Generatori per applicazioni di turbine eoliche-Parte 2: Come scegliere uno

Diversi tipi di generatori

Esistono diversi tipi di generatori che possono essere accoppiati a piccole turbine eoliche: soprattutto tipi DC o AC e sincroni o asincroni che operano rispettivamente con magneti permanenti o eccitazione del campo elettrico. La scelta dipende da vari fattori, come l’applicazione (stand alone o collegata alla rete), il tipo di carico, la producibilità, la potenza nominale, la velocità della turbina e il costo. Tuttavia, tutte queste macchine elettriche sono dispositivi elettromeccanici che funzionano sulla legge di Faraday dell’induzione elettromagnetica.

Sincrono contro asincrono

Come spiegato nel prequel di questo articolo, la parte rotante di un generatore contiene una sorta di componente che crea un campo magnetico. Pertanto, costituisce pali rotanti. Ci sono due tipi di componenti che possono svolgere questo compito.

Nei cosiddetti generatori sincroni, troveremo semplici magneti permanenti. Sono simili ai magneti a ferro di cavallo o al tipo di magnete che potresti attaccare a un frigorifero. Il tipo di generatore che utilizza magneti permanenti è indicato come sincrono perché il rotore e il campo magnetico ruotano con la stessa velocità. I generatori sincroni hanno tipicamente un’alta densità di potenza e una massa bassa, ecco perché sono sempre più utilizzati nelle applicazioni delle turbine eoliche. Le sfide imposte da questi generatori sono che sotto lo sviluppo di calore estremo, i magneti permanenti possono smagnetizzare, rendendo inutile il generatore e che non possono produrre elettricità con una frequenza fissa. Ciò è dovuto alla variabilità delle velocità del vento e alla stessa velocità di rotazione. Pertanto, questi generatori richiedono la rettifica powerconvertitori.

La controparte di synchronousgenerators sono asynchronousgenerators. Creano un campo elettrico non usando magneti permanenti ma usando bobine extra. La legge di Faraday suggerisce che una corrente elettrica e un campo magneticosistono sempre insieme. Questo ci permette di utilizzare un campo magnetico per indurre una corrente elettrica nel modo descritto qui, ma ci aiuta anche a creare un campo magnetico inviando una corrente attraverso una bobina. Questo è esattamente quello che fanno i generatori asincroni. Questo tipo di generatore ha quindi bisogno di un alimentatore specifico per i magneti, ma è meno soggetto a danni e potrebbe essere più affidabile rispetto alla sua controparte. Inoltre, ha un più alto grado ofdamping in moda da poterlo assorbire molto più facilmente le fluttuazioni della velocità del rotore.

Dinamo contro Alternatori

La differenza principale tra dinamo e alternatori èil tipo di corrente che producono: dinamo producono una corrente continua (DC) mentre gli alternatori producono una corrente alternata (AC) che cambia costantemente la direzione del flusso.

Per una configurazione del generatore molto semplice, abbiamo imparato nel prequel di questo articolo che la potenza prodotta sarà l’elettricità AC. La parte che consente a una dinamo di produrre corrente continua senza ridisegnare completamente il concetto è chiamata commutatore. Nella sua forma più semplice, è fondamentalmente un interruttore fisso che collega e disconnette ai due diversi contatti terminali del circuito di potenza del generatore mentre l’albero gira. Ciò consente al commutatore di cambiare costantemente la polarità della corrente di uscita in modo che alla fine l’uscita sia sempre della stessa polarità.

Il vantaggio principale delle dinamo che producono corrente continua è che la maggior parte dei nostri dispositivi elettrici ha bisogno di corrente continua per funzionare. Questo significa che ifyou generano corrente alternata, Lei avrà sempre bisogno di un convertitore di potere usare theelectricity nella Sua casa.

Tuttavia, gli alternatori che producono corrente alternata sono oggi più diffusi. La ragione di ciò è che l’elettricità AC è molto più semplicee più efficiente per trasmettere tramite enormi linee elettriche. Convertire l’alimentazione CA in tensioni estremamente elevate per il trasporto e quindi ridurla a livelli utilizzabili di nuovo è facile e può essere fatto senza perdite di potenza significative. Lo stesso è moltodifficile da fare con le correnti DC. Una volta che è arrivato nella posizione desiderataper il consumo, l’alimentazione CA può essere facilmente trasformata nuovamente in CC.

Standard nell’energia eolica: Generatori sincroni a magneti permanenti

Il tipo di generatore più utilizzato nelle turbine eoliche sono i generatori sincroni a magneti permanenti. Questo perché negli ultimi anni, theyhave guadagnato in attrattiva a causa di migliorare le prestazioni e diminuire i costi.Soprattutto per le turbine a trasmissione diretta, sono competitive perché possono avere numeri di poli più alti di 60 o più poli rispetto a un generatore sincrono convenzionalmente. Ciò significa che, nonostante le basse velocità di rotazione, è possibile ottenere una frequenza di uscita di potenza ragionevole.

Durante il normale funzionamento, i generatori a magneti permanenti sono stabili e sicuri e, soprattutto, non hanno bisogno di un alimentatore aggiuntivo per il circuito di eccitazione per fornire un campo magnetico. Questo rende thedesign e collegamento elettrico molto più semplice ed elimina rotore excitationlosses che possono costituire 20-30% delle perdite totali del generatore. Di conseguenza, la densità di potenza è elevata e il generatore rimane piccolo ed efficiente. Questo isattractive perché dato che il rischio di smagnetizzazione è affrontato withprofly, promette basso costo di vita e piccoli problemi o manutenzione.

La curva di potenza

Sebbene possa sembrare semplice, il collegamento tra una turbina eolica e un generatore non è solo meccanico con un albero e un cambio. Per ottenere prestazioni soddisfacenti, le curve di potenza della turbina di vento e del generatore devono essere abbinate.

In generale, ci sonodiversi tipi di potenza, ma hanno l’unità fisica watt. C’èpotenza meccanica, prima contenuta nel vento, poi nelle pale rotanti e poi,c’è energia elettrica.

Da un lato, la potenza meccanica di rotazione contenuta nelle pale rotanti di una turbina eolica è calcolata come la velocità di rotazione del rotore per il suo momento di rotazione. La velocità èessentially quanto spesso l’albero gira entro un periodo di tempo fisso mentre themomentum corrisponde a quanta ‘resistenza’ o momento di inerzia il shaftcan girare contro. Per visualizzare lo slancio, immagina di girare una matita nel tuomano. Se lo tieni liberamente, sarà molto facile farlo. Se si prende atighter grip, è necessario utilizzare più sforzo per mantenere la matita girando athe stessa velocità di prima. Quello che succede è che è necessario applicare un highermomentum ad esso perché la presa stretta fermare il movimento di rotazione actssimilar ad un alto momento di inerzia.

Quindi, la potenza del rotore della turbina eolica dipende dalla velocità di rotazione e dal momento attuale in qualsiasi momento. Naturalmente, la potenza non è sempre la stessa identica, però. Itchanges significativamente come la velocità del vento aumenta o diminuisce. Queste possibilitàcompongono una cosiddetta curva di potenza.

D’altra parte, la potenza elettricaè calcolata come la tensione di un dispositivo volte la sua corrente. In poche parole, ciò che accade in un generatore è che estrae una parte della potenza contenuta nella rotazione per trasformarla in energia elettrica. Quanta potenza può essere estrattadipende ovviamente dalla quantità di potenza presente. Il problema è che da solo, un generatore non sa quanta potenza rotazionale c’è.Ciò che può fare, tuttavia, è ottenere l’input da un sensore del vento per conoscere la velocità del vento presente. Grazie alla curva di potenza della turbina, la sua attuale potenza di rotazione può essere direttamente derivata da detta velocità del vento. Così ora, possiamo decidere comemolto potere il generatore dovrebbe estrarre a qualsiasi velocità del vento e programmarlo per farlo. In questo modo, gli diamo la sua curva di potenza.

Energia e potenza: qual è la differenza?

Un malinteso comune quando le personeparlare di turbine eoliche è che confondono il potere con la produzione di energia. La differenza è la seguente: l’uscita di potenza ci dice quanta energia viene prodotta rispetto a un periodo di tempo specifico. La produzione di energia ci dice quanta energia èattualmente prodotta. L’unità che viene utilizzata per indicare l’uscita di energia è di solitokwh – kilo watt ore. Una produzione di energia di un chilo di watt ora potrebbe significare che entro un’ora, un dispositivo elettrico ha procuced esattamente un thousandwatts di elettricità o che entro la metà del nostro, ha prodotto due thousandwatts di elettricità.

Quindi se vuoi dire a qualcuno quanta energia ha prodotto la tua turbina eolica l’anno scorso, potresti dire ” la mia turbina ha prodotto 400 kWh-non è bello?”. In questo contesto, parlare di potereavrebbe poco senso. In genere, confrontare la potenza sarebbe utile per esempio quando si confrontano due diversi tipi di turbine che operano nelle stesse condizioni ambientali. Se ha senso parlare di potenza oil rendimento energetico dipende molto dalla situazione. Tuttavia, conosci le tue unità-usaatt quando si parla di potenza e chilo watt ore quando si parla di energia.