Hvernig vindmyllur virka til raforkuframleiðslu
Vindmyllur eru ört vaxandi tækni í endurnýjanlegri orku sem getur breytt hreyfiorku vindsins í raforku án þess að þurfa að brenna jarðefnaeldsneyti. Að baki snúningsvænum vindmyllum leynist röð vélrænna og rafmagnskerfa sem vinna nákvæmlega saman. Í hjarta þessa ferlis er vindmylluraflinn, sá íhlutur sem ber ábyrgð á að breyta snúningsorku (vélrænni) í raforku. Þessi grein fjallar um hvernig vindmylluraflinn virkar, helstu íhluti hans og stig raforkuframleiðslu frá vindi til dreifingar til raforkukerfisins.
1. Frá vindi til snúnings: grunnvirkni túrbína
Vindur ber orku í formi hreyfiorku. Þegar vindur fer yfir blöðin skapar lögun spjaldsins lyftikraft og mótstöðu. Þessi samsetning krafta framleiðir tog sem snýr snúningshlutanum. Magn orkunnar sem hægt er að fanga er háð vindhraða, sveifluflatarmáli snúningshlutans (þvermál blaðsins) og loftaflfræðilegri skilvirkni.
Hins vegar er ekki hægt að fanga alla vindorku. Það er til fræðilegt takmörk sem kallast Betz-takmörk, sem segja að hámarksvindorka sem túrbína getur breytt í vélræna orku sé um það bil 59,3%. Þegar vélræna orkan hefur verið tekin upp breytir rafallinn henni í rafmagn.
2. Helstu íhlutir raforkuframleiðslukerfisins í vindmyllu
Áður en farið er að nota rafstöðvar er mikilvægt að skilja þá þætti sem taka þátt í orkubreytingarkeðjunni:
1. Snúningur og hjólnaf: þar sem blöðin eru fest og eru þeir hlutar sem snúast vegna vindsins.
2. Ás: sendir snúning snúningshlutans yfir í næsta kerfi.
3. Gírkassi (valfrjáls): eykur snúningshraða lághraðaássins í hærri hraða fyrir ákveðna rafalstöðvar.
4. Rafall: breytir vélrænni orku í rafmagn.
5. Aflrafeindakerfi: stöðugar spennu og tíðni rafmagns til að vera samhæft við netið.
6. Spennubreytir: eykur spennuna svo hægt sé að dreifa henni á skilvirkan hátt í gegnum kapla.
7. Stjórnkerfi (stýring): stjórnar blaðhorni (halla), stefnu túrbínunnar (sveiflustefnu) og vernd þegar vindur er of mikill.
Í þessari grein er áherslan lögð á rafalstöðvar, en í reynd virka rafalstöðvar ekki einar og sér; þær reiða sig á stýringar og rafeindabúnað til að tryggja að rafmagnið sem þær framleiða sé af viðeigandi gæðum.
3. Grunnregla rafalsins: rafsegulfræðileg örvun
Vindmyllur virka samkvæmt lögmáli Faradays um rafsegulfræðilega innleiðingu. Meginreglan er einföld:
– Ef leiðarinn (spóla kapals) er í breytilegu segulsviði myndast rafspenna.
– Breytingar á segulsviðinu er hægt að skapa með því að snúa seglinum á móti spólunni eða með því að snúa spólunni í segulsviðinu.
Inni í rafallinum eru tveir meginhlutar:
– Snúningshluti: snúningshlutinn (getur verið varanlegur segull eða rafsegul).
– Stator: kyrrstæður hluti sem hefur spólur þar sem spenna er örvuð.
Þegar snúningsrotorinn snýst „sker“ segulsvið hans á statorspólurnar og framleiðir riðstraum (AC). Snúningshraði og hönnun rafallsins ákvarða spennu, tíðni og afköst.
4. Tegundir rafstöðva í vindmyllum
Það eru nokkrar gerðir af rafstöðvum í algengri notkun, hver með mismunandi eiginleika og kröfur um stjórnkerfi.
a. Rafall (ósamstilltur rafall)
Rafallar eru mikið notaðir í vindmyllum á fyrstu stigum og sumum nútímaforritum. Kostir þeirra eru meðal annars:
– Tiltölulega einföld og sterk smíði
- Viðhald er yfirleitt auðveldara
– Hentar fyrir ákveðin nettengd kerfi
Hins vegar þurfa rafstöðvar með rafmagni oft ávirka orku frá raforkukerfinu eða þétti til að mynda segulsviðið. Þar að auki getur hraðastýring verið takmarkaðri án stuðnings rafeindabúnaðar.
b. Samstilltur rafall (samstilltur rafall)
Samstilltar rafalar framleiða rafmagn á tíðni sem tengist beint snúningshraða snúningshlutans. Það eru tvær algengar útgáfur:
– Samstillt við rafsegul: snúningsásinn býr til segulsvið með örvunarstraumi.
– Samstilltur rafall með varanlegum segli (PMSG): snúningshlutinn notar varanlegan segul.
PMSG-vélar eru vinsælar í nútíma túrbínum vegna mikillar skilvirkni þeirra og skorts á örvunarstraumi í snúningshlutanum. Túrbínum með PMSG-vélum er oft blandað saman við fullskala breyti til að gera þeim kleift að starfa við fjölbreytt vindhraðasvið.
c. DFIG (tvífóðraður rafall)
DFIG hefur verið mjög algengt í stórum vindmyllum í mörg ár. Einkenni þess eru:
– Rotorinn er tengdur við hlutakvarðabreyti
– Leyfir breytilegan hraða með lægri kostnaði við breytir en fullur breytir.
– Hægt er að stjórna gæðum raforkukerfisins betur
DFIG býður upp á aðlaðandi málamiðlun milli skilvirkni, kostnaðar og sveigjanleika í rekstri, þó að kerfið sé flóknara og innihaldi íhluti eins og rennihringi sem þarfnast viðhalds.
5. Gírkassi vs. bein drif: vélræna leiðin að rafalnum
Hægt er að greina á milli vindmyllna með því að nota gírkassa:
Túrbína með gírkassa
Snúningshraði túrbína snýst yfirleitt tiltölulega hægt (t.d. 10–20 snúningar á mínútu fyrir stórar túrbínur). Margar rafstöðvar starfa skilvirkari við hærri snúninga. Gírkassinn eykur snúninginn til að passa við þarfir rafstöðvarinnar. Kosturinn við þetta kerfi er að rafstöðin getur verið minni fyrir sömu afköst, en gírkassinn bætir við:
– Vélrænt tap
– Hávaði
– Möguleiki á tíðari viðhaldi
Beindrifin túrbína (án gírkassa)
Beinvirka drifkerfið tengir snúningshlutann beint við stóran rafal sem er hannaður fyrir lágan snúningshraða. Kostir þess:
– Færri hreyfanlegir hlutar
– Minni viðhaldsmöguleikar
– Betri vélræn skilvirkni
Hins vegar eru beintengdir rafalar yfirleitt stærri og þyngri og þurfa venjulega fullan aflbreyti.
6. Frá „hrárri“ rafmagni til tilbúinnar raforku: hlutverk rafeindabúnaðar
Rafmagnið sem rafstöð framleiðir er ekki alltaf í samræmi við staðla raforkukerfisins, sem krefjast stöðugrar spennu og tíðni (til dæmis 50 Hz í Indónesíu). Vegna þess að vindhraði sveiflast breytist snúningur túrbína einnig, sem getur einnig breytt tíðni rafmagns rafstöðvarinnar.
Þetta er þar sem rafeindatækni kemur inn í myndina. Breytikerfi (leiðréttingar-inverter) getur:
– Breytir riðstraumi frá rafal í jafnstraum (leiðriðil)
– Stöðgar jafnspennu á jafnspennutengingu
– Breytir aftur í riðstraum með stýrðri tíðni og spennu (inverter)
– Stýrir aflstuðlinum og styður við stöðugleika netsins
Með rafeindabúnaði getur túrbínan starfað á breytilegum hraða, sem nýtir vindorku á sem bestan hátt og dregur úr vélrænum álagi þegar skyndilegar vindbreytingar eiga sér stað.
7. Stýring á túrbínum: viðhalda skilvirkni og öryggi
Vindmyllur virka best þegar þær eru í gangi við réttar aðstæður. Mikilvægar stjórntæki eru meðal annars:
– Gírstýring: snýr nacelle þannig að snúningshlutinn snúi í vindáttina.
– Hallastýring: að breyta halla blaðsins til að stjórna togkrafti og afli. Þegar vindurinn er of mikill getur hallinn „sóað“ orku til að koma í veg fyrir að túrbínan ofhlaðist.
– Hemlakerfi: loftaflfræðilegar hemlar (velgiskrúfur) og/eða vélrænar hemlar í neyðartilvikum eða viðhaldsaðstæðum.
– Rafmagnsvörn: greinir óeðlilegan straum/spennu, skammhlaup eða truflanir í netkerfinu.
Ef vindhraðinn er of lágur (undir upphafshraða) mun túrbínan ekki framleiða rafmagn. Ef hann er of mikill (yfir upphafshraða) mun túrbínan venjulega stöðvast af öryggisástæðum.
8. Stutt flæði raforkuframleiðslu frá vindmyllum
Í stuttu máli má lýsa ferlinu á eftirfarandi hátt:
1. Vindur streymir framhjá spaðinum → snúningsásinn snýst
2. Snúningurinn er fluttur í gegnum ásinn (og gírkassa ef einhver er)
3. Rafstöðvarsnúningurinn snýst á móti statornum → Riðspenna myndast
4. Aflrafmagnskerfi sjá til þess að rafmagn sé stöðugt og í samræmi við staðla raforkukerfisins.
5. Spennubreytir eykur spennuna
6. Rafmagn er veitt raforkukerfinu eða geymslukerfum (t.d. rafhlöðum) í ákveðnum tilfellum.
Niðurstaða
Vindmylluframleiðsla er hjarta raforkuframleiðslukerfisins og breytir vélrænni hreyfingu í raforku með rafsegulfræðilegri örvun. Hins vegar er árangursrík vindorkuframleiðsla ekki aðeins háð rafalnum heldur einnig af öllu vistkerfi íhluta: skilvirkum snúningshluta, vélrænni gírkassa (gírkassa eða bein drifi), sveiflu- og hallastýrikerfum og aflrafmagnsrafeindabúnaði sem tryggir að gæði raforkunnar uppfylli kröfur raforkukerfisins. Með réttri hönnun geta vindmyllur framleitt hreina, sjálfbæra raforku og eru sífellt samkeppnishæfari sem framtíðarorkulausn.
Ef þú vilt get ég bætt við myndskreytingu af vinnuflæði (einfalt skýringarmynd) eða rætt samanburð á skilvirkni og kostnaði milli DFIG, PMSG, gírkassa og beins drifs nánar.
