Come generano elettricità le turbine eoliche senza una fonte di energia esterna?

In assenza di una fonte di alimentazione esterna, un aerogeneratore può generare elettricità nei seguenti modi:

I. Principio di funzionamento ad energia eolica

Conversione dell'energia eolica in energia meccanica

Le pale di un aerogeneratore sono progettate in una forma specifica. Quando il vento soffia sulle pale, a causa della forma speciale delle pale e dei principi aerodinamici, l'energia cinetica del vento viene convertita nell'energia meccanica rotazionale delle pale.

Ad esempio, le pale di un grande aerogeneratore sono solitamente lunghe diverse decine di metri e hanno una forma simile a quella di un'ala d'aereo. Quando il vento soffia a una certa velocità sulle pale, le velocità dell'aria sulle superfici superiore e inferiore delle pale sono diverse, generando così una differenza di pressione e spingendo le pale a ruotare.

Trasmissione dell'energia meccanica tramite il sistema di trasmissione

La rotazione delle pale viene trasmessa al rotore del generatore attraverso il sistema di trasmissione. Il sistema di trasmissione include solitamente componenti come riduttori e alberi di trasmissione. La sua funzione è quella di convertire la rotazione a bassa velocità e alta coppia delle pale nella rotazione ad alta velocità e bassa coppia richiesta dal generatore.

Ad esempio, in alcuni aerogeneratori, il riduttore può aumentare la velocità di rotazione delle pale di decine o anche centinaia di volte per soddisfare i requisiti di velocità del generatore.

II. Principio di funzionamento del generatore

Generazione di elettricità mediante induzione elettromagnetica

Gli aerogeneratori utilizzano solitamente generatori asincroni o sincroni. In assenza di una fonte di alimentazione esterna, il rotore del generatore ruota sotto la spinta delle pale, tagliando il campo magnetico nell'avvolgimento del statore e generando quindi una forza elettromotrice indotta.

Secondo la legge dell'induzione elettromagnetica, quando un conduttore si muove in un campo magnetico, viene generata una forza elettromotrice indotta alle due estremità del conduttore. In un aerogeneratore, il rotore del generatore è equivalente a un conduttore, e il campo magnetico nell'avvolgimento del statore è generato da magneti permanenti o avvolgimenti di eccitazione.

Ad esempio, il rotore di un generatore asincrono ha una struttura a gabbia di scoiattolo. Quando il rotore ruota nel campo magnetico, i conduttori nel rotore tagliano il campo magnetico e generano una corrente indotta. Questa corrente indotta genera a sua volta un campo magnetico nel rotore, che interagisce con il campo magnetico nell'avvolgimento del statore, facendo in modo che il rotore continui a ruotare.

Autoeccitazione e stabilizzazione della tensione

Per alcuni generatori sincroni, è necessario stabilizzare la tensione mediante autoeccitazione per stabilire il campo magnetico iniziale. L'autoeccitazione e la stabilizzazione della tensione consistono nell'utilizzare il magnetismo residuo del generatore e la reazione dell'armatura per stabilire la tensione di uscita del generatore in assenza di una fonte di alimentazione esterna.

Quando il rotore del generatore ruota, a causa della presenza di magnetismo residuo, viene generata una debole forza elettromotrice indotta nell'avvolgimento del statore. Questa forza elettromotrice indotta passa attraverso il rettificatore e il regolatore nel circuito di eccitazione per eccitare l'avvolgimento di eccitazione, rafforzando così il campo magnetico nell'avvolgimento del statore. Aumentando il campo magnetico, la forza elettromotrice indotta aumenterà gradualmente fino a raggiungere la tensione di uscita nominale del generatore.

III. Uscita di potenza e controllo

Uscita di potenza

L'elettricità generata dal generatore viene trasmessa alla rete elettrica o ai carichi locali tramite cavi. Durante il processo di trasmissione, è necessario che venga elevata o abbassata da un trasformatore per soddisfare diversi requisiti di tensione.

Ad esempio, l'elettricità generata da grandi aerogeneratori deve essere solitamente elevata da un trasformatore di elevazione prima di poter essere collegata alla rete elettrica ad alta tensione per la trasmissione a lunga distanza.

Controllo e protezione

Per garantire il funzionamento sicuro e stabile dell'aerogeneratore, è necessario controllarlo e proteggerlo. Il sistema di controllo può regolare l'angolo delle pale, la velocità di rotazione del generatore, ecc., in base a parametri come la velocità del vento, la direzione del vento e la potenza di uscita del generatore, per ottenere l'efficienza di produzione di energia migliore e proteggere l'equipaggiamento.

Ad esempio, quando la velocità del vento è troppo alta, il sistema di controllo può regolare l'angolo delle pale per ridurre la superficie soggetta a forze, prevenendo così danni all'aerogeneratore dovuti a sovraccarico. Allo stesso tempo, il sistema di controllo può monitorare parametri come la tensione, la corrente e la frequenza di uscita del generatore. In caso di condizioni anomale, può interrompere l'alimentazione in tempo per proteggere la sicurezza dell'equipaggiamento e del personale.