Сістэма кіравання ветравой турбінай для арыентацыі ротара
Сучасныя ветраныя турбіны прызначаны для атрымання максімальна магчымай колькасці энергіі з ветру, які пастаянна змяняе кірунак і хуткасць. Каб быць эфектыўным, ротар турбіны — лопасці і ступіца — павінен быць дакладна выраўнаваны з ветрам. Працэс забеспячэння таго, каб ротар заўсёды быў выраўнаваны з кірункам ветру, вядомы як кіраванне арыентацыяй ротара, або часцей, кіраванне па рысканні. У гэтым артыкуле абмяркоўваюцца канцэпцыі, кампаненты, стратэгіі кіравання і ключавыя праблемы ў сістэмах кіравання ветранымі турбінамі для арыентацыі ротара.
Чаму важная арыентацыя ротара?
Магутнасць, якую можа атрымаць ветравая турбіна, істотна залежыць ад вугла паміж кірункам ветру і плоскасцю стрэлападобнасці ротара. Калі ротар не звернуты да ветру (зрушэнне рыскання), энергія, якая праходзіць праз плоскасць ротара, выкарыстоўваецца неаптымальна. Невялікія зрушэнні могуць знізіць магутнасць, а вялікія зрушэнні могуць прывесці да дадатковых структурных нагрузак на лопасці, гандолу і вежу. Іншымі словамі, арыентацыя ротара - гэта не толькі эфектыўнасць, але і тэрмін службы кампанентаў.
У прынцыпе, ветраныя турбіны з гарызантальнай воссю (HAWT) патрабуюць сістэмы рыскання, каб павярнуць гандолу так, каб ротар быў накіраваны ў бок ветру. Гэта адрозніваецца ад турбін з вертыкальнай воссю (VAWT), якім геаметрычна не патрабуецца рысканне для захопу ветру з розных напрамкаў. Аднак HAWT дамінуюць у электраэнергетыцы дзякуючы сваёй высокай эфектыўнасці.
Асноўная канцэпцыя рыскання: кіраванне гандолай, а не ротарамі асобна
У турбіне HAWT лопасці ротара ўсталяваны на ступіцы перад гандолай. Арыентацыя ветру кантралюецца кручэннем усёй гандолы (якая нясе ротар і трансмісію) у верхняй частцы вежы. Гэта кручэнне дасягаецца з дапамогай падшыпнікаў рыскання, якія дазваляюць адносны рух паміж гандолай і вежай. Сістэма рыскання арыентуе гандолу такім чынам, каб вось ротара супадала з сярэднім кірункам ветру ў месцы размяшчэння ступіцы.
Важна адзначыць, што кірунак ветру турбулентны і хутка змяняецца, таму сістэма кіравання рысканнем звычайна не ўлоўлівае кожнае нязначнае ваганне. Сістэма распрацавана для карэкцыі сярэдняга кірунку ветру на працягу пэўнага перыяду часу, каб прадухіліць празмернае рысканне, якое можа паскорыць знос прывада і спажыванне энергіі.
Асноўныя кампаненты сістэмы кіравання арыентацыяй ротара
1. Датчык кірунку ветру (флюгер) і хуткасці ветру (анемометр)
Звычайна флюгер, усталяваны над гандолай, ацэньвае кірунак ветру адносна гандолы, а анемометр вымярае хуткасць ветру. У сучасных турбінах дадзеныя таксама могуць быць дапоўнены іншымі датчыкамі, такімі як LIDAR (сістэма выяўлення і датчык святла), каб «бачыць» вецер, перш чым ён дасягне ротара.
2. Кантролер рыскання
Гэта частка сістэмы кіравання турбінай (ПЛК/прамысловае кіраванне), якая вырашае, калі і наколькі павінна паварочвацца гандола. Кантролер выкарыстоўвае логіку і такія параметры, як парог няправільнага выраўноўвання, зона неўспрымання, хуткасць ветру і абмежаванні хуткасці рыскання.
3. Прывад рыскання і рухавік рыскання
Электрарухавік (часам некалькі адзінак) прыводзіць у рух шасцярню, якая ўзаемадзейнічае з зубчастым вянцом на падшыпніку рыскання. Паколькі гандола вялікая і цяжкая, яна патрабуе вялікага крутоўнага моманту; для размеркавання нагрузкі часта выкарыстоўваецца некалькі рухавікоў.
4. Падшыпнік рыскання
Вялікія кольцавыя падшыпнікі вытрымліваюць восевыя і радыяльныя нагрузкі, дазваляючы пры гэтым кручэнне. Умовы змазкі, зацяжка балтоў і знос з'яўляюцца крытычна важнымі для працяглай эксплуатацыі.
5. Тормаз рыскання (тормаз рыскання)
Механічныя/гідраўлічныя тармазы ўтрымліваюць гандолу ад кручэння з-за аэрадынамічнага моманту, калі няма каманды на рысканне, і стабілізуюць гандолу падчас працы.
6. Сістэма кантактных кольцаў і кабеляў
Паколькі гандола круціцца, неабходна ўсталёўваць кабелі, каб прадухіліць іх заблытванне. Злучальныя кольцы дазваляюць перадаваць энергію і сігнал падчас кручэння гандолы, але некаторыя канструкцыі маюць абмежаванні на сукупны вугал павароту, каб прадухіліць скручванне кабеляў.
7. Датчык становішча рыскання (энкодэр / рэзальвер)
Забяспечвае абсалютную інфармацыю аб куце нацэлі адносна апорнай кропкі вежы для дакладнага кіравання, рэгістрацыі дадзеных і абароны.
Стратэгія кіравання: калі турбіна павінна павярнуць назад?
Сістэмы кіравання рысканнем звычайна выкарыстоўваюць некалькі прынцыпаў:
1. Мёртвая зона (зона слядоў непрацуючага сігналу)
Калі зрушэнне ўсё яшчэ невялікае, кантролер не ўносіць ніякіх карэкціровак. Гэта важна, каб пазбегнуць зваротных ваганняў з-за турбулентнасці. Напрыклад, турбіна можа адхіляцца ад курсу толькі ў тым выпадку, калі зрушэнне перавышае ±10° на працягу некалькіх секунд або хвілін, у залежнасці ад канструкцыі.
2. Часавы фільтр і праверка сігналу
Дадзеныя аб кірунку ветру часта фільтруюцца з дапамогай слізгальнага сярэдняга або нізкачастотнага фільтра. Акрамя таго, кантролер выконвае праверку: калі датчык флюгера няспраўны, рысканне можа быць абмежавана або пераключана ў бяспечны рэжым.
3. Логіка, заснаваная на хуткасці ветру
Пры нізкіх хуткасцях ветру карысць ад рыскання можа быць невялікай, што дазваляе сістэме чакаць даўжэй. Пры пэўных хуткасцях, блізкіх да намінальнай, арыентацыя становіцца больш важнай для максімізацыі прадукцыйнасці. І наадварот, пры вельмі моцным ветры або калі турбіна знаходзіцца ў стаянцы, стратэгія рыскання можа змяніцца, каб паменшыць нагрузку.
4. Абмежаванні хуткасці пры рысканні і нахіле
Гандолу нельга круціць занадта хутка, бо гэта можа стварыць дынамічныя нагрузкі і пагоршыць знос шасцярні і падшыпнікаў. Кантролер звычайна абмяжоўвае хуткасць рыскання (напрыклад, градусаў у секунду) і ўжывае плаўнае паскарэнне/запаволенне.
5. Кіраванне на аснове крутоўнага моманту/энергіі
У некаторых перадавых канструкцыях улічваецца кошт энергіі рыскання рухавіка ў параўнанні з павелічэннем вытворчасці энергіі. Гэта асабліва актуальна для вялікіх турбін і месцаў з высокай турбулентнасцю.
Тэхнічныя праблемы ў кіраванні арыентацыяй ротара
Турбулентнасць і зрух ветру
Кірунак ветру на вышыні ротара не заўсёды аднастайны. Нават уздоўж разгорткі ротара кірунак і хуткасць могуць змяняцца. Датчыкі на вяршыні гондолы вымяраюць вецер, на які паўплываў ротар (след ротара), што можа скажаць ацэнкі кірунку ветру. Гэта ўскладняе для кантролера вызначэнне аптымальнага вугла.
Структурныя нагрузкі з-за няправільнага выраўноўвання
Няправільнае выраўноўванне выклікае бакавыя сілы і моманты на вежы і гандоле. Калі рысканне адбываецца з затрымкай або занадта часта, цыклічныя нагрузкі павялічваюцца і могуць паскорыць стомленасць матэрыялу. Такім чынам, кантроль рыскання — гэта не проста «як мага хутчэй супрацьстаяць ветру», а хутчэй кампраміс паміж выпрацоўкай энергіі і нагрузкай.
Знос падшыпніка рыскання, шасцярні і тармазоў
Частыя манеўры павароту па рысканні павялічваюць знос. Пыл, вільгаць і якасць змазкі таксама ўплываюць на тэрмін службы падшыпнікаў. Сістэмы кіравання звычайна арыентаваны на разумную колькасць манеўраў павароту па рысканні ў дзень.
Праблемы з кабелем і абмежаванні павароту
Калі турбіна не выкарыстоўвае поўныя кантактныя кольцы або мае пэўную мяжу, кантролер павінен раскручваць трос пасля некалькіх сукупных абаротаў, каб прадухіліць яго скручванне.
Памылкі датчыкаў і лішак
Флюгеры могуць закліноўваць, анемометры могуць забруджвацца, а паказанні могуць змяняцца з-за абледзянення. Сучасныя турбіны часта выкарыстоўваюць дыягностыку, рэзерваванне датчыкаў або ацэнку на аснове мадэлі для падтрымання бяспечнай працы.
Рэжымы працы па рысканні: нармальны, паркоўка і абарона
1. Звычайны рэжым
Турбіна выпрацоўвае магутнасць, а рысканне ўтрымлівае няправільнае выраўноўванне ў пэўных межах.
2. Рэжым паркоўкі (стоп/стаянне)
Калі турбіна не працуе для тэхнічнага абслугоўвання або пры моцным ветры, для зніжэння нагрузкі можна выкарыстоўваць стратэгіі арыентацыі. Некаторыя турбіны размяшчаюцца так, каб лапаткі і гондола былі звернуты да ветру, а іншыя — так, каб мінімізаваць вібрацыю.
3. Аварыйны / ахоўны рэжым
Калі сістэма выяўляе паломку пры рысканні, высокую тэмпературу рухавіка, няспраўныя тармазы або несапраўдныя датчыкі, рысканне можа быць адключана, і турбіна спыняе працу, каб прадухіліць пашкоджанне.
Сучасныя распрацоўкі: LIDAR, прагназуемае кіраванне і кіраванне на ўзроўні фермы
Тэхналогія LIDAR, усталяваная ў гандолах, дазваляе турбінам вымяраць профіль ветру перад ротарам. Дзякуючы гэтай інфармацыі кіраванне рысканнем можа быць больш прагнастычным, што памяншае затрымкі карэкцыі і патэнцыйна зніжае нагрузку. Акрамя таго, у кантэксце ветраных электрастанцый арыентацыя турбіны таксама ўплывае на след, што можа знізіць выпрацоўку турбін за ёй. Даследаванні ў галіне кіравання на ўзроўні ферм вывучаюць магчымасць наўмыснага нахілу рыскання (кіраванне следам) для перанакіравання следу, тым самым павялічваючы агульную выпрацоўку электраэнергіі, нават калі асобныя турбіны могуць адчуваць невялікае зніжэнне магутнасці.
Выснова
Сістэма кіравання ветравой турбінай для арыентацыі ротара з'яўляецца найважнейшым элементам, які злучае вымярэнні кірунку ветру, алгарытмы прыняцця рашэнняў і механічныя прывады для павароту гандолы. Канчатковая мэта — падтрымліваць ротар выраўнаваны з ветрам для максімальнай выпрацоўкі энергіі, абмяжоўваючы пры гэтым структурныя нагрузкі і знос кампанентаў. Такія праблемы, як турбулентнасць, абмежаванні датчыкаў і праблемы з механічнай надзейнасцю, азначаюць, што канструкцыя кіравання рысканнем пастаянна патрабуе стараннага кампрамісу. Зазіраючы ў будучыню, інтэграцыя перадавых датчыкаў, такіх як LIDAR, і стратэгій кіравання на ўзроўні фермы адкрывае магчымасці для большай аптымізацыі як з пункту гледжання энергіі, так і тэрміну службы абсталявання.
Калі жадаеце, я магу адаптаваць гэты артыкул, каб ён быў больш тэхнічным (напрыклад, дадаць блок-схему кіравання, формулу для ўплыву няроўнасці рыскання на магутнасць або прыклад алгарытму ПІД/лагічнай зоны неўспрымальнасці), або пераарыентаваць яго на шырокую аўдыторыю больш простай мовай.
