Годлица на ветерна турбина и нејзините компоненти
Во современите системи на ветерни турбини, гондолата е „куќиште на моторот“ сместено на врвот од кулата, директно зад роторот (перката). Додека кулата служи како потпорна структура, а роторот ја собира енергијата на ветерот, гондолата е центар за конверзија на енергијата: тоа е местото каде што механичката енергија од ротацијата на роторот се претвора во електрична енергија, се контролира, следи и одржува за да се обезбеди безбедно работење во сите временски услови. Поради својата витална улога, дизајнот на гондолата мора да ги земе предвид ефикасноста, издржливоста, леснотијата на одржување и безбедноста.
По изглед, гондолата наликува на издолжена кутија или капсула што ги штити внатрешните компоненти од дожд, прашина, корозија и температурни варијации. Во неа се сместени низа системи за пренос, генератори, контролни системи, системи за ладење, подмачкување и безбедносни уреди. Оваа статија ја дискутира функцијата на гондолата и клучните компоненти, вклучително и како секој дел функционира како целина.
Главна функција на гондолата
Функцијата на гондолата може да се сумира во четири главни области. Прво, ги штити компонентите од надворешната средина - силните ветрови, солената вода (на офшор турбините) и честичките прашина можат да го забрзаат абењето доколку не се третираат. Второ, ги поддржува и усогласува механичките компоненти како што се шахтите, менувачите и генераторите за да обезбеди правилно усогласување и да ги минимизира вибрациите. Трето, интегрира системи за контрола и безбедност, од сензори за ветер до механизми за сопирање во итни случаи. Четврто, го поедноставува работењето и одржувањето, бидејќи клучните компоненти се сместени во еден работен простор со ограничен пристап (сервисни врати, внатрешни кранови, инспекциски патеки).
Капак на гондола и структура на подлога
Највидливата компонента на гондолата е капакот (или куќиштето) на гондолата. Тој обично е направен од композитни материјали или лесни метали кои се цврсти, отпорни на корозија и аеродинамични. Оваа капак служи не само за естетски цели, туку и за намалување на влијанието на временските услови и помага во насочувањето на протокот на воздух за да се спречи прекумерна турбуленција.
Внатре е основната плоча - рамка или „структурен под“ што служи како основа за монтирање на тешки компоненти како што се менувачот и генераторот. Основната плоча мора да биде исклучително цврста за да се намали отклонувањето и да се одржи усогласувањето на компонентите, бидејќи дури и малото несовпаѓање може да доведе до зголемени вибрации, прегревање и откажување на лежиштата.
Главчина на роторот, главно вратило и главни лежишта
Енергијата на ветерот се апсорбира од лопатките и се пренесува до главчината на роторот. Главчината ги поврзува лопатките со ротирачкиот систем и пренесува вртежен момент до главната осовина. Потоа, главната осовина ја пренесува механичката енергија до менувач или директно до генератор, во зависност од дизајнот на турбината.
Главното вратило е потпрено на главни лежишта. Овие лежишта се клучни бидејќи издржуваат комбинирано оптоварување: аксијално оптоварување (по должината на вратилото) и радијално оптоварување (нормално на вратилото) поради потисокот од ветерот и тежината на роторот. Квалитетот на лежиштата и нивниот систем за подмачкување е клучен за работниот век на турбината, бидејќи откажувањето на лежиштата е главна причина за скапо застој.
Менувач (кај турбини со запчаник)
Многу ветерни турбини користат менувачи за да ја зголемат релативно бавната брзина на ротација на роторот до големите брзини потребни за генераторот. На пример, роторот може да се врти со десетици вртежи во минута, додека генераторот е поефикасен од стотици до илјадници вртежи во минута (во зависност од типот).
Менувачите се сложени компоненти кои работат под различни и флуктуирачки оптоварувања. Затоа, менувачите бараат:
– Сигурен систем за подмачкување за да се спречи абење на менувачот,
– Систем за ладење за отстранување на топлината,
– Филтрација на масло за одржување на чистотата на течноста,
– Мониторинг на вибрациите за рано откривање на оштетувања (на пр. вдлабнатини на забите).
Некои модерни турбини користат дизајн со директен погон (без менувач) за да ја намалат сложеноста, но ова обично бара генератор со поголем дијаметар и различен магнетен систем.
Генератор: Ја претвора механичката енергија во електрична енергија
Генераторот е срцето на конверзијата на електрична енергија. Кога вратилото (директно или преку менувач) го врти роторот на генераторот, магнетното поле и намотките произведуваат електрична енергија. Генераторите на ветерни турбини се достапни во различни видови, вклучувајќи:
– Двојно напојуван индукциски генератор (DFIG) на многу менувачки турбини,
– Синхрон генератор со перманентни магнети (PMSG) често на директен погон или модерни турбини со висока ефикасност.
Генераторите генерираат топлина, па затоа им е потребно ладење (воздух или течност) и следење на температурата. Стабилноста на излезниот напон и фреквенција зависи не само од генераторот, туку и од електронскиот систем за конверзија на енергија.
Конвертор на енергија и трансформација на енергија
Како што флуктуираат брзините на ветерот, се менуваат и ротацијата на роторот и електричните карактеристики на генераторот. За да испорача електрична енергија до мрежата со стандарден квалитет, турбината користи конвертор на енергија (инвертер/исправувач и контрола на електрониката за енергетска моќност). Конверторот регулира:
– напон,
– фреквенција,
– фактор на моќност,
– и да се обезбеди синхронизација со мрежата.
Во некои конфигурации, гондолата содржи и трансформатор (особено во одредени дизајни), иако кај многу турбини главниот трансформатор е поставен во основата на кулата или на друга платформа од причини поврзани со тежината и пристапот за одржување.
Систем на вртење: Свртено кон ветерот
За да може роторот да ја искористи максималната енергија, гондолата мора да биде свртена кон ветерот. Оваа задача ја извршува системот за скршнување, кој се состои од:
– погон на отстапување (мотор со погон на отстапување),
– запчаник со ротација/прстенест запчаник (голем запчаник),
– лежиште за отстапување (лежиште за отстапување со голем дијаметар),
– и контрола на скршнувањето базирана на сензор за ветер.
Системот за скршнување работи со постепено прилагодување на положбата на гондолата. Пречестите или агресивни движења можат да го зголемат абењето. Затоа, алгоритмите за контрола на скршнувањето обично избираат компромис помеѓу „насочување кон ветерот што е можно попрецизно“ и „намалување на механичките оптоварувања“.
Систем на наклон: Поставување на аголот на сечилото
Внатре во главината и интегриран со контролите во гондолата се наоѓа системот за наклон, кој го регулира аголот на лопатките на турбината. Наклонот работи за:
– оптимизирање на зафаќањето на енергија при средни брзини на ветерот,
– ограничете ја моќноста при силни ветрови за да не се надмине номиналната вредност,
– и да вршат „пердувестување“ (ротирање на лопатките за намалување на силата на ветерот) во итни услови.
Актуаторите за наклон можат да бидат хидраулични или електрични. Системите за наклон обично имаат резервна енергија (на пр., батерија) за да ги држат лопатките безбедно позиционирани во случај на прекин на електричната енергија.
Сопирачки (систем за сопирање) и безбедност
Ветерните турбини бараат систем за сопирање и за оперативни и за итни ситуации. Типично, постојат два слоја:
1. Аеродинамично сопирање преку наклон (ротирање на лопатките така што силата на ветерот драстично се намалува).
2. Механички сопирачки (диск сопирачки) на брзинските оски или одредени делови во погонскиот склоп за запирање на ротацијата за време на одржување или вонредни ситуации.
Покрај тоа, гондолата е опремена со разни безбедносни уреди како што се сензори за пребрзина, заштита од претерување, системи за гаснење пожар (особено кај големи турбини) и процедури за автоматско исклучување.
Системи за ладење и вентилација
Компоненти како што се генераторот, конверторот и менувачот генерираат топлина. Затоа, гондолата има систем за ладење кој се состои од:
– разменувач на топлина,
– вентилатор за вентилација,
– ладилник за масло на менувачот,
– или систем за ладење со течност за компонентите на електронската енергија.
Контролата на влажноста е исто така важна за да се спречи кондензација што може да ја оштети електрониката и да ја забрза корозијата.
Подмачкување, хидраулика и филтрација
За да се обезбедат долготрајни механички системи, гондолата има централизиран систем за подмачкување - првенствено за менувачот, лежиштата и другите точки на триење. Некои дизајни вклучуваат и хидраулични системи за наклон, сопирачки или други актуатори. Филтрацијата на маслото е клучна, бидејќи контаминацијата со мали честички може да го забрза абењето на запчаниците и лежиштата.
Сензори, SCADA и следење на состојбата
Современите турбини речиси секогаш се опремени со SCADA (Супервизорска контрола и собирање податоци) за следење на перформансите и далечинско управување со операциите. Надзорникот содржи различни сензори, како што се:
– анемометар (брзина на ветерот) и ветролор (насока на ветерот),
– сензори за вибрации на менувачот и генераторот,
– сензори за температура и притисок на маслото,
– сензор за електрична струја/напон,
– како и систем за рано откривање на дефекти (следење на состојбата).
Податоците од сензорите им помагаат на операторите да вршат предвидливо одржување: поправките се вршат пред да се случи поголема штета, со што се намалува времето на застој и трошоците.
Пристап за одржување: Внатрешен кран и инспекциска патека
Поради нивната висина, пристапот до одржување е предизвик. Нацелите често се опремени со внатрешни кранови или точки за кревање за поместување на одредени компоненти. Патеките за инспекција, осветлувањето, безбедносните панели и распоредот на каблите и цевките се дизајнирани да им овозможат на техничарите да работат безбедно и ефикасно.
Заклучок
Годлото на ветерната турбина е оперативен центар, кој ги комбинира механичките, електричните, контролните и безбедносните системи во една единствена, заштитена единица. Вклучува структурна плоча, главно вратило и лежишта, менувач (кај запчаници со запчаници), генератор, конвертор на моќност, системи за скршнување и наклон, сопирачки, ладење, подмачкување и серија сензори поврзани со SCADA. Перформансите на турбината во голема мера се определени од сигурноста на компонентите на годлото и квалитетот на нивната интеграција. Колку подобро е дизајнирана, следена и одржувана годлото, толку е поголема енергетската ефикасност, оперативната безбедност и работниот век на ветерната турбина.
Ако сакате, можам да направам верзија од овој напис со повеќе технички поднаслови, комплетно со дијаграми на проток на енергија (ветер → ротор → погонски склоп → генератор → конвертор → мрежа) или да се фокусирам на споредби на директен погон наспроти менувач.
