Generatory do turbin wiatrowych – część 2: Jak wybrać jeden

różne typy generatorów

istnieje kilka rodzajów generatorów, które mogą być sprzężone z małymi turbinami wiatrowymi: najważniejsze typy DC lub AC oraz synchroniczne lub asynchroniczne, które działają odpowiednio z magnesami trwałymi lub wzbudzeniem pola elektrycznego. Wybór zależy od różnych czynników, takich jak zastosowanie (samodzielne lub podłączone do sieci), rodzaj obciążenia, możliwość produkcji, moc znamionowa, Prędkość turbiny i koszt. Niemniej jednak wszystkie te maszyny elektryczne są urządzeniami elektromechanicznymi, które działają na prawie indukcji elektromagnetycznej Faradaya.

synchroniczne vs.asynchroniczne

jak wyjaśniono w prequelu tego artykułu, wirująca część generatora zawiera jakiś element, który tworzy pole magnetyczne. W związku z tym stanowi obracające się słupy. Istnieją dwa rodzaje komponentów, które mogą spełnić to zadanie.

w tak zwanych generatorach synchronicznych znajdziemy proste magnesy stałe. Są one podobne do magnesów podkowy lub rodzaju magnesu, który można przykleić do lodówki. Typ generatora, który użyje magnesy permanentne określa się jako synchroniczne, ponieważ wirnik i pole magnetyczne obracają się z tą samą prędkością. Generatory synchroniczne zazwyczaj mają wysoką gęstość mocy i niską masę, dlatego są coraz częściej stosowane w zastosowaniach turbin wiatrowych. Wyzwania stawiane przez te Generatory polegają na tym, że przy ekstremalnym rozwoju ciepła magnesy trwałe mogą rozmagnesować, czyniąc generator bezużytecznym i że nie mogą wytwarzać energii elektrycznej o ustalonej częstotliwości. Wynika to ze zmienności prędkości wiatru i prędkości obrotowej. Dlatego te Generatory wymagają prostowania powerconverterów.

odpowiednikiem synchronicznym są generatory asynchroniczne. Wytwarzają pole elektryczne nie za pomocą magnesów trwałych, ale za pomocą cewek extra. Prawo Faradaya sugeruje, że prąd elektryczny i pole magnetyczne zawsze istnieją razem. To pozwala nam użyć pola magnetycznego do indukowania prądu elektrycznego w sposób opisany tutaj, ale także pomaga nam wytworzyć pole magnetyczne poprzez wysłanie prądu przez cewkę. Jest to dokładnie to, co robią generatory asynchroniczne. Ten rodzaj generatora wymaga zatem zasilania specjalnie dla magnesów, ale jest mniej podatny na uszkodzenia i może być bardziej niezawodny niż jego odpowiednik. Co więcej, ma wyższy stopień hamowania, dzięki czemu może znacznie łatwiej absorbować wahania prędkości wirnika.

Alternatory

główną różnicą między dynamami a alternatorami jest rodzaj wytwarzanego przez nie Prądu: Dynama wytwarza prąd stały (DC), podczas gdy alternatory wytwarzają prąd zmienny (AC), który stale zmienia kierunek przepływu.

w przypadku bardzo podstawowej konfiguracji generatora dowiedzieliśmy się w prequelu tego artykułu, że produkowana moc wyjściowa będzie energią elektryczną prądu przemiennego. Część, która pozwala dynamo produkować prąd stały bez całkowitego przeprojektowania koncepcji, nazywa się komutatorem. W najprostszy sposób jest to w zasadzie stały przełącznik, który łączy i rozłącza się z dwoma różnymi stykami końcowymi obwodu zasilania generatora podczas obracania się wału. Dzięki temu komutator może stale zmieniać polaryzację prądu wyjściowego, tak aby na końcu wyjście było zawsze tej samej polaryzacji.

główną zaletą dynamos produkujących prąd stały jest to, że większość naszych urządzeń elektrycznych wymaga zasilania PRĄDEM STAŁYM do działania. Oznacza to, że jeśli generujesz prąd przemienny, zawsze będziesz potrzebował konwertera mocy, aby wykorzystać elektryczność w swoim domu.

niemniej jednak, alternatory produkujące prąd przemienny są obecnie powszechne. Powodem tego jest to, że prąd przemienny jest znacznie prostszy i bardziej wydajny do przesyłania za pośrednictwem ogromnych linii energetycznych. Konwersja prądu przemiennego na wyjątkowo wysokie napięcia do transportu, a następnie ponowne zmniejszenie go do poziomu użytecznego jest łatwe i można to zrobić bez znacznych strat mocy. To samo jest bardzotrudne w przypadku prądów PRĄDU STAŁEGO. Po dotarciu do żądanej lokalizacjidla zużycia, moc prądu przemiennego można łatwo przekształcić na prąd stały.

Standard w energetyce wiatrowej: Generatory synchroniczne z magnesami trwałymi

typ generatora najczęściej stosowany w turbinach wiatrowych to generatory synchroniczne z magnesami trwałymi. Dzieje się tak dlatego, że w ostatnich latach zyskały na atrakcyjności dzięki poprawie wydajności i zmniejszeniu kosztów.Szczególnie w przypadku turbin o napędzie bezpośrednim są one konkurencyjne, ponieważ mogą mieć wyższe liczby biegunów wynoszące 60 lub więcej biegunów w porównaniu z konwencjonalnym generatorem synchronicznym. Oznacza to, że pomimo niższych prędkości obrotowych możliwe jest uzyskanie dużej mocy wyjściowej.

podczas normalnej pracy generatory z magnesami trwałymi są stabilne i bezpieczne, a co najważniejsze, nie potrzebują dodatkowego zasilania dla obwodu wzbudzenia, aby zapewnić pole magnetyczne. To sprawia, że projekt i połączenie elektryczne są znacznie prostsze i eliminuje zakłócenia wzbudzenia wirnika, które mogą stanowić 20-30% całkowitych strat generatora. W związku z tym gęstość mocy jest wysoka, a generator pozostaje mały i wydajny. Jest to atrakcyjne, ponieważ biorąc pod uwagę, że ryzyko rozmagnesowania jest rozwiązywane właściwie, obiecuje niskie koszty użytkowania i małe problemy lub konserwację.

Krzywa mocy

chociaż może się to wydawać proste, połączenie między turbiną wiatrową a generatorem to nie tylko mechaniczny element z wałem i skrzynią biegów. Aby osiągnąć zadowalającą wydajność, należy dopasować krzywe mocy turbiny wiatrowej i generatora.

ogólnie rzecz biorąc, istnieją różne rodzaje mocy, ale mają fizyczną jednostkę Wat. Istnieje moc mechaniczna, najpierw zawarta w wietrze, następnie w obrotowych łopatach,a następnie jest energia elektryczna.

z jednej strony, moc obrotowa mechaniczna zawarta w obrotowych łopatkach turbiny wiatrowej jest obliczana jako prędkość obrotowa wirnika razy jego moment obrotowy. Prędkość jest określana, jak często wał obraca się w ustalonym czasie, podczas gdy ich wartość odpowiada “oporowi” lub momentowi bezwładności, przeciwko któremu wał może się obrócić. Aby zobrazować pęd, wyobraź sobie, że obracasz ołówkiem w dłoni. Jeśli przytrzymasz go luźno, będzie to bardzo łatwe. Jeśli weźmiesz mocniejszy uchwyt, będziesz musiał włożyć więcej wysiłku, aby ołówek obracał się z taką samą prędkością, jak wcześniej. To, co się dzieje, to to, że musisz nałożyć na nią większą siłę, ponieważ twój ciasny uchwyt zatrzymuje ruch obrotowy, podobny do wysokiego momentu bezwładności.

tak więc moc wirnika turbiny wiatrowej zależy od prędkości obrotowej i aktualnego pędu w dowolnym momencie. Oczywiście moc wyjściowa nie zawsze jest jednak taka sama. Zmienia się znacząco wraz ze wzrostem lub spadkiem prędkości wiatru. Te szanse tworzą tak zwaną krzywą mocy.

z drugiej strony, moc elektrycznajest obliczana jako napięcie urządzenia razy jego prąd. Mówiąc najprościej, to, co dzieje się w generatorze, to to, że pobiera on część mocy zawartej w obrotach, aby przekształcić ją w energię elektryczną. To, ile mocy można wydobyć, zależy od ilości mocy, która jest obecna. Problem w tym, że sam generator nie wie, ile jest Mocy obrotowej.To, co może zrobić, to jednak uzyskać dane wejściowe z czujnika wiatru, aby poznać obecną prędkość wiatru. Dzięki krzywej mocy turbiny, jej obecna moc obrotowa może być bezpośrednio pochodna wspomnianej prędkości wiatru. Więc teraz możemy zdecydować, jak wiele mocy generator powinien pobierać przy dowolnej prędkości wiatru i zaprogramować to, aby to zrobić. W ten sposób dajemy jej własną krzywą mocy.

energia i moc wyjściowa-jaka jest różnica?

powszechnym błędem, gdy ludzie mówią o turbinach wiatrowych, jest to, że mylą moc z mocą wyjściową. Różnica jest następująca: moc wyjściowa mówi nam, ile energii powstaje w porównaniu do określonego okresu. Produkcja energii mówi nam, ile energii jest produkowana. Jednostka, która jest używana do wskazania mocy wyjściowej jest zwykle kWh-kilo watogodzin. Produkcja energii na poziomie jednego kilograma wata może oznaczać, że w ciągu jednej godziny urządzenie elektryczne wyprodukowało dokładnie tysiąc watów energii elektrycznej lub że w ciągu pół naszego wyprodukowało dwa tysiące watów energii elektrycznej.

więc jeśli chcesz komuś powiedzieć, ile energii wyprodukowała twoja turbina wiatrowa w zeszłym roku, możesz powiedzieć ” moje turbiny wyprodukowały 400 kWh-czy to nie jest fajne?”. W tym kontekście mówienie o władzy nie miałoby sensu. Zazwyczaj porównywanie mocy wyjściowej byłoby przydatne na przykład przy porównywaniu dwóch różnych rodzajów turbin, które działają w tych samych warunkach środowiskowych. To, czy ma sens mówić o mocy czy energii wyjściowej, zależy w dużej mierze od sytuacji. Niemniej jednak, znać swoje jednostki-usewatts, gdy mówimy o mocy i kilo watogodzin, gdy mówimy o energii.