Hvernig Yaw stjórnkerfi virkar í vindmyllum
Nútíma vindmyllur eru hannaðar til að nýta eins mikla orku og mögulegt er úr breytilegri stefnu og hraða vindstrauma. Til að tryggja að snúningsrotorinn (blaðið) „snúi“ alltaf að vindinum í réttu horni þarf hverfillinn að vera með kerfi sem getur snúið gondólunni (nacelle) í samræmi við breytingar á vindátt. Þetta kerfi kallast „yaw“-stýrikerfi. Einfaldlega sagt er „yaw“ snúningur hverflunnar um lóðréttan ás, þannig að sveifluplan snúningsrotorsins haldist samsíða vindáttinni. Þessi grein fjallar um hvernig „yaw“-stýrikerfið virkar í vindmyllum, helstu íhluti þess, stjórnunaraðferðir, áskoranir og viðhald.
1. Hvers vegna er mikilvægt að stjórna kjálkahreyfingum?
Meginmarkmið sveiflustýringar er að lágmarka sveifluskekkju, sem er munurinn á vindátt og hreyfingarátt snúningshjólsins. Ef snúningshjólið er ekki í réttri stöðu miðað við vindinn „ferst“ hluti af orku vindsins í gegnum snúningshjólið án þess að vera fangað sem best. Áhrifin:
1. Minnkuð afköst. Almennt séð, því meiri sem skekkjan er, því meiri minnkar afköstin.
2. Álag á burðarvirki eykst. Þegar vindur kemur frá hliðinni verða loftfræðilegu kraftarnir ósamhverfir og valda kraftmiklu álagi á blöðin, hjólnafinn, ásinn og turninn.
3. Titringur og hraðað slit. Rangstilling getur aukið titring og hraðað sliti á vélrænum íhlutum.
Með góðri stýringu á girðingunni getur túrbínan viðhaldið skilvirkni sinni og lengt endingartíma hennar.
2. Grunnreglur kjálkakerfisins
Vindmyllur með láréttum ás (HAWT) nota yfirleitt virkt sveiflukerfi, sem snýr vélknúna vélinni virkan með mótor. Ólíkt litlum túrbínum, sem stundum nota hala (spjót) til að „fylgja“ vindinum óvirkt, nota stórar túrbínur næstum alltaf virka sveiflukerfi vegna mikils massa vélknúna vélarinnar og þörfarinnar fyrir nákvæma stjórnun.
Þegar skynjarinn nemur breytingu á vindátt reiknar stýringin (PLC/SCADA stýringin) út hversu mikið túrbínan ætti að snúast. Ef skekkjuhornið fer yfir ákveðið þröskuld virkjar sveigjumótorinn gírana á sveigjulegunni, sem veldur því að nacellan snýst þar til hún er í réttri stöðu.
3. Helstu íhlutir sveiflustýringarkerfisins
a) Vindhraða- og vindáttarskynjari
Fyrir ofan nacelluna eru venjulega:
– Vindrönd til að mæla vindátt miðað við gondollinn.
– Vindmælir til að mæla vindhraða.
Þessi gögn eru aðalinntakið til að ákvarða hvort nauðsynlegt sé að leiðrétta stefnuna.
b) Göngulegur
Geislalegurinn er stór, hringlaga legur sem gerir vélarhúsinu kleift að snúast á turninum. Þessi legur verður að geta þolað samanlagða álagið: þyngd vélarhússins, þrýstihreyfingu snúningshlutans og kraftmikið álag sem orsakast af ókyrrð.
c) Gírdrif og gírmótor
Gírdrif samanstendur venjulega af mörgum rafmótorum (oft fleiri en einum vegna afritunar) sem knýja drifhjól sem tengist hringgír á gírlegu leginu. Mótorarnir geta starfað til skiptis eða samtímis eftir hönnun og togkröfum.
d) Gígbremsa
Auk mótorsins er þar hemlakerfi til að koma í veg fyrir að hjólamótið snúist frjálslega. Gírbremsur eru nauðsynlegar fyrir:
– stöðuga stöðuna þegar túrbínan nær tilætluðum horni,
– koma í veg fyrir samfelldar litlar hreyfingar (kjálkaveiðar),
– að halda nacellunni við ákveðnar vindaðstæður eða þegar túrbínan stöðvast.
e) Túrbínustýring (Stýring)
Stýringin tekur við skynjaramerkjum, beitir stýrirökfræði og sendir síðan skipanir til mótoranna og bremsanna. Stýringin útfærir einnig öryggislæsingar: til dæmis að koma í veg fyrir að hreyfillinn sveifist þegar skynjari bilar, þegar túrbínan er í ákveðnum stillingum eða þegar vindhraði er mikill.
4. Hvernig ákvarðar túrbínan hvenær á að sveigja?
Túrbínur leiðrétta sig ekki alltaf í hvert skipti sem vindurinn breytist lítillega. Ef þær eru of viðkvæmar mun kerfið hreyfast oft og flýta fyrir sliti á mótornum, litla gírkassanum í sveiflustýringunni og sveiflulegunum. Þess vegna notar sveiflustýring almennt hugtökin þröskuld (dauðband) og tímaseinkun.
a) Gönguvilla og dauðband
– Gönguvilla = mæld vindátt – núverandi staðsetning vélarhúss
– Dauðband er vikmörk, til dæmis ±5° til ±15° (mismunandi eftir framleiðendum og stýriaðferðum).
Ef giringarvillan er enn innan dauðsviðsins, velur túrbínan að hreyfast ekki.
b) Tímaseinkun og gagnasíun
Vindátt sveiflast vegna ókyrrðar. Þess vegna eru skynjaragögnin yfirleitt:
– síað með hlaupandi meðaltali,
– metið yfir ákveðið tímabil (t.d. 10–60 sekúndur),
þannig að túrbínan bregðist ekki við augnabliks „hávaða“.
c) Gígjuskrefsstefna
Í stað þess að snúast stöðugt sveiflast túrbínurnar oft í litlum skrefum. Þær snúast nokkrar gráður, stöðvast, endurmeta og halda síðan áfram ef þörf krefur. Þessi aðferð hjálpar til við að draga úr sveiflum og stjórna vélrænum álagi.
5. Vinnuferli gígstýringar í röð
Eftirfarandi er algeng vinnuflæði fyrir stórar túrbínur:
1. Mæling vindáttar. Vindsprotinn mælir vindáttina miðað við gondollinn, vindmælirinn mælir hraðann.
2. Útreikningur á skekkju. Stýringartækið reiknar út sveifluvilluna og athugar hvort hún fari yfir dauðsviðið.
3. Athugun á rekstrarástandi. Kerfið tryggir að túrbínan sé í öruggu snúningsástandi: engar mikilvægar viðvaranir, bremsur tilbúnar, mótorar tiltækir og snúningstakmarkanir á kaplum öruggar (fyrir hönnun með kaplum inni í turninum).
4. Losaðu girbremsurnar (ef þörf krefur). Hægt er að losa bremsurnar til að leyfa vélarhúsinu að hreyfast.
5. Virkjun á sveigjumótor. Mótorinn snýr vélarhúsinu í átt að vindinum. Sveigjuhraðinn er haldinn tiltölulega hægum til að draga úr álagi (t.d. nokkrar gráður á sekúndu).
6. Hemlun og stöðulæsing. Þegar markhornið nálgast stöðvast mótorinn og hemlarnir halda vélarhúsinu kyrrstöðu.
7. Staðfesting. Skynjarinn les aftur til að sjá hvort girðingarvillan hafi minnkað. Ef ekki, endurtekur hringrásin sig.
6. Tengsl sveiflustýringar við halla- og aflstýringu
Göngstýring er ekki einangruð. Í nútíma túrbínum eru þrjár meginstýringar sem bætast upp:
– Hallastýring: breytir horni blaðanna til að stjórna afli og álagi.
– Hraðastýring snúningshluta: stillir snúning snúningshluta (með rafal og breyti).
– Gígjustýring: tryggir að snúningshlutinn snúi að vindinum.
Til dæmis, í mjög sterkum vindi, gæti túrbínan farið í aflstakmörkunarham við ákveðna halla. Við þessar aðstæður gæti sveiflukerfið verið gert íhaldssamara til að forðast aukið álag. Aftur á móti, við venjulegar framleiðsluaðstæður, verður sveiflukerfið virkara til að ná fram skilvirkni.
7. Algengar áskoranir og vandamál í kjálkakerfum
a) Kjálkaveiðar
Þetta gerist þegar túrbínan breytir of oft um sveigjustefnu vegna háværs vindáttarmerkis eða mjög lítils dauðbands. Þetta leiðir til slits á mótor, bremsum og legum.
b) Slit á gír og gírar
Vegna mikils álags og endurtekinna hreyfinga er smurning og skoðun nauðsynleg. Rangstilling gírs, léleg smurning eða innkoma mengunarefna getur hraðað skemmdum.
c) Bilun í skynjara
Ef vindsprotinn er skemmdur eða vindmælirinn gefur rangar mælingar gæti vindmyllan verið að snúa í ranga átt. Margar vindmyllur nota greiningar og afritun til að greina bilaða skynjara.
d) Snúningsmörk snúrunnar
Í sumum hönnunum geta rafmagns- og merkjastrengirnir inni í nacellunni orðið snúnir ef sveigjuhreyfingin er of mikil í eina átt. Þess vegna eru snúningsstjórnunarkerfi, svo sem snúningsskynjari og aðferð til að leysa úr snúningi, til staðar til að endurheimta nacelluna.
8. Umönnun og bestu starfsvenjur
Til þess að girðingarkerfið virki sem best beita rekstraraðilum venjulega:
– Kvörðið vindáttarskynjarann reglulega.
– Bremsu- og mótorprófun: hitastig, straumur og hemlunarviðbrögð.
– Smyrjið girlager og gíra samkvæmt áætlun framleiðanda.
– SCADA gagnagreining: fylgstu með tíðni, lengd og villumynstri kippunar. Breytingar á mynstrum geta bent til vandamála sem byrja á ferðinni.
– Sjónræn skoðun á hringgír, boltum og uppbyggingu vélarhússins.
Niðurstaða
Gírstýringarkerfið er lykillinn að því að halda vindmyllum snúið að vindinum og framleiða orku á skilvirkan hátt, jafnframt því að viðhalda öruggum burðarálagi. Með því að nota vindhraða- og vindáttarskynjara ákvarðar stýringin hvenær skekkjan er nógu stór til að leiðrétta hana, beitir síðan gírstýringunni í gegnum mótorinn og heldur stöðunni með bremsum. Aðferðir eins og dauðband, merkjasíun og gírstig eru notaðar til að vega og meta tvö oft misvísandi markmið: skjót viðbrögð við vindbreytingum og lágmarka slit á íhlutum. Þar sem þau starfa í öfgafullu umhverfi og bera mikið álag þurfa gírstýringarkerfi áreiðanlega hönnun og reglubundið viðhald til að viðhalda bestu mögulegu afköstum hverfla allan líftíma þeirra.
