Роторды бағдарлауға арналған жел турбинасын басқару жүйесі
Қазіргі заманғы жел турбиналары бағыты мен жылдамдығы үнемі өзгеріп отыратын желдерден мүмкіндігінше көп энергия алуға арналған. Тиімді болу үшін турбина роторы - қалақшалар мен центр - желмен дәл туралануы керек. Ротордың әрқашан жел бағытымен туралануын қамтамасыз ету процесі ротордың бағытын басқару немесе көбінесе қисықтықты басқару деп аталады. Бұл мақалада ротордың бағытын басқаруға арналған жел турбиналарын басқару жүйелеріндегі тұжырымдамалар, компоненттер, басқару стратегиялары және негізгі қиындықтар талқыланады.
Ротордың бағыты неліктен маңызды?
Жел турбинасының қуаты жел бағыты мен ротордың сыпыру жазықтығы арасындағы бұрышқа айтарлықтай әсер етеді. Ротор желге қарама-қарсы тұрғанда (иілу қисығының сәйкес келмеуі), ротор жазықтығы арқылы өтетін энергия оңтайлы пайдаланылмайды. Кішігірім қисықтықтар қуатты азайтуы мүмкін, ал үлкен қисықтықтар қалақтарға, гондолаға және мұнараға қосымша құрылымдық жүктемелерге әкелуі мүмкін. Басқаша айтқанда, ротордың бағыты тек тиімділікке ғана емес, сонымен қатар компоненттердің қызмет ету мерзіміне де байланысты.
Негізінде, көлденең осьті жел турбиналары (HAWT) гондолаларды айналдыру үшін ротор желге бағытталғандай етіп бұрау жүйесін қажет етеді. Бұл геометриялық тұрғыдан әртүрлі бағыттан желді ұстап алу үшін бұрау жүйесін қажет етпейтін тік осьті турбиналардан (VAWT) ерекшеленеді. Дегенмен, HAWT жоғары тиімділігіне байланысты коммуналдық салада басым.
Френчтің негізгі тұжырымдамасы: роторларды бөлек емес, гондолаларды бағыттау
HAWT турбинасында ротор қалақтары гондола алдындағы хабқа орнатылады. Желдің бағыты мұнараның жоғарғы жағындағы гондоланың бүкіл бөлігін (ротор мен жетек жүйесін тасымалдайтын) айналдыру арқылы басқарылады. Бұл айналу гондола мен мұнара арасында салыстырмалы қозғалысқа мүмкіндік беретін қисық мойынтіректер арқылы жүзеге асырылады. Қисық жүйесі гондоланы ротор осі хаб орналасқан жердегі орташа жел бағытымен тураланатындай етіп бағыттайды.
Жел бағыты турбулентті және тез өзгеретінін ескеру маңызды, сондықтан қиғаштықты басқару әдетте әрбір шағын ауытқуды байқамайды. Жүйе жетектің тозуын және энергия тұтынуын жеделдетуі мүмкін шамадан тыс қиғаштықты болдырмау үшін белгілі бір уақыт аралығында орташа жел бағытын түзетуге арналған.
Ротордың бағытын басқару жүйесінің негізгі компоненттері
1. Жел бағытының сенсоры (жел қалақшасы) және жел жылдамдығы (анемометр)
Әдетте гондола үстіне орнатылатын жел қалағы желдің бағытын гондоламен салыстырғанда бағалайды, ал анемометр желдің жылдамдығын өлшейді. Қазіргі заманғы турбиналарда деректерді роторға жеткенге дейін желді «көру» үшін LIDAR (жарықты анықтау және қашықтықты өлшеу) сияқты басқа датчиктермен толықтыруға болады.
2. Жау контроллері
Бұл турбинаны басқару жүйесінің (PLC/өнеркәсіптік басқару) бөлігі, ол гондола қашан және қаншалықты айналу керектігін шешеді. Басқарушы логиканы және туралау шегі, өлі жолақ, жел жылдамдығы және айналу жиілігінің шектері сияқты параметрлерді пайдаланады.
3. Тиек жетегі және тиек қозғалтқышы
Электр қозғалтқышы (кейде бірнеше бірлік) иілулі мойынтіректе сақиналы беріліспен әрекеттесетін беріліс қорабын басқарады. Гондоль үлкен және ауыр болғандықтан, оған көп айналу моменті қажет; жүктемені бөлісу үшін көбінесе бірнеше қозғалтқыш қолданылады.
4. Иілу мойынтірегі
Үлкен сақиналы мойынтіректер айналуға мүмкіндік бере отырып, осьтік және радиалды жүктемелерді көтереді. Майлау жағдайлары, болттардың тығыздығы және тозуы ұзақ мерзімді пайдалану үшін маңызды мәселелер болып табылады.
5. Тежегіш (тежегіш)
Механикалық/гидравликалық тежегіштер аэродинамикалық айналу моментіне байланысты гондолалардың айналуына жол бермейді және жұмыс кезінде гондолаларды тұрақтандырады.
6. Сырғанау сақинасы және кабель жүйесі
Гондоль айналатындықтан, кабельді басқару шатасып қалмау үшін қажет. Сырғанақ сақиналар гондоль айналатын кезде қуат пен сигналдың берілуіне мүмкіндік береді, бірақ кейбір конструкцияларда кабельдің бұралуын болдырмау үшін жиынтық айналу бұрышының шектеулері бар.
7. Айналмалы позиция сенсоры (кодер / ажыратқыш)
Дәл бақылау, деректерді тіркеу және қорғау үшін мұнара сілтемесіне қатысты гондола бұрышының абсолютті ақпаратын береді.
Басқару стратегиясы: турбина қашан айналуы керек?
Иілуді басқару жүйелері әдетте бірнеше қағидаларды қолданады:
1. Өлі аймақ (өлі аймақ)
Егер туралаудың бұзылуы әлі де аз болса, контроллер ешқандай түзетулер енгізбейді. Бұл турбуленттілікке байланысты алға-артқа қозғалыстарды болдырмау үшін маңызды. Мысалы, турбина конструкцияға байланысты туралаудың бұзылуы бірнеше секунд немесе минут бойы ±10°-тан асқан жағдайда ғана ауытқуы мүмкін.
2. Уақыт сүзгісі және сигналды тексеру
Жел бағыты туралы деректер көбінесе жылжымалы орташа немесе төмен жиілікті сүзгі арқылы сүзіледі. Сонымен қатар, контроллер валидацияны орындайды: егер қалақ сенсоры ақаулы болса, ауытқуды шектеуге немесе қауіпсіз режимге ауыстыруға болады.
3. Жел жылдамдығына негізделген логика
Жел жылдамдығы төмен болған кезде, бұрылыстың пайдасы аз болуы мүмкін, бұл жүйенің ұзағырақ күтуіне мүмкіндік береді. Номиналды жылдамдыққа жақын белгілі бір жылдамдықтарда өнімділікті барынша арттыру үшін бағдарлау маңыздырақ болады. Керісінше, өте қатты желде немесе турбина тоқтап тұрғанда, жүктемені азайту үшін бұрылыс стратегиясы өзгеруі мүмкін.
4. Айналмалы және еңкеймелі жылдамдық шектеулері
Гондольді тым тез айналдыруға болмайды, себебі бұл динамикалық жүктемелерді тудыруы және беріліс қорабы мен мойынтіректің тозуын күшейтуі мүмкін. Басқарғыш әдетте айналу жылдамдығын (мысалы, секундына градус) шектейді және тегіс үдеу/баяулау қолданады.
5. Айналдыру моменті/энергияға негізделген басқару
Кейбір озық жобалар қозғалтқыштың айналу энергиясының құнын энергия өндірісінің артуымен салыстырғанда ескереді. Бұл әсіресе үлкен турбиналар мен турбуленттілігі жоғары орындар үшін өзекті.
Ротордың бағдарын басқарудағы техникалық қиындықтар
Турбуленттілік және желдің ығысуы
Ротор биіктігіндегі жел бағыты әрқашан біркелкі бола бермейді. Ротордың қозғалысы бойында да бағыт пен жылдамдық өзгеруі мүмкін. Гондольдің үстіндегі сенсорлар ротордың (ротордың ізі) әсерінен болған желді өлшейді, бұл жел бағытын бағалауға кедергі келтіруі мүмкін. Бұл контроллерге оңтайлы бұрышты анықтауды қиындатады.
Дұрыс емес орналасудан туындаған құрылымдық жүктемелер
Дұрыс емес туралау мұнара мен гондоладағы бүйірлік күштер мен моменттерді тудырады. Егер иілу кешіктірілсе немесе тым жиі болса, циклдік жүктемелер артады және материалдың шаршауын жеделдетуі мүмкін. Сондықтан, иілуді басқару тек «желге мүмкіндігінше тез қарау» туралы емес, керісінше энергия өндіру мен жүктеме арасындағы ымыраға келу туралы.
Мойынтірек, беріліс және тежегіш тозуы
Мойынтіректерді жиі қисайту тозуды арттырады. Шаң, ылғал және майлау сапасы да мойынтіректердің қызмет ету мерзіміне әсер етеді. Басқару жүйелері әдетте күніне қисайту маневрлерінің жеткілікті санын мақсат етеді.
Кабель мәселелері және айналу шектеулері
Егер турбина толық сырғанау сақиналарын пайдаланбаса немесе белгілі бір шегі болса, кабельдің бұралуына жол бермеу үшін контроллерді бірнеше кумулятивті айналымнан кейін босату қажет.
Сенсор қателері және артықшылық
Жел қалақшалары кептеліп қалуы, анемометрлер ластануы немесе мұздану көрсеткіштеріне әсер етуі мүмкін. Қазіргі заманғы турбиналар қауіпсіз жұмыс істеуді қамтамасыз ету үшін жиі диагностиканы, сенсордың артықшылығын немесе модельге негізделген бағалауды пайдаланады.
Айналмалы жұмыс режимдері: қалыпты, тұрақ және қорғаныс
1. Қалыпты режим
Турбина қуат өндіреді, ал ауытқу белгілі бір шектерде сәйкессіздікті сақтайды.
2. Тұрақ режимі (тоқтату/тоқтату)
Турбина техникалық қызмет көрсету кезінде істен шыққан кезде немесе қатты жел соққанда, жүктемені азайту үшін бағдарлау стратегияларын қолдануға болады. Кейбір турбиналар қауырсынды қалақшалар мен гондола желге қаратып қойылады, ал басқалары дірілді азайту үшін орналастырылады.
3. Төтенше жағдай / қорғаныс режимі
Егер жүйе қозғалтқыштың істен шығуын, қозғалтқыштың жоғары температурасын, тежегіштердің ақаулы екенін немесе сенсорлардың жарамсыз екенін анықтаса, қозғалтқышты өшіруге болады және турбина зақымдалудың алдын алу үшін жұмысын тоқтатады.
Қазіргі заманғы әзірлемелер: LIDAR, болжамды бақылау және ферма деңгейінде
Гондолаға орнатылған LIDAR технологиясы турбиналарға ротордың алдындағы жел профилін өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл ақпараттың көмегімен қисық жақты басқару болжамды бола алады, түзету кідірістерін азайтады және жүктемелерді азайтады. Сонымен қатар, жел электр станциялары контексінде турбина бағыты оятуға да әсер етеді, бұл оның артындағы турбиналардың өндірісін азайтуы мүмкін. Ферма деңгейіндегі басқару зерттеулері оятуды қайта бағыттау үшін қисық жақты әдейі еңкейтуді (оятуды басқаруды) зерттеп жатыр, осылайша ферманың жалпы өндірісін арттырады, тіпті жеке турбиналардың қуаты аздап төмендеуі мүмкін.
Қорытынды
Ротордың бағытын басқаруға арналған жел турбинасының басқару жүйесі жел бағытын өлшеуді, шешім қабылдау алгоритмдерін және гондолаларды айналдыру үшін механикалық жетектерді байланыстыратын маңызды элемент болып табылады. Түпкі мақсат - құрылымдық жүктемелер мен компоненттердің тозуын шектей отырып, энергияны максималды өндіру үшін роторды желмен туралау. Турбуленттілік, сенсорлардың шектеулері және механикалық сенімділік мәселелері сияқты қиындықтар иілуді басқару дизайны үнемі мұқият келісімді талап ететінін білдіреді. Болашаққа көз жүгіртсек, LIDAR және ферма деңгейіндегі басқару стратегиялары сияқты озық сенсорларды біріктіру энергия мен жабдықтың қызмет ету мерзімі тұрғысынан оңтайландыруды арттыру мүмкіндіктерін ашады.
Қаласаңыз, мен бұл мақаланы техникалық тұрғыдан бейімдей аламын (мысалы, басқару блок-схемасын, қуатқа диафрагманың сәйкессіздігінің әсері формуласын немесе PID/логикалық өлі жолақты алгоритмнің мысалын қосу) немесе оны қарапайым тілмен жалпы оқырманға бағыттай аламын.
