Tuuleturbiini rootori jõudlus erinevates tuuleoludes
Tuuleturbiinid muudavad tuule kineetilise energia elektrienergiaks rootori (labad ja rumm) kaudu, mis pöörleb generaatori võlli. Rootori jõudlus ei ole aga kunagi "fikseeritud"; seda mõjutavad suuresti tuuleolud, mis ajas muutuvad. Tuule kiirus, turbulents, tuule suund, õhutihedus ja isegi äärmuslikud nähtused, nagu puhangud ja vertikaalne nihe, määravad, kui tõhusalt rootor energiat kogub, kui palju mehaanilist koormust see tekitab ja kui stabiilne on väljundvõimsus. See artikkel käsitleb, kuidas tuuleturbiini rootorid erinevates tuuleoludes toimivad, koos efektiivsuse ja töökindluse säilitamiseks kasutatavate konstruktsiooni- ja juhtimisaspektidega.
Rootori jõudluse põhitõed: võimsus, pöördemoment ja võimsustegur
Tuuleenergia hulk suureneb koos tuule kiirusega kiiresti. Üldiselt on tuulevoolus sisalduv teoreetiline võimsus võrdeline tuule kiiruse kuubiga (∝ v³). See tähendab, et väike tuulekiiruse suurenemine võib anda palju suurema võimsuspotentsiaali. Seejärel "püüab" rootor osa sellest energiast kinni teatud aerodünaamilise efektiivsusega, mida esindab võimsustegur (Cp). Cp väärtus ei saa ületada Betzi piiri (ligikaudu 59,3%), sest rootor ei saa kogu energiat kinni püüda ilma õhuvoolu peatamata.
Rootori jõudlus sõltub ka labaotsa kiiruse suhtest (TSR), mis on labaotsa kiiruse ja tuule kiiruse suhe. Rootoril on optimaalne TSR, kus laba rünnakunurk tekitab maksimaalse tõstejõu minimaalse takistusega. Kui TSR on liiga madal, kipuvad labad seiskuma, vähendades efektiivsust. Kui TSR on liiga kõrge, suureneb takistus ja koormus, mis vähendab ka efektiivsust ja suurendab müra.
Nõrga tuule tingimused (alla sisselülituspiiri): rootor pole veel efektiivne
Madala tuulekiiruse korral langeb rootor sageli alla sisselülitusläve (tänapäevastes turbiinides tavaliselt umbes 3–4 m/s). Sellistes tingimustes ei ole tuuleenergia piisav mehaaniliste ja elektriliste kadude (laagrite hõõrdumine, rootori inerts, generaatori kaod ja juhtimiskaod) ületamiseks, mistõttu turbiin ei tooda kasulikku netovõimsust. Rootori jõudlusel on ka raskusi optimaalse TSR-i saavutamisega, kuna pöörlemine on ebastabiilne. Mõnes konstruktsioonis hoiavad või vabastavad juhtseadised pidurit, reguleerivad lengerdust või rakendavad käivitusstrateegiat, et vähendada sagedastest sisse- ja väljalülitustest tingitud kulumist.
Nõrga tuule korral on peamiseks väljakutseks käivitusvõime parandamine ja pöörlemise säilitamine ilma liigseid tsüklilisi koormusi tekitamata. Madala Reynoldsi arvuga soodsa aerodünaamilise profiiliga labad koos pehmet käivitamist võimaldava generaatori juhtimissüsteemiga aitavad turbiinil nõrga tuulega piirkondades tõhusamalt töötada.
Mõõdukas tuul (2. piirkond): maksimaalse efektiivsuse saavutamine
Kui tuulekiirus on sisselülituskiirusest kõrgem, kuid siiski nimikiirusest madalam, töötab rootor tavaliselt "2. piirkonnas", faasis, kus juhtimise eesmärk on energia püüdmise maksimeerimine. Sellistel tingimustel reguleerib muudetava kiirusega turbiin rootori kiirust, et hoida TSR optimaalse väärtuse lähedal. Optimaalse TSR-i säilitades saab Cp saavutada oma tipu, võimaldades eraldatud võimsusel v³-ga suureneda.
Selles etapis toodab rootor üldiselt kõige „ökonoomsemat“ võimsust tänu kõrgele efektiivsusele ja suhteliselt kontrollitud konstruktsioonikoormustele. Labade samm on aerodünaamilise tõstejõu optimeerimiseks sageli väikese nurga all (madal samm). Generaatori pöördemomendi juhtimine reguleerib pöörlemiskiirust: mida tugevam on tuul, seda suurem on TSR-i säilitamiseks rakendatav pöördemoment.
Tuule lähedal nimivõimsus (üleminek): piiratud võimsus, koormus suureneb
Kui tuul läheneb nimikiirusele (nt 11–13 m/s, olenevalt konstruktsioonist), siseneb turbiin üleminekufaasi. Kui võimsus jätkab v³ järgimist, ületavad generaator ja elektrisüsteem oma nimivõimsust. Seetõttu muutub juhtimisstrateegia: fookus nihkub „energia maksimeerimiselt“ „võimsuse ja koormuse piiramisele“. Siin muutub sammu reguleerimine ülioluliseks.
Rootorit kallutatakse (laba nurka suurendatakse), et vähendada tõstejõudu ja Cp-d, hoides väljundvõimsust nimiväärtuse lähedal. Kuigi elektriline võimsus jääb stabiilseks, võivad aerodünaamilised koormused ja väsimus turbulentsi, nihke ja tuule suuna muutuste tõttu suureneda. Liigse vibratsiooni vältimiseks on vaja reageerivat labade konstruktsiooni, koormuse jälgimist ja sammu juhtimise algoritme.
Tugev tuul (3. piirkond): Säilitage nimivõimsus ja ohutus
Nimikiirusest suurema tuule korral on turbiinil erinevad omadused: elektrienergia hoitakse peaaegu konstantsena, samal ajal kui rootor ohverdab aerodünaamilist efektiivsust, et säilitada konstruktsiooni ja generaatori piirangud. Laba samm suureneb sulgjaks (vähendab rünnakunurka), vähendades tõstejõudu. Sellistes tingimustes töötab rootor pigem kontrollitud süsteemina, mis on loodud "ohutuks jäämiseks" kui "maksimaalse võimsuse saavutamiseks".
Rootori koormus ei tulene mitte ainult tuule jõu suurusest, vaid ka kiiretest kõikumistest. Tuuleiilid võivad põhjustada labadele ja tornile pöördemomendi järske tõuse ja paindemomente. Seetõttu on paljudel tänapäevastel turbiinidel sellised funktsioonid nagu kiire sammu reguleerimine, ülekiiruse kaitsesüsteemid ja andurid äärmuslike koormuste tuvastamiseks.
Turbulents ja tuuleiilid: efektiivsus langeb, väsimus suureneb
Kaks sama keskmise tuulekiirusega töötavat turbiini võivad töötada erinevalt, kui turbulentsi tasemed erinevad. Turbulents muudab tuule langemisnurka, põhjustades laba rünnakunurga kõikumist, mis raskendab optimaalse Cp säilitamist. Selle tulemusena võib energiatootmine väheneda, samas kui väsimuskoormused suurenevad sagedasemate laadimistsüklite tõttu.
Iilid (lühikesed, kiired tuuleiilid) on äärmuslikumad: need võivad põhjustada järsku jõu suurenemist, vallandada äkilisi sammumuutusi ning suurendada labade juurte ja jõuülekande väsimusohtu. Kaasaegsed juhtimissüsteemid kasutavad sageli "koormuse leevendamise" lähenemisviisi, näiteks individuaalset sammu juhtimist (IPC), mis reguleerib iga laba sammu, et vähendada asümmeetrilist koormust suure turbulentsi ajal.
Tuule suuna muutused ja kurvi kõrvalekalle
Rootor töötab kõige efektiivsemalt otse tuule poole pööratuna. Kui tekib suunamuutus (nurk tuule suuna ja rootori telje vahel), väheneb efektiivne pühkimispind ja labade kohal olev vool muutub ebaühtlaseks. Tulemuseks on võimsuse vähenemine ja koormuse suurenemine, eriti gondli ja torni külgkoormused. Suunamisjuhtimissüsteem pöörab gondlit, et hoida rootor tuule suuna suhtes "lukustatud", kuid liiga agressiivne suunamuutus võib põhjustada ka kulumist ja lisakoormusi. Seetõttu on suunamuutusjuhtimisel tavaliselt surnud tsoon (tolerantsitsoon), et vältida selle pidevat liikumist väikeste kõikumistega.
Tuule nihe ja vertikaalne profiil: asümmeetrilised koormused labadele
Tuule nihe on tuule kiiruse muutus kõrgusega. Suure läbimõõduga rootoritel võib rootori ülemine osa kogeda tugevamat tuult kui alumine osa. See loob asümmeetrilise jõujaotuse kogu laba pöörlemise jooksul, põhjustades tsüklilisi koormusi labadele, rummule ja tornile. Nihe mõjutab ka juhtimisstrateegiaid: tugeva nihke korral peab sammu ja pöördemomendi juhtimine arvestama korduva koormusega, et vältida materjali kiirenenud väsimust.
Pinna lähedal asuvates piirkondades (kaldal) on nihkejõud pinnahõõrdumise ja takistuste, näiteks puude või hoonete tõttu tavaliselt tugevam. Seevastu avamerel on vool üldiselt sujuvam ja nihkejõud väiksem, mis võimaldab rootoril töötada stabiilsemalt ja toota energiat järjepidevamalt.
Õhutihedus, temperatuur ja kõrgus merepinnast: tuuleenergia pole sama asi
Lisaks kiirusele mõjutab saadaolevat võimsust ka õhutihedus (ρ). Külmal, kõrgrõhuõhul on suurem tihedus, mis võimaldab rootoril sama tuulekiiruse juures toota rohkem võimsust. Seevastu kõrgematel kõrgustel, kus õhk on hõredam, efektiivne tuulevõimsus väheneb. See on oluline turbiini asukoha planeerimisel ja võimsuskõvera kalibreerimisel. Operaatorid peavad arvestama ka sellega, et temperatuuri ja rõhu hooajalised kõikumised võivad muuta energiatootmist isegi siis, kui tuulekiiruse statistika tundub järjepidev.
Äärmuslikud tingimused ja väljalülitused: ülim kaitse
Kui tuule kiirus saavutab väljalülitusväärtuse (sageli umbes 20–25 m/s), lülitatakse turbiin kahjustuste vältimiseks tavaliselt välja. Äärmuslikes tingimustes võivad aerodünaamilised koormused ületada projekteeritud väärtusi, suurendades rikkeohtu. Seiskamisprotseduur hõlmab labade kallutamist sulgeasendisse, rootori pidurdamist ja suunatelje lukustamist. Kui tuule kiirus on vaibunud ja stabiliseerunud, saab turbiini ohutusprotseduure järgides taaskäivitada.
Sulgemine
Tuuleturbiini rootori jõudlus on keeruka vastastikmõju tulemus labade aerodünaamika, kiiruse ja sammu juhtimise ning asukoha tuulekarakteristikute vahel. Nõrga tuule korral on peamiseks väljakutseks pöörlemise käivitamine ja säilitamine; mõõduka tuule korral töötab rootor kõige tõhusamalt optimaalse TSR-iga; nimikiiruse lähedal ja sellest kõrgemal nihkub fookus võimsuse piiramisele ja koormuse vähendamisele; samas kui turbulents, tuuleiilid, nihkejõud ja lengerduse joondushäired võivad vähendada efektiivsust, suurendades samal ajal konstruktsiooni väsimuse ohtu. Nõuetekohase labade konstruktsiooni, keeruka juhtimise (samm, pöördemoment, lengerdus ja isegi individuaalne samm) ja hoolika asukohavaliku abil suudab rootor toota maksimaalset energiat, taludes samal ajal mitmesuguseid tuuleolusid kogu turbiini tööea jooksul.
