Hvernig hallakerfið stillir horn vindmyllublaðanna
Nútíma vindmyllur reiða sig á meira en bara blað sem snúast í vindi. Að baki þessari einföldu snúningi liggur stjórnkerfi sem er hannað til að hámarka raforkuframleiðslu vélarinnar og tryggja öryggi hennar við breytingar á vindhraða. Einn mikilvægasti þátturinn í stjórnun vindmyllna er hallakerfið, sem stýrir blaðhorninu miðað við vindátt. Með því að breyta blaðhorninu getur vélin fangað meiri orku, takmarkað afl í sterkum vindi og verndað vélina gegn of miklu álagi.
Hvað er skurður og hvers vegna skiptir blaðhornið máli?
Í samhengi vindmyllna vísar halli til snúningshorns blaðanna miðað við snúningsplan snúningshjólsins. Vélblöð virka svipað og flugvélavængir: þegar vindur streymir fram hjá blaðsniði myndast lyftikraftur sem veldur því að snúningshjólið snýst. Hins vegar hefur áfallshornið, sem er hornið milli hlutfallslegs vindstraums og miðlínu blaðsniðisins, mikil áhrif á stærð lyftikraftsins og loftmótstöðunnar. Hallakerfið breytir halla blaðsins til að viðhalda áfallshorninu á sem skilvirkasta stigi.
Ef blaðhornið hallar of mikið miðað við vindinn við mikinn vindhraða getur krafturinn orðið óhóflegur. Þar af leiðandi getur snúið snúningshraðanum of hratt, sem fer fram úr afkastagetu rafstöðvarinnar og valdið of miklu álagi á vélræna íhlutina. Aftur á móti, ef blaðhornið er of „lokað“ í vægum vindi, nýtist tiltæk orka ekki sem best. Þess vegna er hallakerfið lykilatriði til að viðhalda jafnvægi milli skilvirkni og öryggis.
Virknisreglan fyrir tónhæðarkerfið: frá orkuöflun til orkutakmörkunar
Almennt séð er rekstur vindmylla skipt í nokkur vindhraðasvæði:
1. Innsláttarhraði (byrjunarhraði snúnings)
Við lágan vindhraða byrjar túrbínan að snúast og framleiða rafmagn. Hallakerfið stillir blaðhornið til að „bíta“ á skilvirkan hátt í vindinn og mynda nægilegt tog.
2. Svæði undir metnum vindhraða
Þegar vindhraði eykst en helst undir nafnhraða er aðalmarkmið túrbínunnar að hámarka orkuöflun. Hallinn er stilltur þannig að blöðin virki við bestu árásarhorn, sem færir aflstuðulinn (Cp) nálægt hámarksgildi hans. Við þessar aðstæður heldur kerfið venjulega snúningshraða snúningsássins innan ákveðins bils til að tryggja stöðugan rekstur rafstöðvarinnar.
3. Nafnvindhraði (nafnhraði)
Þetta er sá punktur þar sem túrbínan nær hámarksafköstum sínum samkvæmt hönnun. Fyrir ofan þennan punkt má túrbínan ekki halda áfram að auka aflið þar sem rafallinn, gírkassinn (ef einhver er) og vélræna uppbyggingin hafa takmarkanir.
4. Svæði með takmörkun á afli (yfir nafnvirði vindhraða)
Þegar vindhraði fer yfir nafnhraða virkar hallakerfið eins og „loftaflfræðileg bremsa“. Blöðin snúast til að draga úr lyftikrafti og takmarka togkraft, sem heldur afköstunum nálægt nafnvirði. Þannig helst túrbínan örugg í notkun án þess að slökkva á kerfinu.
5. Útsláttarhraði (stöðvunarhraði)
Ef vindurinn er of mikill eða ókyrr, mun túrbínan stöðvast til öryggis. Hringrásarkerfið snýr blöðunum í „fjaðurstöðu“ (samsíða vindinum) til að draga úr loftmótstöðu og síðan læsir bremsukerfið snúningshnútinn.
Helstu þættirnir í tónakerfinu
Kjörgunarkerfið samanstendur af nokkrum þáttum sem vinna saman á samþættan hátt:
– Hallaleg legu
Stór legur við rót blaðsins gerir blaðinu kleift að snúast um ás sinn. Þessi hluti verður að þola mikið álag þar sem blaðið verður fyrir miklum og endurteknum vindkrafti.
– Hallastýri (hallastýri)
Þetta er „vöðvinn“ sem snýr blaðinu. Stýribúnaðurinn getur verið vökvakerfi eða rafkerfi.
– Tónhæðarstýring
Rafeindakerfið og hugbúnaðurinn ákveða hvenær og hversu mikið blaðhornið skuli breytt út frá skynjaragögnum.
– Skynjarar og mælitæki
Inniheldur vindhraðaskynjara (vindmæli), vindátt (vindsprota), snúning snúningshlutans, tog rafalsins, hitastig, titring og aðrar upplýsingar sem styðja við stjórnunarákvarðanir.
– Afritunarauðlindir
Kastakerfi eru yfirleitt með rafhlöðu eða rafgeymi svo hægt sé að snúa blöðunum í örugga stöðu jafnvel þótt aðalrafmagnið sé rofið.
Rafknúin vs. vökvakerfi fyrir halla
1. Rafmagnsvöllur
Í rafkerfum er hver blað yfirleitt með rafmótor (oft servómótor) sem snýr gír eða drifbúnaði á legu. Kostirnir:
– Nákvæmari hornstýring
– Viðhald er yfirleitt auðveldara en vökvakerfi (engin olíuleki)
– Nútímaleg samþætting stjórntækja er einfaldari
Rafkerfi þurfa þó áreiðanlega rafmagnshönnun og vernd gegn öfgakenndum aðstæðum (raka, eldingum, hitastigi).
2. Vökvafræðileg halla
Vökvakerfið notar vökvaþrýsting (olíu) til að hreyfa strokkana sem snúa blöðunum. Kostir:
- Getur framkallað mikla krafta og brugðist hratt við
– Hentar fyrir ákveðnar gerðir sem krefjast mikils togkrafts
Ókostir eru meðal annars flækjustig vökvakerfisins, möguleiki á leka og þörfin fyrir ítarlegra viðhald.
Hvernig tekur tónhæðarstjórnun ákvarðanir?
Hallinn breytist ekki af handahófi. Stýringin starfar út frá rekstrarmarkmiðum túrbínunnar, sem fela almennt í sér tvo hluti: að viðhalda snúningshraða snúningshlutans og viðhalda afli rafstöðvarinnar.
– Undir nafnafli: stjórnun beinist að skilvirkni. Blaðhornið er stillt til að leyfa snúningshlutanum að ná hámarks togi án þess að gera kerfið óstöðugt.
– Yfir áætluðu afli: stjórnun beinist að því að takmarka. Blaðhornið er smám saman „opnað“ til að draga úr loftmótstöðu, sem heldur snúningi og afli stöðugum.
Stýrikerfið notar stýrireiknirit eins og PID (Proportional-Integral-Derivative) eða flóknari aðferðir (t.d. aðlögunarstýringu). Kerfið tekur einnig tillit til ókyrrðar og vindhviða. Í vindhviðum er hægt að leiðrétta halla fljótt til að koma í veg fyrir að hámarksálag skemmi íhluti.
Tjald sem öryggiskerfi (bilunaröryggi)
Auk orkunýtingar er halli mikilvægur þáttur í öryggiskerfinu. Þegar óeðlilegar aðstæður koma upp — eins og ofhraði, of mikill hiti í rafstöð, bilun í raforkukerfi eða mikill titringur — getur túrbínan farið í stöðvunarham. Í þessum ham eru blöðin snúið í fjaðurstöðu, stöðu sem lágmarkar vindkraft á blöðin. Þegar blöðin eru „samsíða“ vindstraumnum missir snúningshlutinn tog og hægir á sér. Að því loknu er hægt að beita vélrænni hemlun til að stöðva snúninginn alveg.
Þar sem halli gegnir hlutverki við lokun eru kerfi yfirleitt hönnuð til að vera afritunarlaus: með tveimur skynjurum, varastýrileiðum og neyðaraflgjöfum. Þetta tryggir að hægt sé að snúa blöðunum í örugga stöðu jafnvel þótt kerfisbilun eigi sér stað.
Áhrif hallakerfis á afköst túrbína
Góð stilling á vellinum býður upp á raunverulegan ávinning:
1. Aukin orkuframleiðsla
Með því að halda blöðunum í réttum halla í hóflegum vindi getur túrbínan framleitt meiri orku allt árið um kring.
2. Minnkun á burðarálagi
Halli dregur úr hámarksálagi í miklum vindi. Þetta lengir líftíma blaðanna, nafsins, gírkassans og turnsins.
3. Stöðugleiki rafstöðvarrekstrar
Að halda afli á nafnvirði kemur í veg fyrir spennubylgjur sem geta skemmt rafmagnsíhluti og bætir gæði framleiðslunnar.
4. Að draga úr hættu á bilun
Bilunaröryggisstilling með fjaðrirun hjálpar til við að koma í veg fyrir ofhraða sem getur verið banvæn.
Lokun
Hallakerfið er „loftafræðilegt stýri“ nútíma vindmyllna. Með því að stilla virkan blaðhornið aðlagast túrbínan breytingum á vindhraða, hámarkar orkuframleiðslu þegar aðstæður eru hagstæðar og takmarkar eða stöðvast örugglega þegar vindar verða of sterkir. Samsetning legukerfa, stýribúnaðar (rafknúinna eða vökvastýrðra), nákvæmra skynjara og nákvæmra stjórnunarreiknirita gerir halla að einni af lykiltækni sem gerir vindmyllum kleift að starfa skilvirkt, stöðugt og endingargott í breytilegu umhverfi.
Ef þú vilt get ég líka bætt við myndskreytingum af hugtakinu hallahorn, dæmum um rekstrartilvik (undir og yfir nafnvirði vindhraða) eða sett saman tæknilegri útgáfu af greininni með formúlum fyrir aflstuðul og áfallshorn.
