Stýrikerfi vindmyllu fyrir stefnu snúnings
Nútíma vindmyllur eru hannaðar til að vinna eins mikla orku og mögulegt er úr vindum sem eru stöðugt að breyta um stefnu og hraða. Til að vera skilvirkar verður snúningshluti vindmyllunnar - blöðin og miðhlutinn - að vera nákvæmlega í takt við vindinn. Ferlið við að tryggja að snúningshlutinn sé alltaf í takt við vindáttina er þekkt sem stýring á snúningshluta, eða almennt, kippstýring. Þessi grein fjallar um hugtök, íhluti, stjórnunaraðferðir og helstu áskoranir í stjórnkerfum vindmyllu fyrir snúningshluta.
Af hverju skiptir stefnumörkun snúningshlutans máli?
Orkan sem vindmyllan getur nýtt sér er verulega háð horninu á milli vindáttar og sveifluplans snúningsvélarinnar. Þegar snúningsvélin snýr ekki að vindinum (gígjuskekkja) er orkan sem flæðir í gegnum snúningsflötinn ekki nýtt sem best. Lítil skekkja getur dregið úr afli, en stór skekkja getur leitt til aukinnar álags á blöð, vélknúna vélarhólk og turn. Með öðrum orðum snýst stefna snúningsvélarinnar ekki bara um skilvirkni, heldur einnig líftíma íhluta.
Í meginatriðum þurfa láréttása vindmyllur (HAWT) sveiflukerfi til að snúa nacellunni þannig að snúningshlutinn vísi upp í vindinn. Þetta er frábrugðið lóðréttása vindmyllum (VAWT), sem rúmfræðilega þurfa ekki sveiflukerfi til að fanga vind úr ýmsum áttum. Hins vegar eru HAWT-vélar ráðandi í veituiðnaði vegna mikillar skilvirkni þeirra.
Grunnhugmyndin um giringu: að beina nacellunni, ekki snúningshjólunum sérstaklega
Í HAWT-túrbínu eru snúningsblöðin fest á miðhluta fyrir framan vélarhólkinn. Vindátt er stjórnað með því að snúa allri vélhólknum (sem ber snúningshlutann og drifbúnaðinn) efst á turninum. Þessi snúningur er framkvæmdur með legulegum sem leyfa hlutfallslega hreyfingu milli vélhólksins og turnsins. Geislunarkerfið stýrir vélhólknum þannig að ás snúningshlutans sé í takt við meðalvindáttina á miðhlutanum.
Mikilvægt er að hafa í huga að vindátt er ókyrr og breytist hratt, þannig að sveiflustýring greinir yfirleitt ekki allar minnstu sveiflur. Kerfið er hannað til að leiðrétta meðalvindátt yfir tímabil til að koma í veg fyrir óhóflega sveiflu í sveiflu, sem getur flýtt fyrir sliti á stýribúnaði og orkunotkun.
Helstu íhlutir stjórnkerfis stefnu snúningshlutans
1. Vindáttarskynjari (vindsproti) og vindhraði (vindmælir)
Vindvögnin er yfirleitt fest fyrir ofan vélina og áætlar vindátt miðað við vélina, en vindmælirinn mælir vindhraða. Í nútíma túrbínum er einnig hægt að bæta við gögnum með öðrum skynjurum, svo sem LIDAR (Light Detection and Ranging), til að „sjá“ vindinn áður en hann nær snúningshlutanum.
2. Göngustýring
Þetta er sá hluti stýrikerfisins fyrir túrbínu (PLC/iðnaðarstýring) sem ákveður hvenær og hversu langt snúningi á að snúa nacellunni. Stýringin notar rökfræði og breytur eins og skekkjumörk, dauðband, vindhraða og girðingarhraðamörk.
3. Gírdrif og gírmótor
Rafmótor (stundum nokkrar einingar) knýr gír sem hefur samskipti við hringgír á girðingarlegu. Þar sem hjólnaskálin er stór og þung þarf hún mikið tog; margir mótorar eru oft notaðir til að deila álaginu.
4. Göngulegur
Stórir hringlegur bera ás- og radíalálag en leyfa snúning. Smurning, boltaþéttleiki og slit eru mikilvæg atriði fyrir langtímanotkun.
5. Gírbremsa (gírbremsa)
Vélrænar/vökvabremsur koma í veg fyrir að nacellan snúist vegna loftaflfræðilegs togs þegar engin girðingarskipun er til staðar og stöðuga nacelluna meðan á notkun stendur.
6. Rennihringur og kapalkerfi
Þar sem vélarhúsnæði snýst er nauðsynlegt að hafa kapalstýringu til að koma í veg fyrir flækju. Rennihringir leyfa orku- og merkjasendingu á meðan vélarhúsnæði snýst, en sumar gerðir hafa takmörk á uppsöfnuðum snúningshornum til að koma í veg fyrir að kaplarnir flækist.
7. Göngstöðuskynjari (kóðari / upplausnari)
Veitir nákvæmar upplýsingar um horn nacelle miðað við turnviðmiðun fyrir nákvæma stjórnun, gagnaskráningu og vernd.
Stjórnunarstefna: hvenær ætti túrbínan að sveiflast?
Göngustýringarkerfi nota almennt nokkrar meginreglur:
1. Dauðasvæði (dauðband)
Ef skekkjan er enn lítil, gerir stjórntækið engar leiðréttingar. Þetta er mikilvægt til að forðast fram-og-tilbaka hreyfingar vegna ókyrrðar. Til dæmis gæti túrbína aðeins sveiflast ef skekkjan fer yfir ±10° í nokkrar sekúndur eða mínútur, allt eftir hönnun.
2. Tímasía og merkjastaðfesting
Vindáttargögn eru oft síuð með hreyfanlegu meðaltali eða lágtíðnisíu. Að auki framkvæmir stýringin staðfestingu: ef vindspípuskynjari er bilaður er hægt að takmarka sveifluna eða skipta yfir í örugga stillingu.
3. Rökfræði byggð á vindhraða
Við lágan vindhraða getur ávinningurinn af sveifluhreyfingunni verið lítill, sem gerir kerfinu kleift að bíða lengur. Við ákveðna hraða nálægt nafnhraða verður stefnan mikilvægari til að hámarka framleiðslu. Aftur á móti, í mjög sterkum vindi eða þegar túrbínan er kyrrstæð, getur sveifluhreyfingin breyst til að draga úr álagi.
4. Hraðatakmarkanir á beygju og halla
Ekki ætti að snúa hjólbarðanum of hratt, þar sem það getur skapað kraftmikla álag og aukið slit á gírum og legum. Stýringin takmarkar venjulega sveifluhraðann (t.d. gráður á sekúndu) og beitir mjúkri hröðun/hraðaminnkun.
5. Tog-/orkubundin stjórnun
Sumar háþróaðar hönnunaraðferðir taka tillit til kostnaðar við orkuframleiðslu mótorsins samanborið við aukna orkuframleiðslu. Þetta á sérstaklega við um stórar túrbínur og staði með mikla ókyrrð.
Tæknilegar áskoranir í stjórnun á stefnu snúningshluta
Ókyrrð og vindrof
Vindáttin í hæð við snúningsásinn er ekki alltaf eins. Jafnvel meðfram sveiflu snúningsássins geta átt og hraði verið mismunandi. Skynjarar ofan á vélarhúsinu mæla vind sem snúningsásinn hefur haft áhrif á (snúningsása), sem getur skekkt mat á vindátt. Þetta gerir það erfitt fyrir stjórnandann að ákvarða bestu vindhornið.
Burðarálag vegna rangstöðu
Skekkjustilling veldur hliðarkröftum og -mótum á turninum og vélarhúsinu. Ef sveiflur eru seinkaðar eða of tíðar aukast lotubundin álag og geta aukið efnisþreytu. Þess vegna snýst sveiflustjórnun ekki einfaldlega um að „snúa sér í vindinn eins hratt og mögulegt er“ heldur frekar málamiðlun milli orkuframleiðslu og álags.
Slit á girlagerum, gírum og bremsum
Tíðar sveiflur auka slit. Ryk, raki og smurgæði hafa einnig áhrif á endingartíma leganna. Stjórnkerfi miða venjulega á hæfilegan fjölda sveiflna á dag.
Vandamál með kapalinn og snúningsmörk
Ef túrbínan notar ekki fulla rennihringi eða hefur ákveðin takmörk þarf stjórntækið að snúa sér af eftir nokkrar samanlagðar snúningar til að koma í veg fyrir að kapallinn snúist.
Skynjaravilla og afritun
Vindmyllur geta stíflast, vindmælar geta orðið óhreinir eða ísing getur haft áhrif á mælingar. Nútíma túrbínur nota oft greiningar, skynjaraafritun eða líkanbundna mat til að viðhalda öruggum rekstri.
Gírstillingar: venjuleg, bílastæði og vernd
1. Venjulegur hamur
Túrbínan framleiðir orku og girðingin heldur skekkjunni innan ákveðinna marka.
2. Bílastæðastilling (stöðvun/kyrrstaða)
Þegar túrbína er niðri vegna viðhalds eða mikillar vindáttar er hægt að nota stefnumörkun til að draga úr álagi. Sumar túrbínur eru lagðar þannig að fjaðrablöðin og nacellan snúa að vindinum, en aðrar eru staðsettar til að lágmarka titring.
3. Neyðar- / verndarhamur
Ef kerfið greinir bilun í giringu, hátt hitastig mótorsins, bilaða bremsu eða ógilda skynjara, er hægt að slökkva á giringu og túrbínan stöðvar virkni til að koma í veg fyrir skemmdir.
Nútímaþróun: LIDAR, spástýring og stjórnun á býli
LIDAR-tækni sem er fest á vindmyllur gerir hverflum kleift að mæla vindsniðið fyrir framan vindhvolfið. Með þessum upplýsingum getur sveiflustýring verið spáhæfari, dregið úr leiðréttingartöfum og hugsanlega dregið úr álagi. Ennfremur, í samhengi vindmyllugarða, hefur stefna hverfla einnig áhrif á kjölvindu, sem getur dregið úr framleiðslu hverfla fyrir aftan hana. Rannsóknir á stýringu á býli eru að kanna vísvitandi halla á sveiflu (kjölvindustýringu) til að beina kjölvindu beina og þar með auka heildarframleiðslu býlisins, jafnvel þó að einstakar hverfla geti orðið fyrir lítils háttar minnkun á afli.
Niðurstaða
Stýrikerfi vindmyllu til að meta stefnu snúningsrotorsins er mikilvægur þáttur sem tengir saman mælingar á vindátt, ákvörðunaralgrím og vélræna stýribúnað til að snúa vélarhúsinu. Endanlegt markmið er að halda snúningsrotornum í takt við vindinn til að hámarka orkuframleiðslu og jafnframt takmarka álag á burðarvirki og slit á íhlutum. Áskoranir eins og ókyrrð, takmarkanir skynjara og vandamál með vélrænan áreiðanleika þýða að hönnun á sveiflustýringu krefst stöðugt vandlegra málamiðlana. Horft til framtíðar opnar samþætting háþróaðra skynjara eins og LIDAR og stjórnunaraðferða á býlisstigi tækifæri til meiri hagræðingar, bæði hvað varðar orku og endingu búnaðar.
Ef þú vilt get ég aðlagað þessa grein að tæknilegri hætti (t.d. bætt við stýringarblokkrit, formúlu fyrir áhrif kippunarmisstillingar á afl, eða dæmi um PID/rökfræði dauðbandsreiknirit), eða miðað hana að almennum lesendahópi með einfaldara máli.
