Tanpa sumber tenaga luar, turbin angin boleh menghasilkan elektrik dengan cara berikut:
I. Prinsip operasi bertenaga angin
Penukaran tenaga angin kepada tenaga mekanikal
Bilah-bilah turbin angin direka dalam bentuk tertentu. Apabila angin bertiup melalui bilah-bilah, kerana bentuk khas bilah-bilah dan prinsip aerodinamik, tenaga kinetik angin ditukar menjadi tenaga mekanikal putaran bilah-bilah.
Sebagai contoh, bilah-bilah turbin angin besar biasanya beberapa puluh meter panjang dan mempunyai bentuk yang serupa dengan sayap pesawat. Apabila angin bertiup pada kelajuan tertentu melalui bilah-bilah, halaju aliran udara di permukaan atas dan bawah bilah-bilah adalah berbeza, seterusnya menghasilkan perbezaan tekanan dan mendorong bilah-bilah untuk berputar.
Penyaluran tenaga mekanikal oleh sistem transmisi
Putaran bilah-bilah disalurkan ke rotor penjana melalui sistem transmisi. Sistem transmisi biasanya termasuk komponen seperti kotak gear dan poros transmisi. Fungsinya adalah untuk menukar putaran rendah kelajuan, tinggi tork bilah-bilah menjadi putaran tinggi kelajuan, rendah tork yang diperlukan oleh penjana.
Sebagai contoh, pada beberapa turbin angin, kotak gear boleh meningkatkan kelajuan putaran bilah-bilah sebanyak beberapa puluh atau bahkan ratus kali untuk memenuhi keperluan kelajuan penjana.
II. Prinsip kerja penjana
Penghasilan elektrik melalui induksi elektromagnetik
Turbin angin biasanya menggunakan penjana asinkron atau sinkron. Tanpa sumber tenaga luar, rotor penjana berputar di bawah pemanduan bilah-bilah, memotong medan magnet dalam gulungan stator dan seterusnya menghasilkan daya gerak elektromagnetik terinduksi.
Mengikut hukum induksi elektromagnetik, apabila konduktor bergerak dalam medan magnet, daya gerak elektromagnetik terinduksi dihasilkan di kedua-dua hujung konduktor. Dalam turbin angin, rotor penjana setara dengan konduktor, dan medan magnet dalam gulungan stator dihasilkan oleh magnet kekal atau gulungan eksitasi.
Sebagai contoh, rotor penjana asinkron mempunyai struktur kandang tupai. Apabila rotor berputar dalam medan magnet, konduktor-konduktor dalam rotor memotong medan magnet dan menghasilkan arus terinduksi. Arus terinduksi ini seterusnya menghasilkan medan magnet dalam rotor, yang berinteraksi dengan medan magnet dalam gulungan stator, seterusnya menyebabkan rotor terus berputar.
Pembangkitan sendiri dan pembinaan voltan
Untuk beberapa penjana sinkron, pembinaan voltan melalui pembangkitan sendiri diperlukan untuk membentuk medan magnet awal. Pembangkitan sendiri dan pembinaan voltan merujuk kepada penggunaan magnetisme sisa penjana dan reaksi armatur untuk membentuk voltan output penjana tanpa sumber tenaga luar.
Apabila rotor penjana berputar, kerana wujudnya magnetisme sisa, daya gerak elektromagnetik terinduksi lemah dihasilkan dalam gulungan stator. Daya gerak elektromagnetik ini melalui pembaikan dan pengatur dalam litar eksitasi untuk mengeksitasi gulungan eksitasi, seterusnya menguatkan medan magnet dalam gulungan stator. Seiring dengan pertambahan medan magnet, daya gerak elektromagnetik akan bertambah secara beransur-ansur sehingga mencapai voltan output terjadual penjana.
III. Output kuasa dan kawalan
Output kuasa
Elektrik yang dihasilkan oleh penjana disalurkan ke grid elektrik atau beban tempatan melalui kabel. Semasa proses penyalaan, ia perlu ditingkatkan atau diturunkan oleh transformer untuk memenuhi keperluan voltan yang berbeza.
Sebagai contoh, elektrik yang dihasilkan oleh turbin angin besar biasanya perlu ditingkatkan oleh transformer peningkatan sebelum ia dapat disambungkan ke grid elektrik tegangan tinggi untuk penyalaan jarak jauh.
Kawalan dan perlindungan
Untuk memastikan operasi selamat dan stabil turbin angin, ia perlu dikawal dan dilindungi. Sistem kawalan boleh menyesuaikan sudut bilah-bilah, kelajuan putaran penjana, dan sebagainya mengikut parameter seperti kelajuan angin, arah angin, dan kuasa output penjana untuk mencapai efisiensi penghasilan kuasa terbaik dan melindungi peralatan.
Sebagai contoh, apabila kelajuan angin terlalu tinggi, sistem kawalan boleh menyesuaikan sudut bilah-bilah untuk mengurangkan kawasan beban bilah-bilah untuk mencegah turbin angin rosak akibat overbeban. Pada masa yang sama, sistem kawalan juga boleh memantau parameter seperti voltan output, arus, dan frekuensi penjana. Apabila keadaan tidak normal berlaku, ia boleh memutuskan bekalan kuasa dengan segera untuk melindungi keselamatan peralatan dan orang ramai.
