Tuuleturbiini gondel ja selle komponendid
Kaasaegsetes tuuleturbiinisüsteemides on gondel torni ülaosas, otse rootori (laba) taga asuv „mootori korpus“. Kuigi torn toimib tugikonstruktsioonina ja rootor kogub tuuleenergiat, on gondel energia muundamise keskus: see on koht, kus rootori pöörlemisest tulenev mehaaniline energia muundatakse elektrienergiaks, mida juhitakse, jälgitakse ja hooldatakse, et tagada ohutu töö igasugustes ilmastikutingimustes. Oma olulise rolli tõttu peab gondli konstruktsioon arvestama efektiivsuse, vastupidavuse, hoolduse lihtsuse ja ohutusega.
Välimuselt meenutab gondel piklikku kasti või kapslit, mis kaitseb sisemisi komponente vihma, tolmu, korrosiooni ja temperatuurikõikumiste eest. See mahutab rea ülekandesüsteeme, generaatoreid, juhtimissüsteeme, jahutus-, määrimis- ja ohutusseadmeid. See artikkel käsitleb gondli funktsiooni ja põhikomponente, sealhulgas seda, kuidas iga osa tervikuna töötab.
Gondoli peamine ülesanne
Gondoli funktsiooni saab kokku võtta neljaks peamiseks valdkonnaks. Esiteks kaitseb see komponente väliskeskkonna eest – tugevad tuuled, soolane vesi (avamere turbiinidel) ja tolmuosakesed, mis võivad töötlemata jätmise korral kulumist kiirendada. Teiseks toetab ja joondab see mehaanilisi komponente, nagu võllid, käigukastid ja generaatorid, et tagada õige joondus ja minimeerida vibratsiooni. Kolmandaks integreerib see juhtimis- ja ohutussüsteeme, alates tuuleanduritest kuni avariipidurdusmehhanismideni. Neljandaks lihtsustab see kasutamist ja hooldust, kuna peamised komponendid asuvad ühes piiratud juurdepääsuga tööruumis (teenindusuksed, sisemised kraanad, kontrollteed).
Gondoli kate ja alusplaadi struktuur
Gondoli kõige nähtavam osa on gondli kate (või korpus). See on tavaliselt valmistatud komposiitmaterjalidest või kergmetallidest, mis on tugevad, korrosioonikindlad ja aerodünaamilised. See kate ei täida mitte ainult esteetilisi eesmärke, vaid vähendab ka ilmastiku mõju ja aitab suunata õhuvoolu, et vältida liigset turbulentsi.
Sees on alusplaat – raam või „konstruktsiooniline põrand”, mis toimib vundamendina raskete komponentide, näiteks käigukasti ja generaatori, kinnitamiseks. Alusplaat peab olema äärmiselt jäik, et vähendada läbipaindet ja säilitada komponentide joondus, kuna isegi väike joondusviga võib põhjustada suurenenud vibratsiooni, ülekuumenemist ja laagrite rikkeid.
Rootori rumm, peavõll ja pealaagrid
Tuuleenergia püütakse kinni labade abil ja see kantakse rootori rummu. Rumm ühendab labad pöörleva süsteemiga ja edastab pöördemomendi peavõllile. Seejärel kannab peavõll mehaanilise energia käigukastile või otse generaatorile, olenevalt turbiini konstruktsioonist.
Peavõlli toetavad pealaagrid. Need laagrid on üliolulised, kuna nad taluvad kombineeritud koormust: aksiaalset koormust (mööda võlli) ja radiaalset koormust (risti võlliga), mis on tingitud tuule tõukejõust ja rootori raskusest. Laagrite ja nende määrimissüsteemi kvaliteet on turbiini tööea jaoks ülioluline, kuna laagrite rike on kulukate seisakute peamine põhjus.
Käigukast (käigukastiga turbiinidel)
Paljud tuuleturbiinid kasutavad käigukaste, et suurendada rootori suhteliselt aeglast pöörlemiskiirust generaatori poolt nõutavale kõrgele kiirusele. Näiteks võib rootor pöörelda kümnete pööret minutis, samas kui generaator on efektiivsem sadade kuni tuhandete pööret minutis (sõltuvalt tüübist).
Käigukastid on keerulised komponendid, mis töötavad muutuva ja kõikuva koormuse all. Seetõttu vajavad käigukastid järgmist:
– Usaldusväärne määrimissüsteem hammasrataste kulumise vältimiseks,
– Jahutussüsteem soojuse eemaldamiseks,
– Õli filtreerimine vedeliku puhtuse säilitamiseks,
– Vibratsiooni jälgimine varajaseks kahjustuste (nt hammaste auklikuks muutumise) avastamiseks.
Mõned tänapäevased turbiinid kasutavad keerukuse vähendamiseks otseülekandega konstruktsiooni (ilma käigukastita), kuid see nõuab tavaliselt suurema läbimõõduga generaatorit ja teistsugust magnetsüsteemi.
Generaator: Teisendab mehaanilise energia elektrienergiaks
Generaator on elektrienergia muundamise süda. Kui võll (otse või käigukasti kaudu) generaatori rootorit pöörlema paneb, toodavad magnetväli ja mähised elektrit. Tuuleturbiinigeneraatorid on erinevat tüüpi, sealhulgas:
– Kahekordse toitega induktsioongeneraator (DFIG) paljudel käigukastiga turbiinidel,
– Püsimagnetiga sünkroongeneraator (PMSG), sageli otseülekandega või kaasaegsete suure efektiivsusega turbiinide peal.
Generaatorid tekitavad soojust, seega vajavad nad jahutust (õhu või vedelikuga) ja temperatuuri jälgimist. Väljundpinge ja -sageduse stabiilsus sõltub lisaks generaatorile ka elektroonilisest energiamuundamise süsteemist.
Toitemuundur ja võimsuse muundamine
Tuulekiiruse kõikudes muutuvad ka rootori pöörlemine ja generaatori elektrilised omadused. Elektrienergia võrku kvaliteetseks tarnimiseks kasutab turbiin võimsusmuundurit (inverter/alaldi ja võimsuselektroonika juhtseade). Muundur reguleerib:
– pinge,
– sagedus,
– võimsustegur,
– ja tagada sünkroniseerimine võrguga.
Mõnes konfiguratsioonis sisaldab gondel ka trafot (eriti teatud konstruktsioonides), kuigi paljudes turbiinides on peatrafo kaalu ja hoolduse hõlbustamiseks paigutatud torni jalamile või mõnele muule platvormile.
Suunasüsteem: Tuule poole
Selleks, et rootor saaks maksimaalset energiat koguda, peab gondel olema tuule poole. Seda ülesannet täidab suunamuutussüsteem, mis koosneb järgmisest:
– suunatelje ajam (suunatelje ajami mootor),
– kaldenurkhammasratas/rõngashammasratas (suur hammasratas),
– kaldenurklaager (suure läbimõõduga kaldenurklaager),
– ja tuuleanduritel põhinev kaldenurga kontroll.
Lengerdussüsteem töötab gondli asendi järkjärgulise reguleerimise teel. Liiga sagedased või agressiivsed liigutused võivad suurendada kulumist. Seetõttu valivad lengerdusjuhtimise algoritmid tavaliselt kompromissi "võimalikult täpse tuule poole pööramise" ja "mehaaniliste koormuste vähendamise" vahel.
Pitch System: laba nurga seadistamine
Rummu sees ja gondlis oleva juhtseadmetega integreeritud asub sammusüsteem, mis reguleerib turbiinilabade nurka. Samm toimib järgmiselt:
– optimeerida energia kogumist keskmise tuulekiiruse korral,
– piirake tugeva tuule korral võimsust, et see ei ületaks nimivõimsust,
– ja hädaolukorras teostada „sulglemist“ (tuule jõu vähendamiseks labade pööramist).
Kaldeajamid võivad olla hüdraulilised või elektrilised. Kaldesüsteemidel on tavaliselt varutoiteallikas (nt aku), mis hoiab labad elektrikatkestuse korral ohutult paigal.
Pidurid (pidurisüsteem) ja ohutus
Tuuleturbiinid vajavad pidurisüsteemi nii töö- kui ka hädaolukordades. Tavaliselt on kaks kihti:
1. Aerodünaamiline pidurdamine pöramise teel (labade pööramine nii, et tuule tugevus väheneb drastiliselt).
2. Mehaanilised pidurid (ketaspidurid) kiiretel telgedel või jõuülekande teatud osadel pöörlemise peatamiseks hoolduse või hädaolukordade ajal.
Lisaks on gondel varustatud mitmesuguste ohutusseadmetega, nagu ülekiiruse andurid, ülekuumenemiskaitse, tulekustutussüsteemid (eriti suurtel turbiinidel) ja automaatsed väljalülitusprotseduurid.
Jahutus- ja ventilatsioonisüsteemid
Komponendid nagu generaator, konverter ja käigukast tekitavad soojust. Seetõttu on gondlil jahutussüsteem, mis koosneb järgmisest:
– soojusvaheti,
– ventilatsiooniventilaator,
– käigukasti õlijahuti,
– või vedelikjahutussüsteem võimsuselektroonikakomponentidele.
Niiskuse reguleerimine on oluline ka kondenseerumise vältimiseks, mis võib kahjustada elektroonikat ja kiirendada korrosiooni.
Määrimine, hüdraulika ja filtreerimine
Mehaaniliste süsteemide pikaajalise töö tagamiseks on gondlil tsentraliseeritud määrimissüsteem – peamiselt käigukasti, laagrite ja muude hõõrdepunktide jaoks. Mõned konstruktsioonid hõlmavad ka hüdraulilisi süsteeme sammu, pidurite või muude ajamite jaoks. Õli filtreerimine on võtmetähtsusega, kuna väikeste osakestega saastumine võib kiirendada hammasrataste ja laagrite kulumist.
Andurid, SCADA ja seisundi jälgimine
Kaasaegsed turbiinid on peaaegu alati varustatud SCADA-ga (supervisory Control and Data Acquisition), et jälgida jõudlust ja juhtida toiminguid kaugjuhtimise teel. Gondoli sisaldab mitmesuguseid andureid, näiteks:
– anemomeeter (tuule kiirus) ja tuulelipp (tuule suund),
– vibratsiooniandurid käigukastil ja generaatoril,
– õli temperatuuri ja rõhu andurid,
– elektrivoolu/pinge andur,
– samuti varajase rikke tuvastamise süsteem (seisundi jälgimine).
Anduritelt saadud andmed aitavad operaatoritel teostada ennetavat hooldust: remonti tehakse enne suuremate kahjustuste tekkimist, vähendades seisakuid ja kulusid.
Hooldusjuurdepääs: sisemine kraana ja kontrollrada
Kõrguse tõttu on hooldustöödeks ligipääs keeruline. Gondolid on sageli varustatud sisemiste kraanade või tõstepunktidega teatud komponentide teisaldamiseks. Kontrolliteed, valgustus, ohutuspaneelid ning kaablite ja torude paigutus on loodud nii, et tehnikud saaksid ohutult ja tõhusalt töötada.
Järeldus
Tuuleturbiini gondel on töökeskus, mis ühendab mehaanilised, elektrilised, juhtimis- ja ohutussüsteemid üheks kaitstud üksuseks. See hõlmab konstruktsiooni alusplaati, peavõlli ja laagreid, käigukasti (reduktorturbiinides), generaatorit, muundurit, kalde- ja sammusüsteeme, pidureid, jahutust, määrimist ja SCADA-ga ühendatud andurite seeriat. Turbiini jõudlust määrab suuresti gondli komponentide töökindlus ja nende integreerimise kvaliteet. Mida paremini on gondel projekteeritud, jälgitud ja hooldatud, seda suurem on tuuliku energiatõhusus, tööohutus ja kasutusiga.
Soovi korral võin teha sellest artiklist versiooni tehnilisemate alapealkirjadega, koos energiavoo diagrammidega (tuul → rootor → jõuülekanne → generaator → muundur → võrk) või keskenduda otseülekande ja käigukasti võrdlustele.
