У відсутності зовнішнього джерела живлення, вітрова турбіна може генерувати електроенергію наступними способами:
I. Принцип вітрової роботи
Перетворення вітрової енергії на механічну енергію
Лопатки вітрової турбіни мають спеціальну форму. Коли вітер дме через лопатки, завдяки особливій формі лопаток та принципам аеродинаміки, кінетична енергія вітру перетворюється на обертальну механічну енергію лопаток.
Наприклад, лопатки великої вітрової турбіни зазвичай мають довжину кілька десятків метрів і мають форму, схожу на крило літака. Коли вітер дме певною швидкістю через лопатки, швидкості повітряних потоків на верхній та нижній поверхнях лопаток різні, що створює різницю тиску та заставляє лопатки обертатися.
Передача механічної енергії системою передачі
Обертання лопаток передається на ротор генератора через систему передачі. Система передачі зазвичай включає такі компоненти, як коробка передач та вал передачі. Її функція полягає у перетворенні низькоскоростного, високомоментного обертання лопаток на високоскоростне, низькомоментне обертання, необхідне для генератора.
Наприклад, в деяких вітрових турбінах коробка передач може збільшити швидкість обертання лопаток на кілька десятків або навіть сотень разів, щоб задовольнити вимоги до швидкості генератора.
II. Принцип роботи генератора
Генерація електроенергії електромагнітною індукцією
Вітрові турбіни зазвичай використовують асинхронні генератори або синхронні генератори. У відсутності зовнішнього джерела живлення, ротор генератора обертається під дією лопаток, розтинуючи магнітне поле в статорному витку, що призводить до появи індукованої електродвижущої сили.
Згідно з законом електромагнітної індукції, коли провідник рухається в магнітному полі, на його кінцях генерується індукована електродвижуща сила. У вітровій турбіні ротор генератора еквівалентний провіднику, а магнітне поле в статорному витку генерується постійними магнітами або витками збудження.
Наприклад, ротор асинхронного генератора має структуру курінного кліти. Коли ротор обертається в магнітному полі, провідники в роторі розтинують магнітне поле та генерують індукований струм. Цей індукований струм, у свою чергу, генерує магнітне поле в роторі, яке взаємодіє з магнітним полем в статорному витку, що призводить до продовження обертання ротора.
Самозбудження та побудова напруги
Для деяких синхронних генераторів, необхідне самозбудження та побудова напруги, щоб створити початкове магнітне поле. Самозбудження та побудова напруги означає використання залишкового намагнічення генератора та реакції якоря для створення вихідної напруги генератора відсутності зовнішнього джерела живлення.
Коли ротор генератора обертається, завдяки наявності залишкового намагнічення, у статорному витку генерується слабка індукована електродвижуща сила. Ця індукована електродвижуща сила проходить через прямокутний регулятор в контурі збудження, щоб збудити витки збудження, що посилює магнітне поле в статорному витку. По мірі зростання магнітного поля, індукована електродвижуща сила буде поступово зростати, поки не досягне номінальної вихідної напруги генератора.
III. Виведення електроенергії та контроль
Виведення електроенергії
Електроенергія, генерована генератором, передається до мережі живлення або місцевих навантажень через кабелі. Під час процесу передачі вона має бути підвищена або знижена за допомогою трансформатора, щоб задовольнити різні вимоги до напруги.
Наприклад, електроенергія, генерована великими вітровими турбінами, зазвичай має бути підвищена за допомогою підвищувального трансформатора, перед тим як вона буде підключена до високонапігової мережі для довговідстаневої передачі.
Контроль та захист
Для забезпечення безпечного та стабільного функціонування вітрової турбіни, її необхідно контролювати та захищати. Система контролю може регулювати кут лопаток, швидкість обертання генератора тощо, відповідно до параметрів, таких як швидкість вітру, напрямок вітру та вихідна потужність генератора, щоб досягти найкращої ефективності генерації електроенергії та захистити обладнання.
Наприклад, коли швидкість вітру занадто висока, система контролю може регулювати кут лопаток, щоб зменшити площу, що отримує навантаження, щоб запобігти пошкодженню вітрової турбіни через перегрузку. Одночасно, система контролю може також моніторити параметри, такі як вихідна напруга, струм та частота генератора. При виникненні аномальних ситуацій, вона може вчасно відключити живлення, щоб захистити безпеку обладнання та персоналу.
