U odsustvu vanjskog izvora struje, vetroelektrana može proizvoditi električnu energiju na sljedeće načine:
I. Princip rada pod uticajem vjetra
Pretvaranje vjetroene u mehaničku energiju
Lopate vetroelektrane su dizajnirane u specifičnom obliku. Kada vjetar prođe preko lopata, zbog specifičnog oblika lopata i principa aerodinamike, kinetička energija vjetra pretvara se u rotacijsku mehaničku energiju lopata.
Na primjer, lopate velike vetroelektrane obično su nekoliko desetina metara dugačke i imaju oblik sličan krilu aviona. Kada vjetar prođe određenom brzinom preko lopata, brzine strujanja zraka na gornjoj i donjoj površini lopata su različite, stvarajući razliku pritiska koja potiče lopate da se okreću.
Prijenos mehaničke energije preko sistema prijenosa
Rotacija lopata prenosi se na rotor generatora kroz sistem prijenosa. Sistem prijenosa obično uključuje komponente poput mjenjača i valjka prijenosa. Njegova funkcija je pretvoriti niskobrzinsku, visokotorque rotaciju lopata u visokobrzinsku, niskotorque rotaciju potrebnu generatoru.
Na primjer, u nekim vetroelektranama, mjenjač može povećati brzinu rotacije lopata za desetine ili čak stotine puta kako bi ispunio brzinu traženu od generatora.
II. Radni princip generatora
Proizvodnja struje elektromagnetskom indukcijom
Vetroelektrane obično koriste asinhroni ili sinhroni generatore. U odsustvu vanjskog izvora struje, rotor generatora okreće se pod pokretom lopata, rezajući magnetsko polje u statornim zavojnicama i time generišući inducirani elektromotorni napon.
Prema zakonu elektromagnetske indukcije, kada vodilj kreće u magnetskom polju, inducirani elektromotorni napon generiše se na krajevima vodilja. U vetroelektrani, rotor generatora ekvivalentan je vodilju, a magnetsko polje u statornim zavojnicama generiše se permanentnim magnetima ili navođenim zavojnicama.
Na primjer, rotor asinhronog generatora ima konstrukciju klizne klepe. Kada rotor okreće u magnetskom polju, vodilji u rotoru rezuju magnetsko polje i generišu inducirani tok. Taj inducirani tok zatim generiše magnetsko polje u rotoru, koje interagira sa magnetskim poljem u statornim zavojnicama, time dovodeći rotor u nastavak rotacije.
Samoindukcija i građenje napona
Za neke sinhroni generatore, potrebno je građenje napona samoindukcijom kako bi se postavilo početno magnetsko polje. Samoindukcija i građenje napona znači korišćenje ostataka magnetskih svojstava generatora i reakcije armature kako bi se postavio izlazni napon generatora u odsustvu vanjskog izvora struje.
Kada rotor generatora okreće, zbog prisutnosti ostatka magnetskih svojstava, generiše se slab inducirani elektromotorni napon u statornim zavojnicama. Taj inducirani elektromotorni napon prolazi kroz upravljački diodni most i regulator u navođenom krugu kako bi se navodi navođeni zavojnice, jačajući magnetsko polje u statornim zavojnicama. Dok se magnetsko polje jača, inducirani elektromotorni napon će postepeno rasti dok ne dostigne nominativni izlazni napon generatora.
III. Izlaz snage i kontrola
Izlaz snage
Struja generisana generatorom prenosi se na mrežu ili lokalne opterećenja putem kablova. Tijekom procesa prijenosa, potrebno je da se stepenuje ili snižava transformatorom kako bi se ispunile različite zahtjeve za naponom.
Na primjer, struja generisana velikim vetroelektranama obično mora biti stepenovana pomoću step-up transformatora pre nego što se može spojiti na visokonaponsku mrežu za dugoročni prijenos.
Kontrola i zaštita
Da bi se osigurala sigurna i stabilna operacija vetroelektrane, potrebno je kontrolirati i štititi je. Kontrolni sistem može prilagođavati kut lopata, brzinu rotacije generatora itd. prema parametrima kao što su brzina vjetra, smjer vjetra i izlazna snaga generatora kako bi se postigla najbolja efikasnost proizvodnje struje i zaštićena oprema.
Na primjer, kada je brzina vjetra prevelika, kontrolni sistem može prilagoditi kut lopata kako bi smanjio površinu opterećenja lopata kako bi se sprečilo preopterećenje vetroelektrane. Istodobno, kontrolni sistem može nadgledati parametre kao što su izlazni napon, struja i frekvencija generatora. Kada dođe do anormalnih stanja, može prekidati snabdevanje strujom kako bi se zaštitila sigurnost opreme i osoblja.
