Generatoren für Windturbinenanwendungen – Teil 2: Wie man einen auswählt

Verschiedene Arten von Generatoren

Es gibt verschiedene Arten von Generatoren, die an kleine Windkraftanlagen gekoppelt werden können: Am wichtigsten sind DC- oder AC-Typen und synchron oder asynchron, die mit Permanentmagneten bzw. elektrischer Felderregung arbeiten. Die Auswahl hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie z. B. der Anwendung (Stand-alone oder netzgekoppelt), der Art der Last, der Herstellbarkeit, der Nennleistung, der Turbinendrehzahl und den Kosten. Trotzdem sind alle diese elektrischen Maschinen elektromechanische Geräte, die nach dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion arbeiten.

Synchron vs. asynchron

Wie im Vorwort zu diesem Artikel erläutert, enthält der rotierende Teil eines Generators eine Art Komponente, die ein Magnetfeld erzeugt. Daher handelt es sich um rotierende Pole. Es gibt zwei Arten von Komponenten, die diese Aufgabe erfüllen können.

In sogenannten Synchrongeneratoren finden wireinfache Permanentmagnete. Sie ähneln Hufeisenmagneten oder der Art von Magneten, die Sie an einen Kühlschrank kleben könnten. Der Generatortyp, der Permanentmagnete verwendet, wird als synchron bezeichnet, da sich der Rotor und das Magnetfeld mit der gleichen Geschwindigkeit drehen. Synchrongeneratoren haben typischerweise eine hohe Leistungsdichte und eine geringe Masse, weshalb sie zunehmend in Windkraftanlagen eingesetzt werden. Herausforderungen, die durch diese Generatoren auferlegt werden, sind, dassunter extremer Hitzeentwicklung, die Dauermagnete entmagnetisieren können und makingthe Generator unbrauchbar, und dass sie Strom mit einer fixedfrequency nicht produzieren können. Dies liegt an der Variabilität der Windgeschwindigkeiten und der Rotation bei gleicher Geschwindigkeit. Daher erfordern diese Generatoren gleichrichtende Leistungswandler.

Das Gegenstück zu synchron sind asynchrongeneratoren. Sie erzeugen ein elektrisches Feld nicht mit Permanentmagneten, sondern mitzusätzliche Spulen. Das Faradaysche Gesetz legt nahe, dass ein elektrischer Strom und ein Magnetfeld immer zusammen existieren. Dies ermöglicht es uns, ein Magnetfeld zu verwenden, um elektrischen Strom in der hier beschriebenen Weise zu induzieren, aber es hilft uns auch, ein Magnetfeld zu erzeugen, indem wir einen Strom durch eine Spule senden. Das ist genau das, was Asynchrongeneratoren tun. Diese Art von Generator benötigt daher eine Stromversorgung speziell für die Magnete, ist jedoch weniger anfällig für Beschädigungen und möglicherweise zuverlässiger als sein Gegenstück. Darüber hinaus hat es einen höheren Dämpfungsgrad, so dass es Rotordrehzahlschwankungen viel leichter aufnehmen kann.

Dynamos vs. Generatoren

Der Hauptunterschied zwischen Dynamos und Generatoren istdie Art des Stroms, den sie erzeugen: Dynamos erzeugen einen Gleichstrom (DC), während Alternatoren einen Wechselstrom (AC) erzeugen, der ständig die Flussrichtung ändert.

Für ein sehr einfaches Generator-Setup haben wir im Prequel zu diesem Artikel gelernt, dass die erzeugte Leistung Wechselstrom sein wird. Der Teil, der es einem Dynamo ermöglicht, Gleichstrom zu erzeugen, ohne das Konzept vollständig neu zu entwerfen, wird als Kommutator bezeichnet. Im einfachsten Fall ist es im Grunde ein fester Schalter, der die beiden verschiedenen Endkontakte des Stromkreises des Generators verbindet und trennt, wenn sich die Welle dreht. Dadurch kann der Kommutator die Polarität des Ausgangsstroms ständig ändern, so dass der Ausgang am Ende immer die gleiche Polarität aufweist.

Der Hauptvorteil von Dynamos, die Gleichstrom erzeugen, ist, dass die meisten unserer elektrischen Geräte Gleichstrom benötigen, um zu funktionieren. Dies bedeutet, dass Sie, wenn Sie Wechselstrom erzeugen, immer einen Stromrichter benötigen, um den Strom in Ihrem Haus zu nutzen.

Dennoch sind Wechselstromgeneratoren heute weiter verbreitet. Der Grund dafür ist, dass Wechselstrom viel einfacher istund effizienter über riesige Stromleitungen zu übertragen. Die Umwandlung von Wechselstrom in extrem hohe Spannungen für den Transport und die anschließende Reduzierung auf nutzbare Werte ist einfach und kann ohne nennenswerte Leistungsverluste erfolgen. Das gleiche ist sehrschwierig mit Gleichströmen zu tun. Sobald es am gewünschten Ort angekommen istfür den Verbrauch kann der Wechselstrom leicht wieder in Gleichstrom umgewandelt werden.

Standard in der Windenergie: Permanent magnet synchron generatoren

Die art von generator meisten verwendet in wind turbinen sinddie permanent magnet synchron generatoren. Dies liegt daran, dass sie in den letzten Jahren aufgrund der Verbesserung der Leistung und der sinkenden Kosten an Attraktivität gewonnen haben.Besonders für Direktantriebsturbinen sind sie wettbewerbsfähig, weil sie höhere Polzahlen von 60 oder mehr Polen haben können, die mit einem herkömmlich megasynchronen Generator verglichen werden. Dies bedeutet, dass trotz niedrigerer Drehzahlen eine angemessene Leistungsabgabefrequenz erreicht werden kann.

Im Normalbetrieb sind Permanentmagnetgeneratorensind stabil und sicher und vor allem benötigen sie keine zusätzliche Stromversorgung für den Erregerkreis, um ein Magnetfeld bereitzustellen. Dies macht das Design und die elektrische Verbindung viel einfacher und eliminiert Rotorerregungsverluste, die 20-30% der gesamten Generatorverluste ausmachen können. Folglich ist die Leistungsdichte hoch und der Generator bleibt klein und effizient. Dieses isattractive, weil gegeben, dass das Risiko der Entmagnetisierung withproperly behandelt wird, es niedrige Lebenszeitkosten und wenig Probleme oder Wartung verspricht.

Die Leistungskurve

Obwohl es einfach erscheinen mag, ist die Verbindung zwischen einer Windkraftanlage und einem Generator nicht nur eine mechanische Verbindung mit einer Welle und einem Getriebe. Um eine zufriedenstellende Leistung zu erzielen, müssen die Leistungskurven der Windturbine und des Generators angepasst werden.

Im Allgemeinen gibt esverschiedene Arten von Leistung, aber sie haben die physikalische Einheit Watt. Es ismechanical Energie, zuerst enthalten im Wind, dann in den drehenden Blättern und dann, gibt es elektrische Energie.

Einerseits wird die rotationsmechanische Leistung, die in den rotierenden Schaufeln einer Windenergieanlage enthalten ist, berechnet, indem die Rotordrehzahl des Rotors mit seinem Rotationsimpuls multipliziert wird. Die Geschwindigkeit ist im Wesentlichen, wie oft sich die Welle innerhalb eines festen Zeitraums dreht, während das Moment dem Widerstand oder Trägheitsmoment entspricht, gegen das sich die Welle drehen kann. Um den Schwung zu visualisieren, stellen Sie sich vor, Sie drehen einen Bleistift in ihremhand. Wenn Sie es locker halten, wird es sehr einfach sein, dies zu tun. Wenn Sie einen festeren Griff nehmen, müssen Sie sich mehr anstrengen, um den Stift mit der gleichen Geschwindigkeit wie zuvor zu drehen. Was passiert ist, dass Sie ein höheres Moment darauf anwenden müssen, weil Ihr fester Griff, der die Drehbewegung stoppt, ähnlich einem hohen Trägheitsmoment wirkt.

Die Leistung des Rotors einer Windenergieanlage hängt also von der Drehzahl und dem momentanen Impuls zu einem bestimmten Zeitpunkt ab. Natürlich ist die Ausgangsleistung nicht immer genau gleich. Es ändert sich erheblich, wenn die Windgeschwindigkeit zunimmt oder abnimmt. Diese Chancenmachen eine sogenannte Leistungskurve aus.

Auf der anderen Seite, elektrische Leistungwird berechnet als die Spannung eines Geräts mal sein Strom. Einfach ausgedrückt, was in einem Generator passiert, ist, dass er einen Teil der in der Rotation enthaltenen Energie extrahiert, um sie in elektrische Energie umzuwandeln. Wie viel Energie kann extrahiert werden?hängt offensichtlich von der Menge der vorhandenen Energie ab. Das Problem ist, dass ein Generator allein nicht weiß, wie viel Rotationsleistung vorhanden ist.Was es jedoch tun kann, ist die Eingabe von einem Windsensor zu erhalten, um die aktuelle Windgeschwindigkeit zu kennen. Dank der Leistungskurve der Turbine kann ihre aktuelle Rotationsleistung direkt aus dieser Windgeschwindigkeit abgeleitet werden. Jetzt können wir also entscheiden, wieviele Leistung der Generator bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit gewinnen soll, und ihn so programmieren. Dadurch geben wir ihm seine eigene Leistungskurve.

Energie und Leistung – was ist der Unterschied?

Ein weit verbreitetes Missverständnis, wenn peopletalk über Windkraftanlagen ist, dass sie Leistung mit Energieertrag verwechseln. Der Unterschied ist folgender: Die Ausgangsleistung gibt an, wie viel Energie im Vergleich zu einem bestimmten Zeitraum produziert wird. Die Energieabgabe sagt uns, wie viel Energie istwirklich produziert. Die Einheit, die zur Anzeige der Energieabgabe verwendet wird, ist normalerweisekwh – Kilo Wattstunden. Eine Energieerzeugung von einer Kilowattstunde könnte bedeuten, dass ein elektrisches Gerät innerhalb einer Stunde genau tausend Watt Strom erzeugt hat oder dass es innerhalb einer halben Stunde zweitausend Watt Strom produziert hat.

Wenn Sie also jemandem sagen wollen, wie viel Energie Ihre Windkraftanlage letztes Jahr produziert hat, könnten Sie sagen: “Meine Turbine hat 400 kWh produziert – ist das nicht cool?”. In diesem Zusammenhang würde es wenig Sinn machen, über Macht zu sprechenwürde wenig Sinn machen. In der Regel wäre ein Vergleich der Ausgangsleistung beispielsweise beim Vergleich zweier verschiedener Arten von Turbinen, die unter denselben Umgebungsbedingungen arbeiten, nützlich. Ob es sinnvoll ist, über Leistung zu sprechen oderDie Energieabgabe hängt stark von der Situation ab. Dennoch, kennen Sie Ihre Einheiten – verwendenwatt, wenn es um Leistung und Kilowattstunden geht, wenn es um Energie geht.