Como as turbinas eólicas geram eletricidade sem uma fonte de energia externa?

Na ausência de uma fonte de energia externa, uma turbina eólica pode gerar eletricidade nas seguintes formas:

I. Princípio de operação impulsionada pelo vento

Conversão de energia eólica em energia mecânica

As pás de uma turbina eólica são projetadas com uma forma específica. Quando o vento sopra sobre as pás, devido à forma especial das pás e aos princípios da aerodinâmica, a energia cinética do vento é convertida na energia mecânica rotacional das pás.

Por exemplo, as pás de uma grande turbina eólica geralmente têm vários metros de comprimento e possuem uma forma semelhante à de uma asa de avião. Quando o vento sopra a uma certa velocidade sobre as pás, as velocidades do fluxo de ar nas superfícies superior e inferior das pás são diferentes, gerando assim uma diferença de pressão e empurrando as pás para girar.

Transmissão de energia mecânica pelo sistema de transmissão

A rotação das pás é transmitida ao rotor do gerador através do sistema de transmissão. O sistema de transmissão geralmente inclui componentes como uma caixa de engrenagens e um eixo de transmissão. Sua função é converter a rotação de baixa velocidade e alta torque das pás na rotação de alta velocidade e baixo torque necessária para o gerador.

Por exemplo, em algumas turbinas eólicas, a caixa de engrenagens pode aumentar a velocidade de rotação das pás por várias dezenas ou até centenas de vezes para atender às exigências de velocidade do gerador.

II. Princípio de funcionamento do gerador

Geração de eletricidade por indução eletromagnética

As turbinas eólicas geralmente usam geradores assíncronos ou síncronos. Na ausência de uma fonte de energia externa, o rotor do gerador gira sob a ação das pás, cortando o campo magnético no enrolamento do estator e, assim, gerando uma força eletromotriz induzida.

De acordo com a lei da indução eletromagnética, quando um condutor se move em um campo magnético, uma força eletromotriz induzida é gerada nas duas extremidades do condutor. Em uma turbina eólica, o rotor do gerador é equivalente a um condutor, e o campo magnético no enrolamento do estator é gerado por ímãs permanentes ou enrolamentos de excitação.

Por exemplo, o rotor de um gerador assíncrono tem uma estrutura tipo gaiola de esquilo. Quando o rotor gira no campo magnético, os condutores no rotor cortam o campo magnético e geram uma corrente induzida. Esta corrente induzida, por sua vez, gera um campo magnético no rotor, que interage com o campo magnético no enrolamento do estator, fazendo com que o rotor continue girando.

Auto-excitação e construção de tensão

Para alguns geradores síncronos, é necessário construir a tensão por auto-excitação para estabelecer o campo magnético inicial. A auto-excitação e a construção de tensão referem-se ao uso do magnetismo residual do gerador e da reação do armadura para estabelecer a tensão de saída do gerador na ausência de uma fonte de energia externa.

Quando o rotor do gerador gira, devido à existência de magnetismo residual, é gerada uma fraca força eletromotriz induzida no enrolamento do estator. Esta força eletromotriz induzida passa pelo retificador e regulador no circuito de excitação para excitar o enrolamento de excitação, fortalecendo assim o campo magnético no enrolamento do estator. À medida que o campo magnético aumenta, a força eletromotriz induzida irá gradualmente aumentar até atingir a tensão de saída nominal do gerador.

III. Saída de potência e controle

Saída de potência

A eletricidade gerada pelo gerador é transmitida para a rede elétrica ou cargas locais através de cabos. Durante o processo de transmissão, ela precisa ser elevada ou reduzida por um transformador para atender a diferentes requisitos de tensão.

Por exemplo, a eletricidade gerada por grandes turbinas eólicas geralmente precisa ser elevada por um transformador de elevação antes de poder ser conectada à rede elétrica de alta tensão para transmissão de longa distância.

Controle e proteção

Para garantir a operação segura e estável da turbina eólica, é necessário controlá-la e protegê-la. O sistema de controle pode ajustar o ângulo das pás, a velocidade de rotação do gerador, etc., de acordo com parâmetros como a velocidade e direção do vento e a potência de saída do gerador, para alcançar a melhor eficiência de geração de energia e proteger o equipamento.

Por exemplo, quando a velocidade do vento é muito alta, o sistema de controle pode ajustar o ângulo das pás para reduzir a área de carga das pás e evitar que a turbina eólica seja danificada por sobrecarga. Ao mesmo tempo, o sistema de controle também pode monitorar parâmetros como a tensão, corrente e frequência de saída do gerador. Quando ocorrem condições anormais, ele pode interromper o fornecimento de energia imediatamente para proteger a segurança do equipamento e das pessoas.