В отсутствие внешнего источника питания ветрогенератор может вырабатывать электроэнергию следующими способами:
I. Принцип работы на ветровой тяге
Преобразование энергии ветра в механическую энергию
Лопасти ветрогенератора имеют специальную форму. Когда ветер дует на лопасти, благодаря их особой форме и принципам аэродинамики, кинетическая энергия ветра преобразуется в вращательную механическую энергию лопастей.
Например, лопасти крупного ветрогенератора обычно имеют длину несколько десятков метров и форму, похожую на крыло самолета. Когда ветер дует с определенной скоростью на лопасти, скорость воздушного потока на верхней и нижней поверхностях лопастей различается, что создает разницу давлений и заставляет лопасти вращаться.
Передача механической энергии через систему передачи
Вращение лопастей передается ротору генератора через систему передачи. Система передачи обычно включает компоненты, такие как редуктор и вал передачи. Её функция заключается в преобразовании низкоскоростного, высокомоментного вращения лопастей в высокоскоростное, низкомоментное вращение, необходимое для генератора.
Например, в некоторых ветрогенераторах редуктор может увеличивать скорость вращения лопастей в несколько десятков или даже сотен раз, чтобы удовлетворить требования генератора к скорости.
II. Принцип работы генератора
Выработка электроэнергии путем электромагнитной индукции
Ветрогенераторы обычно используют асинхронные или синхронные генераторы. В отсутствие внешнего источника питания ротор генератора вращается под воздействием лопастей, пересекая магнитное поле в обмотке статора, что приводит к возникновению индуцируемого электродвижущегося напряжения.
Согласно закону электромагнитной индукции, когда проводник движется в магнитном поле, на его концах возникает индуцируемое электродвижущееся напряжение. В ветрогенераторе ротор генератора эквивалентен проводнику, а магнитное поле в обмотке статора создается постоянными магнитами или возбуждающими обмотками.
Например, ротор асинхронного генератора имеет клетчатую структуру. Когда ротор вращается в магнитном поле, проводники в роторе пересекают магнитное поле и генерируют индуцируемый ток. Этот индуцируемый ток, в свою очередь, создает магнитное поле в роторе, которое взаимодействует с магнитным полем в обмотке статора, что приводит к продолжению вращения ротора.
Самовозбуждение и настройка напряжения
Для некоторых синхронных генераторов требуется настройка напряжения путем самовозбуждения, чтобы установить начальное магнитное поле. Самовозбуждение и настройка напряжения означает использование остаточного намагничивания генератора и реакции якоря для установления выходного напряжения генератора в отсутствие внешнего источника питания.
Когда ротор генератора вращается, из-за наличия остаточного намагничивания в обмотке статора возникает слабое индуцируемое электродвижущееся напряжение. Это индуцируемое электродвижущееся напряжение проходит через выпрямитель и регулятор в цепи возбуждения, чтобы возбудить возбуждающую обмотку, усилить магнитное поле в обмотке статора. По мере увеличения магнитного поля индуцируемое электродвижущееся напряжение будет постепенно возрастать до достижения номинального выходного напряжения генератора.
III. Выработка и контроль мощности
Выработка мощности
Электроэнергия, вырабатываемая генератором, передается в электрическую сеть или местные нагрузки через кабели. В процессе передачи она должна быть повышена или понижена с помощью трансформатора, чтобы удовлетворить различные требования к напряжению.
Например, электроэнергия, вырабатываемая крупными ветрогенераторами, обычно должна быть повышена с помощью повышающего трансформатора, прежде чем она может быть подключена к высоковольтной сети для дальнейшей передачи.
Управление и защита
Для обеспечения безопасной и стабильной работы ветрогенератора необходимо его управление и защита. Система управления может регулировать угол лопастей, скорость вращения генератора и т.д. в зависимости от параметров, таких как скорость и направление ветра, а также выходная мощность генератора, чтобы достичь наилучшей эффективности выработки электроэнергии и защиты оборудования.
Например, при слишком высокой скорости ветра система управления может регулировать угол лопастей, чтобы уменьшить площадь, подверженную воздействию ветра, и предотвратить повреждение ветрогенератора из-за перегрузки. Одновременно система управления может также контролировать параметры, такие как выходное напряжение, ток и частота генератора. При возникновении аномальных условий она может своевременно отключить питание, чтобы обеспечить безопасность оборудования и персонала.
