W braku zewnętrznego źródła zasilania turbina wiatrowa może generować energię elektryczną w następujący sposób:
I. Zasada działania napędzanego przez wiatr
Konwersja energii wiatru na energię mechaniczną
Łopaty turbiny wiatrowej są zaprojektowane w specyficznej formie. Gdy wiatr wieje po łopatach, ze względu na specjalny kształt łopat i zasady aerodynamiki, energia kinetyczna wiatru jest przekształcana w obrotową energię mechaniczną łopat.
Na przykład, łopaty dużej turbiny wiatrowej są zazwyczaj kilkudziesięciometrowe i mają kształt podobny do skrzydła samolotu. Gdy wiatr wieje z określoną prędkością po łopatach, prędkości powietrza na górnej i dolnej powierzchni łopat są różne, co powoduje powstanie różnicy ciśnień i popycha łopaty do obrotu.
Przekazywanie energii mechanicznej przez system transmisji
Obrót łopat jest przekazywany do wirnika generatora poprzez system transmisji. System transmisji zwykle obejmuje komponenty takie jak skrzynia biegów i wał transmisyjny. Jego funkcją jest przekształcenie niskoprędkowego, wysokotorowego obrotu łopat w wysokoprędkowy, niskotorowy obrót wymagany przez generator.
Na przykład, w niektórych turbinach wiatrowych skrzynia biegów może zwiększyć prędkość obrotową łopat o kilkadziesiąt lub nawet setki razy, aby spełnić wymagania dotyczące prędkości generatora.
II. Zasada działania generatora
Generowanie energii elektrycznej przez indukcję elektromagnetyczną
Turbyny wiatrowe zwykle używają generatorów asynchronicznych lub synchronicznych. W braku zewnętrznego źródła zasilania, wirnik generatora obraca się pod wpływem łopat, przecinając pole magnetyczne w cewce stojanowej, co powoduje powstanie indukowanej siły elektromotorycznej.
Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej, gdy przewodnik porusza się w polu magnetycznym, na końcach przewodnika powstaje indukowana siła elektromotoryczna. W turbinie wiatrowej, wirnik generatora jest równoważny przewodnikowi, a pole magnetyczne w cewce stojanowej jest generowane przez magnesy stałe lub cewki wzbudzające.
Na przykład, wirnik generatora asynchronicznego ma strukturę klatkową. Gdy wirnik obraca się w polu magnetycznym, przewodniki w wirniku przecinają pole magnetyczne i generują prąd indukowany. Ten prąd indukowany z kolei generuje pole magnetyczne w wirniku, które oddziaływuje z polem magnetycznym w cewce stojanowej, powodując dalszy obrót wirnika.
Samowzbudzenie i budowanie napięcia
Dla niektórych generatorów synchronicznych, wymagane jest budowanie napięcia przez samowzbudzenie, aby ustanowić początkowe pole magnetyczne. Samowzbudzenie i budowanie napięcia polega na wykorzystaniu pozostałości magnetycznej generatora i reakcji armatury do ustanowienia napięcia wyjściowego generatora w braku zewnętrznego źródła zasilania.
Gdy wirnik generatora obraca się, ze względu na istnienie resztkowej magnetyczności, powstaje słaba indukowana siła elektromotoryczna w cewce stojanowej. Ta indukowana siła elektromotoryczna przechodzi przez prostownik i regulator w obwodzie wzbudzenia, aby wzbudzić cewkę wzbudzającą, co wzmocni pole magnetyczne w cewce stojanowej. W miarę wzrostu pola magnetycznego, indukowana siła elektromotoryczna będzie stopniowo rosnąć, aż osiągnie nominalne napięcie wyjściowe generatora.
III. Wydajność mocy i kontrola
Wydajność mocy
Energia elektryczna generowana przez generator jest przesyłana do sieci energetycznej lub lokalnych obciążeń poprzez kable. W trakcie przesyłania, musi być przekształcana przez transformator, aby spełniać różne wymagania napięciowe.
Na przykład, energia elektryczna generowana przez duże turbiny wiatrowe zazwyczaj musi być podwyższona przez transformator podwyższający, zanim może zostać podłączona do sieci wysokiego napięcia do długodystansowego przesyłania.
Kontrola i ochrona
Aby zapewnić bezpieczne i stabilne działanie turbiny wiatrowej, potrzebna jest kontrola i ochrona. System kontroli może dostosować kąt nachylenia łopat, prędkość obrotową generatora itp. w zależności od parametrów takich jak prędkość i kierunek wiatru, oraz moc wyjściowa generatora, aby osiągnąć najlepszą efektywność generowania energii i chronić sprzęt.
Na przykład, gdy prędkość wiatru jest zbyt duża, system kontroli może dostosować kąt nachylenia łopat, aby zmniejszyć powierzchnię narażoną na działanie sił, aby zapobiec uszkodzeniu turbiny wiatrowej przez nadmierną obciążenie. W tym samym czasie, system kontroli może również monitorować parametry takie jak napięcie, prąd i częstotliwość wyjściowa generatora. W przypadku wystąpienia nieprawidłowości, może on natychmiast przerwać zasilanie, aby zapewnić bezpieczeństwo sprzętu i personelu.
