Hoe genereren windturbines elektriciteit zonder externe energiebron?

Bij afwezigheid van een externe energiebron kan een windturbine elektriciteit op de volgende manier genereren:

I. Principe van windgedreven werking

Omzetting van windenergie in mechanische energie

De bladen van een windturbine zijn ontworpen met een specifieke vorm. Wanneer de wind over de bladen blaast, wordt door de speciale vorm van de bladen en de principes van aerodynamica de kinetische energie van de wind omgezet in de rotatie-mechanische energie van de bladen.

Bijvoorbeeld, de bladen van een grote windturbine zijn meestal tientallen meters lang en hebben een vorm die vergelijkbaar is met die van een vliegtuigvleugel. Wanneer de wind met een bepaalde snelheid over de bladen blaast, verschillen de luchtstroom-snelheden aan de boven- en onderkant van de bladen, waardoor een drukverschil ontstaat en de bladen worden gedwongen te roteren.

Overdracht van mechanische energie door het overdrachtssysteem

De rotatie van de bladen wordt via het overdrachtssysteem overgebracht naar de rotor van de generator. Het overdrachtssysteem bevat meestal componenten zoals een versnellingsbak en een overbrengingsas. De functie hiervan is om de lage snelheid, hoge koppelrotatie van de bladen om te zetten in de hoge snelheid, laag koppelrotatie die nodig is voor de generator.

Bijvoorbeeld, in sommige windturbines kan de versnellingsbak de rotatiesnelheid van de bladen verhogen met tientallen of zelfs honderden malen om aan de snelheidsvereisten van de generator te voldoen.

II. Werkingsprincipe van de generator

Elektriciteitsopwekking door elektromagnetische inductie

Windturbines gebruiken meestal asynchrone of synchrone generatoren. Bij afwezigheid van een externe energiebron roteert de rotor van de generator onder invloed van de bladen, snijdend door het magnetisch veld in de statorwinding, wat een geïnduceerde spanning genereert.

Volgens de wet van elektromagnetische inductie wordt wanneer een geleider zich in een magnetisch veld beweegt, een geïnduceerde spanning gegenereerd aan beide einden van de geleider. In een windturbine is de rotor van de generator equivalent aan een geleider, en het magnetisch veld in de statorwinding wordt gegenereerd door permanente magneet of opwekkingswindingen.

Bijvoorbeeld, de rotor van een asynchrone generator heeft een muizenvangstructuur. Wanneer de rotor roteert in het magnetisch veld, snijden de geleiders in de rotor het magnetisch veld en genereren een geïnduceerde stroom. Deze geïnduceerde stroom genereert op zijn beurt een magnetisch veld in de rotor, dat interacteert met het magnetisch veld in de statorwinding, waardoor de rotor blijft roteren.

Zelfopwekking en spanningsopbouw

Voor sommige synchrone generatoren is spanningsopbouw door zelfopwekking nodig om het initiële magnetisch veld te vestigen. Zelfopwekking en spanningsopbouw betekent het gebruik van de restmagneetisering van de generator en de armatuurreactie om de uitvoerspanning van de generator te vestigen bij afwezigheid van een externe energiebron.

Wanneer de rotor van de generator roteert, wordt door de aanwezigheid van restmagneetisering een zwakke geïnduceerde spanning in de statorwinding gegenereerd. Deze geïnduceerde spanning gaat door de rectifier en regelaar in het opwekkingscircuit om de opwekkingswinding te activeren, waardoor het magnetisch veld in de statorwinding wordt versterkt. Naarmate het magnetisch veld toeneemt, zal de geïnduceerde spanning geleidelijk toenemen tot het bereikt de nominale uitvoerspanning van de generator.

III. Energie-uitvoer en -regeling

Energie-uitvoer

De elektriciteit die door de generator wordt opgewekt, wordt via kabels doorgeseind naar het elektriciteitsnet of lokale belastingen. Tijdens het doorgeseinde proces moet deze worden gestapt door een transformator om aan verschillende spanningseisen te voldoen.

Bijvoorbeeld, de elektriciteit die door grote windturbines wordt opgewekt, moet meestal worden gestapt door een stapschakelaar voordat deze kan worden aangesloten op het hoogspanningsnetwerk voor langeafstandsvervoer.

Regeling en bescherming

Om de veilige en stabiele werking van de windturbine te waarborgen, moet deze worden geregeld en beschermd. Het regelingsysteem kan de hoek van de bladen, de rotatiesnelheid van de generator, enz. aanpassen op basis van parameters zoals windsnelheid, windrichting en uitvoervermogen van de generator om de beste energieopwekkingsefficiëntie te bereiken en de apparatuur te beschermen.

Bijvoorbeeld, wanneer de windsnelheid te hoog is, kan het regelingsysteem de hoek van de bladen aanpassen om de belastingsoppervlakte van de bladen te verminderen en zo te voorkomen dat de windturbine door overbelasting beschadigd raakt. Tegelijkertijd kan het regelingsysteem ook parameters zoals de uitvoerspanning, stroom en frequentie van de generator monitoren. Bij het optreden van abnormale omstandigheden kan het de energietoevoer tijdig afsnijden om de veiligheid van de apparatuur en het personeel te waarborgen.