I fravær av ekstern strømkilde, kan en vindkraftturbine generere elektrisitet på følgende måter:
I. Prinsipp for vinddrevet drift
Omvandling av vindenergi til mekanisk energi
Bladene på en vindkraftturbine er designet i en spesifikk form. Når vinden blåser over bladene, blir den kinetiske energien i vinden omgjort til rotasjonsmekanisk energi i bladene pga. den spesielle formen på bladene og prinsippene for aerodynamikk.
For eksempel er bladene på en stor vindkraftturbine vanligvis flere tiometer lange og har en form som likner på et flyvinge. Når vinden blåser med en vis hastighet over bladene, er luftstrømningshastigheten på de øvre og nedre flatene av bladene forskjellig, noe som skaper et trykkforskjell og driver bladene til å rotere.
Overføring av mekanisk energi ved hjelp av overføringsystemet
Rotasjonen av bladene overføres til generatorrotoren gjennom overføringsystemet. Overføringsystemet inkluderer vanligvis komponenter som en girkasse og en overføringsakse. Dets funksjon er å konvertere den lavhastige, høytorque-rotasjonen av bladene til den høyhastige, lavtorque-rotasjonen som kreves av generatorn.
For eksempel kan girkassen i noen vindkraftturbiner øke rotasjonshastigheten av bladene med flere titalls eller enda flere hundretalls ganger for å oppfylle hastighetskravene til generatorn.
II. Arbeidsprinsipp for generatorn
Generering av elektrisitet ved elektromagnetisk induksjon
Vindkraftturbiner bruker vanligvis asynkrone eller synkrone generatorer. I fravær av ekstern strømkilde, roterer generatorrotoren under drevet av bladene, kutter det magnetiske feltet i statorvindingen og genererer dermed en indusert elektromotiv kraft.
Ifølge loven om elektromagnetisk induksjon, når en leder beveger seg i et magnetfelt, genereres en indusert elektromotiv kraft ved begge ender av lederen. I en vindkraftturbine, tilsvarer generatorrotoren en leder, og det magnetiske feltet i statorvindingen genereres av permanente magneter eller oppladningsvindinger.
For eksempel, er rotor i en asynkron generator en kaveformet struktur. Når rotoren roterer i det magnetiske feltet, kutter ledere i rotoren det magnetiske feltet og genererer en indusert strøm. Denne induserte strømmen genererer igjen et magnetfelt i rotoren, som interagerer med det magnetiske feltet i statorvindingen, noe som fører til at rotoren fortsetter å rotere.
Selvfremming og spenningsoppbygging
For noen synkrone generatorer, er spenningsoppbygging ved selvopphissning nødvendig for å etablere det initielle magnetfeltet. Selvfremming og spenningsoppbygging refererer til bruk av generatorns restmagnetisme og armaturreaksjon for å etablere generatorns utgangsspennings uten ekstern strømkilde.
Når generatorrotoren roterer, genereres et svakt indusert elektromotiv spennings i statorvindingen på grunn av restmagnetismen. Dette induserte elektromotiv spennings passerer gjennom rettifiseren og regulereren i oppladningskretsen for å heise oppladningsvindingen, noe som styrker det magnetiske feltet i statorvindingen. Som feltet øker, vil det induserte elektromotiv spennings gradvis øke til den nådde generatorens satsede utgangsspennings.
III. Effektutdata og kontroll
Effektutdata
Elektrisiteten som genereres av generatorn, overføres til kraftnettverket eller lokale belastninger gjennom kabler. Under overføringsprosessen, må den skiftes opp eller ned av en transformator for å møte ulike spenningsbehov.
For eksempel, må elektrisiteten som genereres av store vindkraftturbiner vanligvis skiftes opp av en oppskalings-transformator før den kan kobles til høyspenningsnettverket for langdistansetransport.
Kontroll og beskyttelse
For å sikre trygg og stabil drift av vindkraftturbinen, må den kontrolleres og beskyttet. Kontrollsystemet kan justere bladenes vinkel, generatorrotasjonshastigheten, etc. basert på parametre som vindhastighet, vindretning og generatorns effektutdata, for å oppnå best mulig effektgenereringseffektivitet og beskytte utstyret.
For eksempel, når vindhastigheten er for høy, kan kontrollsystemet justere bladenes vinkel for å redusere belastningsarealet av bladene for å unngå at vindkraftturbinen skades av overlast. Samtidig kan kontrollsystemet også overvåke parametre som generatorns utgangsspennings, strøm og frekvens. Når anormale forhold oppstår, kan det kutte strømmen i tide for å beskytte utstyrets og personers sikkerhet.
