Külək Turbinləri Generatorları Elektrik İstehsalı üçün Necə İşləyir
Külək turbinləri sürətlə inkişaf edən bərpa olunan enerji texnologiyasıdır və qalıq yanacaqları yandırmağa ehtiyac olmadan küləyin kinetik enerjisini elektrik enerjisinə çevirə bilir. Zərif fırlanan bıçaqların arxasında dəqiq şəkildə birlikdə işləyən bir sıra mexaniki və elektrik sistemləri dayanır. Bu prosesin mərkəzində fırlanma (mexaniki) enerjini elektrik enerjisinə çevirməkdən məsul olan komponent olan külək turbin generatoru dayanır. Bu məqalədə külək turbin generatorunun necə işlədiyi, onun əsas komponentləri və küləkdən şəbəkəyə paylanmasına qədər elektrik istehsalının mərhələləri müzakirə olunur.
1. Küləkdən fırlanmaya: turbinlərin əsas işləmə prinsipləri
Külək enerjini kinetik enerji şəklində daşıyır. Külək pərlərin üzərindən keçdikdə, pərlərin aerofoil forması qaldırma və sürükləmə qüvvəsi yaradır. Bu qüvvələrin kombinasiyası rotoru fırladan fırlanma momenti yaradır. Tutula bilən enerji miqdarı küləyin sürətindən, rotorun süpürmə sahəsindən (pərin diametri) və aerodinamik səmərəlilikdən təsirlənir.
Lakin, bütün külək enerjisini tutmaq mümkün deyil. Betz Limiti adlanan nəzəri bir hədd var və bu hədd turbin tərəfindən mexaniki enerjiyə çevrilə bilən maksimum külək enerjisinin təxminən 59,3% olduğunu bildirir. Mexaniki enerji tutulduqdan sonra generator onu elektrik enerjisinə çevirir.
2. Külək turbinində generasiya sisteminin əsas komponentləri
Generatorlara keçməzdən əvvəl, enerji "çevrilmə zəncirində" iştirak edən komponentləri anlamaq vacibdir:
1. Rotor və mərkəz: bıçaqların birləşdirildiyi yer və külək səbəbindən fırlanan hissələrdir.
2. Mil: rotorun fırlanmasını növbəti sistemə ötürür.
3. Sürət qutusu (isteğe bağlı): müəyyən generatorlar üçün aşağı sürətli valın fırlanma sürətini daha yüksək sürətə qədər artırır.
4. Generator: mexaniki enerjini elektrik enerjisinə çevirir.
5. Güc elektronikası sistemi: şəbəkə ilə uyğun olmaq üçün elektrik enerjisinin gərginliyini və tezliyini sabitləşdirir.
6. Transformator: gərginliyi artırır ki, kabellər vasitəsilə səmərəli şəkildə paylana bilsin.
7. İdarəetmə sistemi (nəzarətçi): külək çox güclü olduqda bıçaq bucağını (meydança), turbin istiqamətini (çənə fırlanma) və qorumanı tənzimləyir.
Bu məqalənin əsas diqqəti generatorlara yönəlib, lakin praktikada generatorlar tək işləmir; onlar istehsal etdikləri elektrik enerjisinin lazımi keyfiyyətdə olmasını təmin etmək üçün idarəetmə sistemlərinə və güc elektronikasına etibar edirlər.
3. Generatorun əsas prinsipi: elektromaqnit induksiyası
Külək turbin generatorları Faradayın Elektromaqnit İnduksiyası Qanununa əsasən işləyir. Prinsip sadədir:
– Əgər keçirici (kabel spiralı) dəyişən maqnit sahəsindədirsə, elektrik gərginliyi yaranacaq.
– Maqnit sahəsində dəyişikliklər maqniti bobinə qarşı və ya bobini maqnit sahəsində fırlatmaqla yaradıla bilər.
Generatorun içərisində iki əsas hissə var:
– Rotor: fırlanan hissə (daimi maqnit və ya elektromaqnit ola bilər).
– Stator: gərginliyin induksiya olunduğu spiralları olan stasionar hissə.
Rotor fırlandıqca, onun maqnit sahəsi stator bobinlərini "kəsir" və alternativ cərəyan (AC) yaradır. Generatorun fırlanma sürəti və dizaynı gərginliyi, tezliyi və çıxış gücünü müəyyən edir.
4. Külək turbinlərində generatorların növləri
Ümumi istifadədə bir neçə növ generator mövcuddur və hər biri fərqli xüsusiyyətlərə və idarəetmə sistemi tələblərinə malikdir.
a. İnduksiya generatoru (asinxron generator)
İnduksiya generatorları erkən külək turbinlərində və bəzi müasir tətbiqlərdə geniş istifadə olunur. Onların üstünlükləri aşağıdakılardır:
– Nisbətən sadə və möhkəm konstruksiya
- Baxım daha asan olur
– Müəyyən şəbəkəyə qoşulmuş sistemlər üçün uyğundur
Lakin, induksiya generatorları tez-tez maqnit sahəsi yaratmaq üçün şəbəkədən və ya kondensatordan reaktiv güc tələb edir. Bundan əlavə, güc elektronikası dəstəyi olmadan sürət nəzarəti daha məhdud ola bilər.
b. Sinxron generator (sinxron generator)
Sinxron generatorlar rotorun fırlanma sürəti ilə birbaşa əlaqəli tezlikdə elektrik enerjisi istehsal edir. İki ümumi variant var:
– Elektromaqnitlə sinxron: rotor həyəcan cərəyanı vasitəsilə maqnit sahəsi yaradır.
– Daimi Maqnit Sinxron Generator (DMAG): rotor daimi maqnitdən istifadə edir.
PMSG-lər yüksək səmərəliliyi və rotor həyəcan cərəyanının tələb olunmaması səbəbindən müasir turbinlərdə populyardır. PMSG-li turbinlər, geniş külək sürətləri diapazonunda işləmələrini təmin etmək üçün tez-tez tammiqyaslı çeviricilərlə birləşdirilir.
c. DFIG (İkiqat Qidalanmalı İnduksiya Generatoru)
DFIG uzun illərdir ki, irimiqyaslı külək turbinlərində çox geniş yayılmışdır. Onun xüsusiyyətləri aşağıdakılardır:
– Rotor qismən miqyaslı çeviriciyə qoşulub
– Tam çeviriciyə nisbətən daha aşağı çevirici xərcləri ilə dəyişkən sürətli işləməyə imkan verir.
– Şəbəkəyə verilən enerji keyfiyyəti daha yaxşı idarə oluna bilər
DFIG səmərəlilik, xərc və əməliyyat rahatlığı arasında cəlbedici bir güzəşt təklif edir, baxmayaraq ki, sistem daha mürəkkəbdir və təmir tələb edən sürüşmə halqaları kimi komponentlərə malikdir.
5. Sürət qutusu və birbaşa ötürücü: generatora gedən mexaniki yol
Külək turbinləri ötürücü qutuların istifadəsi ilə fərqləndirilə bilər:
Sürət qutusu olan turbin
Turbin rotorları adətən nisbətən yavaş fırlanır (məsələn, böyük turbinlər üçün 10-20 dövr/dəq). Bir çox generator daha yüksək dövr/dəq-də daha effektiv işləyir. Sürət qutusu generatorun ehtiyaclarına uyğunlaşmaq üçün dövr/dəq-ni artırır. Bu sistemin üstünlüyü ondan ibarətdir ki, generator eyni güc çıxışı üçün daha kiçik ola bilər, lakin sürət qutusu əlavə edir:
– Mexaniki itki
– Səs-küy
– Daha tez-tez texniki xidmət göstərilməsi potensialı
Birbaşa ötürücülü turbin (sürət qutusu yoxdur)
Birbaşa ötürücü sistemi rotoru aşağı dövr/dəqiqə üçün hazırlanmış böyük diametrli generatora birbaşa birləşdirir. Onun üstünlükləri:
– Daha az hərəkətli hissələr
– Daha aşağı texniki xidmət potensialı
– Daha yaxşı mexaniki səmərəlilik
Bununla belə, birbaşa ötürücülü generatorlar daha böyük və ağır olmağa meyllidir və adətən tam güc çeviricisi tələb edir.
6. “Xam” elektrik enerjisindən istifadəyə hazır elektrik enerjisinə: güc elektronikasının rolu
Generator tərəfindən istehsal olunan elektrik enerjisi həmişə sabit gərginlik və tezlik tələb edən şəbəkə standartlarına birbaşa uyğun gəlmir (məsələn, İndoneziyada 50 Hz). Külək sürətləri dəyişkən olduğundan, turbinin fırlanması da dəyişir ki, bu da generatorun elektrik enerjisinin tezliyini də dəyişə bilər.
Güc elektronikasının işə düşdüyü yer budur. Çevirici sistem (rektifikator-inverter) aşağıdakıları edə bilər:
– AC-ni generatordan DC-yə (rektifikator) çevirir
– DC bağlantısında DC gərginliyini sabitləşdirir
– Nəzarət olunan tezlik və gərginliklə AC-yə çevrilir (inverter)
– Güc faktorunu tənzimləyir və şəbəkə sabitliyini dəstəkləyir
Güc elektronikası ilə turbin dəyişkən sürətlə işləyə bilər, beləliklə külək enerjisini daha optimal şəkildə ələ keçirir və qəfil külək dəyişiklikləri baş verdikdə mexaniki yükləri azaldır.
7. Turbin idarəetməsi: səmərəliliyin və təhlükəsizliyin qorunması
Külək turbin generatorları, turbin düzgün şəraitdə işlədikdə optimal şəkildə işləyir. Vacib idarəetmə vasitələrinə aşağıdakılar daxildir:
– Çənəyə nəzarət: rotorun külək istiqamətinə baxması üçün gondola fırlanır.
– Meydançanın idarə olunması: fırlanma momentini və gücü tənzimləmək üçün bıçaq bucağını dəyişdirmək. Külək çox güclü olduqda, meydança turbinin həddindən artıq yüklənməsinin qarşısını almaq üçün bir az enerji "boşa" bilər.
– Əyləc sistemi: təcili və ya texniki xidmət şəraiti üçün aerodinamik əyləclər (pillə) və/və ya mexaniki əyləclər.
– Elektrik mühafizəsi: anormal cərəyan/gərginlik, qısaqapanmalar və ya şəbəkə pozuntularını aşkarlayır.
Küləyin sürəti çox aşağı olarsa (məhdud sürətdən aşağı), turbin elektrik enerjisi istehsal etməyəcək. Əgər çox yüksək olarsa (məhdud sürətdən yuxarı), turbin adətən təhlükəsizlik səbəblərindən dayanacaq.
8. Külək turbinlərindən elektrik enerjisi istehsalının qısa axını
Xülasə, prosesi aşağıdakı kimi təsvir etmək olar:
1. Külək bıçağın yanından keçir → rotor fırlanır
2. Fırlanma val (və əgər varsa, sürət qutusu) vasitəsilə ötürülür.
3. Generator rotoru statora qarşı fırlanır → AC gərginliyi yaranır
4. Güc elektronikası elektrik enerjisinin sabit və şəbəkə standartlarına uyğun olmasını təmin edir.
5. Transformator gərginliyi artırır
6. Müəyyən tətbiqlərdə elektrik enerjisi şəbəkəyə və ya saxlama sistemlərinə (məsələn, batareyalara) verilir.
Nəticə
Külək turbin generatoru, elektromaqnit induksiyası vasitəsilə mexaniki hərəkəti elektrik enerjisinə çevirən enerji istehsalı sisteminin ürəyidir. Bununla belə, uğurlu külək enerjisi istehsalı təkcə generatordan deyil, həm də komponentlərin bütöv bir ekosistemindən asılıdır: səmərəli rotor, mexaniki ötürücü (sürət qutusu və ya birbaşa ötürücü), çəngəl və addım idarəetmə sistemləri və enerji keyfiyyətinin şəbəkə tələblərinə cavab verməsini təmin edən güc elektronikası. Düzgün dizaynla külək turbinləri təmiz, davamlı elektrik enerjisi istehsal edə bilər və gələcək enerji həlli kimi getdikcə rəqabətədavamlı olur.
İstəsəniz, iş axını illüstrasiyası (sadə diaqram) əlavə edə bilərəm və ya DFIG, PMSG, ötürücü qutu və birbaşa ötürücü arasındakı səmərəlilik və xərc müqayisəsini daha ətraflı müzakirə edə bilərəm.
