Ветряная турбина состоит из двух основных компонентов. Мы рассмотрели один из них, конструкцию лопастей ротора ранее, а теперь можем рассмотреть другой – ветряной турбинный генератор или ВТГ, который является электрической машиной, используемой для генерации электричества. Низкоскоростной электрический генератор используется для преобразования механической вращательной энергии, производимой энергией ветра, в пригодное для использования электричество для снабжения наших домов и является сердцем любой ветроэнергетической системы.
Преобразование вращательной механической энергии, генерируемой лопастями ротора (известного как первичный двигатель), в полезную электрическую энергию для использования в бытовом электроснабжении и освещении или для зарядки аккумуляторов может быть осуществлено любым из следующих основных типов вращающихся электрических машин, обычно используемых в ветроэнергетических системах:
- Машина постоянного тока (DC), также известная как динамо-машина
- Машина переменного тока (AC) синхронного типа, также известная как генератор переменного тока
- Машина переменного тока (AC) индукционного типа, также известная как альтернатор
Все эти электрические машины являются электромеханическими устройствами, которые работают на основе закона электромагнитной индукции Фарадея. То есть, они работают за счет взаимодействия магнитного потока и электрического тока или потока заряда. Поскольку этот процесс обратим, одна и та же машина может использоваться как обычный электродвигатель для преобразования электрической энергии в механическую, или как генератор, преобразующий механическую энергию обратно в электрическую.
Электрические машины, наиболее часто используемые для ветряных турбин, – это те, которые действуют как генераторы, причем синхронный генератор и индукционный генератор обычно используются в более крупных системах ветряных турбинных генераторов. Обычно меньшие или самодельные ветряные турбины используют низкоскоростной генератор постоянного тока с постоянными магнитами или динамо-машину, так как они небольшие, дешевые и их гораздо легче подключить.
Так имеет ли значение, какой тип электрического генератора мы можем использовать для производства энергии ветра? Ну, простой ответ – и да, и нет, так как все зависит от типа системы и применения, которое вы хотите. Низковольтный выход постоянного тока от генератора или динамо-машины старого типа может использоваться для зарядки аккумуляторов, в то время как более высокий синусоидальный выход переменного тока от альтернатора может быть подключен непосредственно к местной электросети.
Также, выходное напряжение и потребность в мощности полностью зависят от приборов, которые у вас есть, и от того, как вы хотите их использовать. Кроме того, имеет значение расположение ветряного турбинного генератора: будет ли ветровой ресурс поддерживать его постоянное вращение в течение длительных периодов времени или скорость генератора и, следовательно, его выходная мощность будут колебаться вверх и вниз в зависимости от доступного ветра.
Генерация электричества
Ветряной турбинный генератор – это то, что производит ваше электричество, преобразуя механическую энергию в электрическую. Давайте уточним: они не создают энергию и не производят больше электрической энергии, чем количество механической энергии, используемой для вращения лопастей ротора. Чем больше “нагрузка” или электрическая потребность, наложенная на генератор, тем больше механической силы требуется для вращения ротора. Вот почему генераторы бывают разных размеров и производят разное количество электричества.
В случае “ветряного турбинного генератора” ветер напрямую давит на лопасти турбины, которая преобразует линейное движение ветра во вращательное движение, необходимое для вращения ротора генератора, и чем сильнее давит ветер, тем больше электрической энергии может быть сгенерировано. Поэтому важно иметь хорошую конструкцию лопастей ветряной турбины, чтобы извлечь как можно больше энергии из ветра.
Все электрические турбинные генераторы работают благодаря эффектам перемещения магнитного поля мимо электрической катушки. Когда электроны текут через электрическую катушку, вокруг нее создается магнитное поле. Аналогично, когда магнитное поле движется мимо катушки провода, в катушке индуцируется напряжение, как определено законом магнитной индукции Фарадея, вызывая поток электронов.
Простой генератор, использующий магнитную индукцию
Итак, мы можем видеть, что при перемещении магнита мимо одной петли провода в проводной петле индуцируется напряжение, известное как ЭДС (электродвижущая сила), из-за магнитного поля магнита.
Поскольку напряжение индуцируется в проводной петле, электрический ток в форме потока электронов начинает течь по петле, генерируя электричество.
Но что, если вместо одной отдельной петли провода, как показано, у нас было бы много петель, намотанных вместе на одном и том же каркасе, чтобы образовать катушку провода, гораздо больше напряжения и, следовательно, тока могло бы быть сгенерировано для того же количества магнитного потока.
Это происходит потому, что магнитный поток пересекает больше провода, производя большую ЭДС, и это основной принцип закона электромагнитной индукции Фарадея, и генератор переменного тока использует этот принцип для преобразования механической энергии, такой как вращение от ветряной турбины или гидротурбины, в электрическую энергию, производя синусоидальную волну.
Итак, мы видим, что есть три основных требования для генерации электричества, и это:
- Катушка или набор проводников
- Система магнитного поля
- Относительное движение между проводниками и полем
Итак, чем быстрее вращается катушка провода, тем больше скорость изменения, с которой магнитный поток пересекается катушкой, и тем больше индуцированная ЭДС внутри катушки. Аналогично, если магнитное поле сделать сильнее, индуцированная ЭДС увеличится при той же скорости вращения. Таким образом: Индуцированная ЭДС ∝ Φ*n. Где: “Φ” – это магнитный поток, а “n” – скорость вращения. Также полярность генерируемого напряжения зависит от направления магнитных линий потока и направления движения проводника.
Существует два основных типа электрических генераторов и альтернаторов: генератор с постоянными магнитами и генератор с обмоткой возбуждения, причем оба типа состоят из двух основных частей: статора и ротора.
Статор – это “неподвижная” часть машины (отсюда и его название), и может иметь либо набор электрических обмоток, создающих электромагнит, либо набор постоянных магнитов в своей конструкции. Ротор – это часть машины, которая “вращается”. Опять же, ротор может иметь выходные катушки, которые вращаются, или постоянные магниты. Обычно генераторы и альтернаторы, используемые для ветряных турбинных генераторов, определяются тем, как они создают свой магнетизм – либо электромагнитами, либо постоянными магнитами.
Нет реальных преимуществ и недостатков у обоих типов. Большинство бытовых ветряных турбинных генераторов на рынке используют постоянные магниты в конструкции своих турбинных генераторов, которые создают необходимое магнитное поле при вращении машины, хотя некоторые используют электромагнитные катушки.
Эти высокопрочные магниты обычно изготавливаются из редкоземельных материалов, таких как неодим-железо (NdFe) или самарий-кобальт (SmCo), устраняя необходимость в обмотках возбуждения для создания постоянного магнитного поля, что приводит к более простой и прочной конструкции.
Обмотки возбуждения имеют преимущество в том, что их магнетизм (и, следовательно, мощность) можно согласовать с меняющейся скоростью ветра, но они требуют внешнего источника энергии для генерации необходимого магнитного поля.
Теперь мы знаем, что электрический генератор обеспечивает средство преобразования энергии между механическим крутящим моментом, создаваемым лопастями ротора, называемым первичным двигателем, и некоторой электрической нагрузкой, будь то зарядка аккумуляторов или рассеивание мощности в балластной нагрузке.
Механическое соединение ветряного турбинного генератора с лопастями ротора осуществляется через главный вал, который может быть либо простым прямым приводом, либо с использованием редуктора для увеличения или уменьшения скорости генератора относительно скорости вращения лопастей.
Использование редуктора позволяет лучше согласовать скорость генератора со скоростью турбины, но недостатком использования редуктора является то, что как механический компонент он подвержен износу, снижая эффективность системы. Однако прямой привод может быть более простым и эффективным, но вал ротора и подшипники генератора подвергаются полному весу и вращательной силе лопастей ротора.
Кривая выходной мощности ветряного турбинного генератора
Итак, тип ветряного турбинного генератора, необходимый для конкретного места, зависит от энергии, содержащейся в ветре, и характеристик самой электрической машины. Все ветряные турбины имеют определенные характеристики, связанные со скоростью ветра.
Генератор (или альтернатор) не будет производить выходную мощность, пока его скорость вращения не превысит стартовую скорость ветра, при которой сила ветра на лопасти ротора достаточна для преодоления трения, и лопасти ротора ускоряются достаточно для того, чтобы генератор начал производить полезную мощность.
Выше этой стартовой скорости генератор должен производить мощность, пропорциональную кубу скорости ветра (K.V³), пока не достигнет своей максимальной номинальной выходной мощности, как показано.
Выше этой номинальной скорости ветровые нагрузки на лопасти ротора будут приближаться к максимальной прочности электрической машины, и генератор будет производить свою максимальную или номинальную выходную мощность, так как будет достигнуто окно номинальной скорости ветра.
Если скорость ветра продолжит увеличиваться, ветряной турбинный генератор остановится в своей точке отключения, чтобы предотвратить механические и электрические повреждения, что приведет к нулевой выработке электроэнергии. Применение тормоза для остановки генератора от повреждения себя может быть либо механическим регулятором, либо электрическим датчиком скорости.
Если вы планируете установить систему на основе аккумуляторов, ищите генератор постоянного тока для зарядки аккумуляторов. Также учитывайте механическую конструкцию генератора, такую как размер и вес, рабочую скорость и защиту от окружающей среды, так как он будет проводить всю свою жизнь, установленный на вершине столба или башни.
В следующем уроке о ветряных турбинных генераторах мы рассмотрим машины постоянного тока и то, как мы можем использовать генератор PMDC для производства электричества из энергии ветра. Чтобы узнать больше о “Ветряных турбинных генераторах” или получить дополнительную информацию о ветроэнергетике о различных доступных системах ветряных турбинных генераторов, или изучить преимущества и недостатки ветроэнергетики, используйте навигацию по нашему сайту.
