dan frekuensi generator. Ketika kondisi abnormal terjadi, dapat memutus pasokan listrik secara tepat waktu untuk melindungi keselamatan peralatan dan personel.
