Vėjo turbinos rotoriaus orientacijos valdymo sistema
Šiuolaikinės vėjo turbinos yra suprojektuotos taip, kad išgautų kuo daugiau energijos iš vėjų, kurie nuolat kinta kryptimi ir greičiu. Kad turbinos rotorius – mentės ir stebulė – būtų efektyvūs, jie turi būti tiksliai suderinti su vėju. Procesas, užtikrinantis, kad rotorius visada būtų suderintas su vėjo kryptimi, vadinamas rotoriaus orientacijos valdymu arba, dažniau, posūkio valdymu. Šiame straipsnyje aptariamos vėjo turbinų valdymo sistemų koncepcijos, komponentai, valdymo strategijos ir pagrindiniai iššūkiai, susiję su rotoriaus orientacija.
Kodėl rotoriaus orientacija yra svarbi?
Vėjo turbinos sugaunamai energijai didelę įtaką daro kampas tarp vėjo krypties ir rotoriaus mosto plokštumos. Kai rotorius nėra nukreiptas į vėją (krypties nesutapimas), energija, tekanti per rotoriaus plokštumą, nėra optimaliai panaudojama. Maži nesutapimai gali sumažinti galią, o dideli – sukelti papildomas konstrukcines apkrovas menčių, gondolos ir bokšto konstrukcijoms. Kitaip tariant, rotoriaus orientacija yra svarbi ne tik efektyvumui, bet ir komponentų tarnavimo laikui.
Iš principo horizontalios ašies vėjo turbinoms (HAWT) reikalinga krypčių sistema, kuri pasuktų gondolę taip, kad rotorius būtų nukreiptas į vėją. Tai skiriasi nuo vertikalios ašies turbinų (VAWT), kurioms geometriškai nereikia krypčių, kad būtų galima pagauti vėją iš įvairių krypčių. Tačiau HAWT dominuoja komunalinių paslaugų pramonėje dėl savo didelio efektyvumo.
Pagrindinė krypties keitimo koncepcija: valdyti gondolę, o ne atskirus rotorius
HAWT turbinoje rotoriaus mentės yra sumontuotos ant stebulės priešais gondolę. Vėjo kryptis kontroliuojama sukant visą gondolę (kuri laiko rotorių ir pavaros sistemą) bokšto viršuje. Šis sukimasis atliekamas nukreipiant guolius, kurie leidžia santykinį judėjimą tarp gondolės ir bokšto. Pakreipimo sistema nukreipia gondolę taip, kad rotoriaus ašis sutaptų su vidutine vėjo kryptimi stebulės vietoje.
Svarbu atkreipti dėmesį, kad vėjo kryptis yra turbulentinė ir greitai keičiasi, todėl krypties posūkio valdymas paprastai nepastebi kiekvieno nedidelio svyravimo. Sistema sukurta taip, kad koreguotų vidutinę vėjo kryptį per tam tikrą laikotarpį, siekiant išvengti per didelio krypties posūkio svyravimo, kuris gali pagreitinti pavarų susidėvėjimą ir energijos suvartojimą.
Pagrindiniai rotoriaus orientacijos valdymo sistemos komponentai
1. Vėjo krypties jutiklis (vėjo rodyklė) ir vėjo greitis (anemometras)
Paprastai virš gondolės montuojama vėjo mentė įvertina vėjo kryptį gondolės atžvilgiu, o anemometras matuoja vėjo greitį. Šiuolaikinėse turbinose duomenis taip pat galima papildyti kitais jutikliais, tokiais kaip LIDAR (šviesos aptikimas ir diapazono nustatymas), kad „pamatytų“ vėją prieš jam pasiekiant rotorių.
2. Posūkio valdiklis
Tai turbinos valdymo sistemos (PLC / pramoninio valdymo) dalis, kuri nusprendžia, kada ir kiek reikia pasukti gondolę. Valdiklis naudoja logiką ir tokius parametrus kaip nesutapimo riba, nejautrumo zona, vėjo greitis ir sukimosi greičio ribos.
3. Posūkio pavara ir posūkio variklis
Elektros variklis (kartais keli vienetai) varo krumpliaratį, kuris sąveikauja su žiediniu krumpliaračiu ant posūkio guolio. Kadangi gondolė yra didelė ir sunki, jai reikia daug sukimo momento; apkrovai paskirstyti dažnai naudojami keli varikliai.
4. Posūkio guolis
Dideli žiediniai guoliai atlaiko ašines ir radialines apkrovas, tuo pačiu leisdami suktis. Tepimo sąlygos, varžtų priveržimas ir susidėvėjimas yra svarbūs ilgalaikio eksploatavimo veiksniai.
5. Posūkio stabdys (posūkio stabdys)
Mechaniniai/hidrauliniai stabdžiai neleidžia gondolei suktis dėl aerodinaminio sukimo momento, kai nėra posūkio komandos, ir stabilizuoja gondolę veikimo metu.
6. Slydimo žiedų ir kabelių sistema
Kadangi gondola sukasi, kabelių valdymas yra būtinas, kad jie nesusipainiotų. Slydimo žiedai leidžia perduoti energiją ir signalą, kol gondola sukasi, tačiau kai kuriuose modeliuose yra kaupiamieji sukimosi kampo apribojimai, kad kabeliai nesusisuktų.
7. Posūkio padėties jutiklis (kodavimo įrenginys / resolveris)
Pateikia absoliučią gondolės kampo informaciją bokšto atskaitos taško atžvilgiu, skirtą tiksliam valdymui, duomenų registravimui ir apsaugai.
Valdymo strategija: kada turbina turėtų suktis?
Pakreipimo valdymo sistemos paprastai taiko kelis principus:
1. Negyvoji zona
Jei nesutapimas vis dar mažas, valdiklis neatlieka jokių korekcijų. Tai svarbu siekiant išvengti judėjimo pirmyn ir atgal dėl turbulencijos. Pavyzdžiui, turbina gali krypuoti tik tuo atveju, jei nesutapimas kelias sekundes ar minutes, priklausomai nuo konstrukcijos, viršija ±10°.
2. Laiko filtras ir signalo patvirtinimas
Vėjo krypties duomenys dažnai filtruojami naudojant slenkančio vidurkio arba žemo dažnio filtrą. Be to, valdiklis atlieka patvirtinimą: jei menčių jutiklis yra sugedęs, posūkis gali būti apribotas arba perjungtas į saugųjį režimą.
3. Vėjo greičiu pagrįsta logika
Esant mažam vėjo greičiui, krypties keitimo nauda gali būti nedidelė, todėl sistema gali palaukti ilgiau. Esant tam tikram greičiui, artimam nominaliam greičiui, orientacija tampa svarbesnė siekiant maksimalios gamybos. Ir atvirkščiai, esant labai stipriam vėjui arba kai turbina stovi, krypties keitimo strategija gali pasikeisti, siekiant sumažinti apkrovą.
4. Greičio apribojimai posūkio ir pasvirimo kryptimi
Gondolės negalima sukti per greitai, nes tai gali sukelti dinamines apkrovas ir padidinti krumpliaračių bei guolių susidėvėjimą. Valdiklis paprastai riboja posūkio greitį (pvz., laipsniais per sekundę) ir taiko sklandų greitėjimą / lėtėjimą.
5. Sukimo momentu / energija pagrįstas valdymas
Kai kuriuose pažangiuose projektuose atsižvelgiama į variklio sukimosi energijos sąnaudas, palyginti su padidėjusia energijos gamyba. Tai ypač aktualu didelėms turbinoms ir vietoms, kuriose yra didelė turbulencija.
Techniniai rotoriaus orientacijos valdymo iššūkiai
Turbulencija ir vėjo šlytis
Vėjo kryptis rotoriaus aukštyje ne visada yra vienoda. Net ir išilgai rotoriaus judėjimo krypties bei greičio gali skirtis kryptis. Virš gondolės esantys jutikliai matuoja rotoriaus paveiktą vėją (rotoriaus pėdsaką), o tai gali iškreipti vėjo krypties įvertinimus. Dėl to valdikliui sunku nustatyti optimalų kampą.
Konstrukcinės apkrovos dėl nesutapimo
Dėl nesutapimo bokštui ir gondolei veikiamos šoninės jėgos ir momentai. Jei posūkis yra uždelstas arba per dažnas, ciklinės apkrovos padidėja ir gali pagreitinti medžiagos nuovargį. Todėl posūkio valdymas yra ne tik „kuo greičiau nukreipti kryptį prieš vėją“, bet ir kompromisas tarp energijos gamybos ir apkrovos.
Posūkio guolio, krumpliaračio ir stabdžių susidėvėjimas
Dažni posūkių manevrai padidina guolio nusidėvėjimą. Dulkės, drėgmė ir tepimo kokybė taip pat turi įtakos guolio tarnavimo laikui. Valdymo sistemos paprastai numato pagrįstą posūkių manevrų skaičių per dieną.
Kabelių problemos ir sukimosi apribojimai
Jei turbina nenaudoja pilnų slydimo žiedų arba turi tam tikrą ribą, valdiklis turi juos išvynioti po kelių bendrų apsisukimų, kad kabelis nesusisuktų.
Jutiklių klaidos ir perteklius
Vėjo mentės gali užstrigti, anemometrai gali užsiteršti arba rodmenis gali paveikti apledėjimas. Šiuolaikinės turbinos dažnai naudoja diagnostiką, jutiklių perteklių arba modeliu pagrįstą vertinimą, kad užtikrintų saugų veikimą.
Posūkio režimai: normalus, parkavimo ir apsaugos
1. Įprastas režimas
Turbina gamina galią, o posūkis išlaiko poslinkį tam tikrose ribose.
2. Parkavimo režimas (sustojus / stovint)
Kai turbina neveikia dėl techninės priežiūros arba pučia per stiprus vėjas, apkrovai sumažinti galima naudoti orientavimo strategijas. Kai kurios turbinos pastatomos taip, kad plunksninės mentės ir gondolė būtų nukreiptos į vėją, o kitos – taip, kad vibracija būtų kuo mažesnė.
3. Avarinis / apsaugos režimas
Jei sistema aptinka posūkio valdymo gedimą, aukštą variklio temperatūrą, sugedusius stabdžius arba negaliojančius jutiklius, posūkio valdymą galima išjungti, o turbina sustabdoma, kad būtų išvengta pažeidimų.
Šiuolaikiniai pokyčiai: LIDAR, nuspėjamoji kontrolė ir ūkio lygmens technologijos
Gondolėje sumontuota LIDAR technologija leidžia turbinoms matuoti vėjo profilį priešais rotorių. Turint šią informaciją, posūkio valdymas gali būti labiau nuspėjamas, sumažinant korekcijos vėlavimą ir potencialiai sumažinant apkrovas. Be to, vėjo jėgainių kontekste turbinos orientacija taip pat turi įtakos pėdsakams, o tai gali sumažinti už jų esančių turbinų gamybą. Ūkio lygmens valdymo tyrimuose nagrinėjamas sąmoningas posūkio pakreipimas (posūkio valdymas), siekiant nukreipti pėdsakus, taip padidinant bendrą ūkio gamybą, net jei atskirų turbinų galia gali šiek tiek sumažėti.
Išvada
Vėjo turbinos rotoriaus orientacijos valdymo sistema yra labai svarbus elementas, jungiantis vėjo krypties matavimus, sprendimų algoritmus ir mechaninius pavaros mechanizmus, skirtus pasukti gondolę. Galutinis tikslas – išlaikyti rotorių lygiagretų vėjui, kad būtų pagaminta maksimali energija, kartu ribojant konstrukcines apkrovas ir komponentų susidėvėjimą. Tokie iššūkiai kaip turbulencija, jutiklių apribojimai ir mechaninio patikimumo problemos reiškia, kad posūkio valdymo projektavimas nuolat reikalauja kruopštaus kompromiso. Žvelgiant į ateitį, pažangių jutiklių, tokių kaip LIDAR, ir ūkio lygmens valdymo strategijų integravimas atveria galimybes didesniam optimizavimui tiek energijos, tiek įrangos tarnavimo laiko atžvilgiu.
Jei pageidaujate, galiu pritaikyti šį straipsnį techniniam aspektui (pvz., pridėti valdymo blokų schemą, formulę, kaip apskaičiuoti posūkio poslinkio įtaką galiai, arba PID/loginio nejautrumo zonos algoritmo pavyzdį) arba pritaikyti jį plačiajai skaitytojų auditorijai paprastesne kalba.
