Перформанси на роторот на ветерната турбина во различни услови на ветер
Ветерните турбини ја претвораат кинетичката енергија на ветерот во електрична енергија преку ротор (лопатки и главина) што ротира вратило на генераторот. Сепак, перформансите на роторот никогаш не се „фиксни“; тие се во голема мера под влијание на условите на ветерот што се менуваат со текот на времето. Брзината на ветерот, турбуленцијата, насоката на ветерот, густината на воздухот, па дури и екстремните феномени како што се налетите на ветер и вертикалното смолкнување одредуваат колку ефикасно роторот ја собира енергијата, колку механичко оптоварување генерира и колку е стабилна излезната моќност. Оваа статија дискутира за тоа како роторите на ветерните турбини работат под различни услови на ветерот, заедно со импликациите за дизајн и контрола што се користат за одржување на ефикасноста и сигурноста.
Основи на перформансите на роторот: Моќност, вртежен момент и коефициент на моќност
Енергијата достапна во ветерот брзо се зголемува со брзината на ветерот. Општо земено, теоретската моќност содржана во струењето на ветерот е пропорционална на кубот на брзината на ветерот (∝ v³). Ова значи дека мало зголемување на брзината на ветерот може да даде многу поголем потенцијал на моќност. Роторот потоа „заробува“ дел од таа енергија со одредена аеродинамична ефикасност, претставена со коефициентот на моќност (Cp). Вредноста Cp не може да ја надмине Бецовата граница (приближно 59,3%) бидејќи роторот не може да ја заробува целата енергија без да го запре протокот на воздух.
Перформансите на роторот зависат и од односот на брзината на врвот (TSR), што е односот на брзината на врвот на сечилото кон брзината на ветерот. Роторот има оптимален TSR, каде што аголот на напад на сечилото произведува максимален подигнување со минимален отпор. Ако TSR е пренизок, сечилата имаат тенденција да се блокираат, намалувајќи ја ефикасноста. Ако TSR е превисок, отпорот се зголемува и оптоварувањето се зголемува, исто така намалувајќи ја ефикасноста и зголемувајќи ја бучавата.
Услови за слаб ветер (под почетниот притисок): Роторот сè уште не е ефикасен
При мали брзини на ветерот, роторот често паѓа под прагот на вклучување (обично околу 3-4 m/s кај современите турбини). Под овие услови, енергијата на ветерот е недоволна за да се надминат механичките и електричните загуби (триење на лежиштата, инерција на роторот, загуби на генераторот и загуби на контрола), па затоа турбината не произведува нето корисна моќност. Перформансите на роторот, исто така, се борат да постигнат оптимален TSR бидејќи ротацијата е нестабилна. Во некои дизајни, контролите ќе ја држат или ослободат сопирачката, ќе ја прилагодат отстапувањето или ќе имплементираат стратегија за стартување за да се намали абењето од честите вклучувања и исклучувања.
При слаби ветрови, главниот предизвик е подобрување на способноста за стартување и одржување на ротацијата без создавање прекумерни циклични оптоварувања. Сечилата со поволни аеродинамични профили при ниски Рејнолдсови броеви, заедно со систем за контрола на генераторот способен за меко стартување, ѝ помагаат на турбината да работи поефикасно во области со слаб ветер.
Умерен ветер (Регион 2): Постигнување максимална ефикасност
Кога брзината на ветерот е над почетната брзина, но сепак е под номиналната брзина на ветерот, роторот обично работи во „Регион 2“, фаза каде што целта на контролата е да се максимизира зафаќањето на енергијата. Под овие услови, турбината со променлива брзина ќе ја прилагоди брзината на роторот за да го одржи TSR блиску до оптималната вредност. Со одржување на оптимален TSR, Cp може да се приближи до својот врв, дозволувајќи извлечената моќност да се зголеми со v³.
Во оваа фаза, роторот генерално произведува „најекономична“ моќност поради високата ефикасност и релативно контролираните структурни оптоварувања. Растојанието на лопатките често е под мал агол (низок наклон) за да се оптимизира аеродинамичниот подем. Контролата на вртежниот момент на генераторот ја регулира брзината на ротација: колку е посилен ветерот, толку е поголем вртежниот момент што се применува за одржување на TSR.
Ветер близу до номиналниот (транзиција): Ограничена моќност, зголемување на оптоварувањето
Кога ветерот ќе се приближи до номиналната брзина (на пр., 11–13 m/s во зависност од дизајнот), турбината влегува во преодна фаза. Ако моќноста продолжи да ја следи v³, генераторот и електричниот систем ќе го надминат својот номинален капацитет. Затоа, стратегијата за контрола се менува: фокусот се префрла од „максимизирање на енергијата“ кон „ограничување на моќноста и оптоварувањето“. Тука контролата на наклонот станува клучна.
Роторот е наклонет (аголот на лопатката е зголемен) за да се намали подигнувањето и да се намали Cp, одржувајќи ја излезната моќност околу номиналната вредност. Иако електричната моќност останува стабилна, аеродинамичните оптоварувања и заморот можат да се зголемат поради турбуленција, смолкнување и варијации во насоката на ветерот. Потребни се одзивни дизајни на лопатките, следење на оптоварувањето и алгоритми за контрола на наклонот за да се спречат прекумерни вибрации.
Силни ветрови (Регион 3): Одржувајте ја номиналната моќност и безбедност
При ветрови над номиналната брзина на ветерот, турбината покажува различни карактеристики: електричната моќност се одржува речиси константна, додека роторот ја жртвува аеродинамичната ефикасност за да ги одржи структурните и генераторските граници. Наклонот на перките се зголемува до пердув (намалување на аголот на напад), намалувајќи го подигнувањето. Под овие услови, роторот работи повеќе како контролиран систем дизајниран да „остане безбеден“, а не да „извлече максимална моќност“.
Оптоварувањето на роторот не доаѓа само од големината на силата на ветерот, туку и од брзите флуктуации. Налетите на ветер можат да предизвикаат скокови на вртежниот момент и моменти на свиткување на лопатките и кулата. Затоа, многу модерни турбини имаат карактеристики како што се брза контрола на наклонот, системи за заштита од прекумерна брзина и сензори за откривање на екстремни оптоварувања.
Турбуленција и налети на ветер: Ефикасност намалена, замор зголемен
Две турбини што работат со иста просечна брзина на ветерот можат да работат различно ако нивоата на турбуленција се разликуваат. Турбуленцијата го менува аголот на инциденца на ветерот, предизвикувајќи флуктуација на аголот на напад на лопатката, што го отежнува одржувањето на оптималниот Cp. Како резултат на тоа, производството на енергија може да се намали, додека оптоварувањата од замор се зголемуваат поради почестите циклуси на оптоварување.
Налетите на ветер (кратки, брзи налети на ветер) се поекстремни: тие можат да предизвикаат ненадејно зголемување на силата, да предизвикаат нагли реакции на наклонот и да го зголемат ризикот од замор во корените на лопатките и погонскиот склоп. Современите контроли често користат пристап на „олеснување на оптоварувањето“, како што е индивидуална контрола на наклонот (IPC), која го прилагодува наклонот на секое лопатче за да го намали асиметричното оптоварување за време на висока турбуленција.
Промени во насоката на ветерот и нерамномерно поместување на ветерот
Роторот работи најефикасно кога е директно свртен кон ветерот. Ако се појави нерамномерно порамнување на отклонувањето (аголот помеѓу насоката на ветерот и оската на роторот), ефективната површина на зафат се намалува и протокот преку лопатките станува нерамномерен. Резултатот: намалена моќност и зголемени оптоварувања, особено странични оптоварувања на гондолата и кулата. Системот за контрола на отклонувањето функционира така што ја ротира гондолата за да го држи роторот „заклучен“ во насоката на ветерот, но претерано агресивниот одговор на отклонувањето може да предизвика и абење и дополнителни оптоварувања. Затоа, контролата на отклонувањето обично има мртва зона (зона на толеранција) за да се спречи постојано движење со мали флуктуации.
Смркање на ветерот и вертикален профил: Асиметрични оптоварувања на лопатките
Смркањето на ветерот е промената на брзината на ветерот со висината. Кај роторите со голем дијаметар, горниот дел од роторот може да доживее посилни ветрови од долниот дел. Ова создава асиметрична распределба на силата во текот на една ротација на лопатките, предизвикувајќи циклични оптоварувања на лопатките, главчината и кулата. Смркањето, исто така, влијае на стратегиите за контрола: под услови на силно смркање, контролата на наклонот и вртежниот момент мора да го земе предвид повтореното оптоварување за да се избегне забрзан замор на материјалот.
Во областите близу до површината (на копно), смолкнувањето има тенденција да биде посилно поради површинското триење и пречките како што се дрвјата или зградите. Спротивно на тоа, на отворено море генерално има помазен проток и помало смолкнување, што му овозможува на роторот да работи постабилно и да произведува енергија поконзистентно.
Густина на воздухот, температура и надморска височина: Енергијата на ветерот не е иста
Покрај брзината, густината на воздухот (ρ) влијае на достапната моќност. Студениот воздух под висок притисок има поголема густина, што му овозможува на роторот да произведува повеќе моќност при иста брзина на ветерот. Обратно, на поголеми надморски височини каде што воздухот е поретко, ефективната моќност на ветерот се намалува. Ова е важно за планирање на локацијата на турбините и калибрација на кривата на моќност. Операторите исто така треба да земат предвид дека сезонските варијации на температурата и притисокот можат да го променат производството на енергија дури и ако статистиката за брзината на ветерот изгледа конзистентна.
Екстремни услови и исклучување: Врвна заштита
Кога ветровите ќе ја достигнат вредноста на исклучување (често околу 20-25 м/с), турбината обично се исклучува за да се спречи оштетување. Под екстремни услови, аеродинамичните оптоварувања можат да ги надминат проектните вредности, зголемувајќи го ризикот од дефект. Постапката за исклучување вклучува наклонување на лопатките во положба на пердув, сопирање на роторот и заклучување на системот за скршнување. Откако ветровите ќе се намалат и стабилизираат, турбината може да се рестартира според безбедносните процедури.
Затворање
Перформансите на роторот на ветерната турбина се резултат на комплексна интеракција помеѓу аеродинамиката на лопатките, контролата на брзината и наклонот и карактеристиките на ветерот на локацијата. При слаби ветрови, примарниот предизвик е започнувањето и одржувањето на ротацијата; при умерени ветрови, роторот работи најефикасно со оптимален TSR; близу и над номиналната брзина, фокусот се префрла на ограничување на моќноста и намалување на оптоварувањето; додека турбуленцијата, налетите на ветер, смолкнувањето и неусогласеноста на отклонувањето можат да ја намалат ефикасноста, а воедно да го зголемат ризикот од структурен замор. Со правилен дизајн на лопатките, софистицирана контрола (наклон, вртежен момент, отклонување, па дури и индивидуален наклон) и внимателен избор на локација, роторот може да генерира максимална енергија, а воедно да издржи широк опсег на услови на ветер во текот на целиот работен век на турбината.
