Cum funcționează sistemul de control al girației în turbinele eoliene
Turbinele eoliene moderne sunt proiectate pentru a capta cât mai multă energie posibil din direcția și viteza schimbătoare ale curenților eolieni. Pentru a se asigura că rotorul (pala) este întotdeauna „orientat” spre vânt la unghiul corect, turbina necesită un mecanism care poate roti gondola (nacela) în funcție de schimbările de direcție a vântului. Acest mecanism se numește sistem de control al deviației. Simplu spus, deviația este rotația turbinei în jurul unei axe verticale, astfel încât planul de baleiaj al rotorului să rămână paralel cu direcția vântului de atac. Acest articol discută modul în care funcționează sistemul de control al deviației în turbinele eoliene, principalele sale componente, strategiile de control, provocările și întreținerea.
1. De ce este important controlul girației?
Scopul principal al controlului deviației este de a minimiza nealinierea acesteia, diferența unghiulară dintre direcția vântului și direcția de deplasare a rotorului. Dacă rotorul este nealiniat cu vântul, o parte din energia vântului „trece” prin rotor fără a fi captată optim. Impactul:
1. Putere redusă. În general, cu cât este mai mare nealinierea, cu atât este mai mare scăderea puterii.
2. Încărcările structurale cresc. Când vântul vine din lateral, forțele aerodinamice devin asimetrice și declanșează încărcări dinamice asupra palelor, butucului, axei și turnului.
3. Vibrații și uzură accelerată. Nealinierea poate crește vibrațiile și poate accelera uzura componentelor mecanice.
Cu un control bun al girației, turbina își poate menține eficiența și își poate prelungi durata de viață.
2. Principiile de bază ale sistemului de girație
Turbinele eoliene cu ax orizontal (HAWT) utilizează de obicei un sistem de girație activă, care rotește activ nacela cu ajutorul unui motor. Spre deosebire de turbinele mici, care folosesc uneori o coadă (paletă) pentru a „urma” pasiv vântul, turbinele de scară utilitară folosesc aproape întotdeauna girația activă datorită masei mari a nacelei și nevoii de control precis.
Când senzorul detectează o schimbare a direcției vântului, controlerul (controler PLC/SCADA) calculează cu cât ar trebui să se rotească turbina. Dacă unghiul de nealiniere depășește un anumit prag, motorul de înclinare cuplează angrenajele rulmentului de înclinare, determinând rotirea nacelei până la aliniere.
3. Componentele principale ale sistemului de control al girației
a) Senzor de viteză și direcție a vântului
Deasupra nacelei există de obicei:
– Giruetă pentru măsurarea direcției vântului față de nacelă.
– Anemometru pentru măsurarea vitezei vântului.
Aceste date reprezintă principalul factor de intrare pentru a determina dacă este necesară efectuarea unei corecții de girație.
b) Direcția de girație
Rulmentul de înclinare este un rulment mare, în formă de inel, care permite nacelei să se rotească pe turn. Acest rulment trebuie să poată suporta sarcina combinată: greutatea nacelei, împingerea rotorului și sarcinile dinamice cauzate de turbulențe.
c) Acționarea de girație și motorul de girație
Un sistem de acționare a roții de înclinare constă de obicei din mai multe motoare electrice (adesea mai multe pentru redundanță) care acționează un pinion care se angrenează cu o coroană dințată de pe rulmentul de înclinare. Motoarele pot funcționa alternativ sau simultan, în funcție de design și de cerințele de cuplu.
d) Frână de girație
Pe lângă motor, există un sistem de frânare care împiedică nacela să se rotească liber. Frânele de girație sunt esențiale pentru:
– stabilizează poziția atunci când turbina atinge unghiul dorit,
– să prevină mișcările mici continue (deviația bruscă),
– menținerea nacelei în anumite condiții de vânt sau când turbina se oprește.
e) Controler de turbină (Controler)
Controlerul primește semnale de la senzori, aplică logica de control și apoi trimite comenzi către motoare și frâne. De asemenea, controlerul implementează interblocări de siguranță: de exemplu, prevenirea deviației atunci când un senzor se defectează, când turbina se află în anumite moduri sau când vitezele vântului sunt extreme.
4. Cum determină turbina când să se încline?
Turbinele nu se corectează întotdeauna de fiecare dată când vântul se schimbă ușor. Dacă sunt prea sensibile, sistemul se va mișca frecvent și va accelera uzura motorului, a micii cutii de viteze din sistemul de acționare a deviației și a rulmenților sistemului de deviație. Prin urmare, controlul deviației utilizează în general conceptele de prag (bandă inactivă) și întârziere temporală.
a) Eroare de girație și bandă inactivă
– Eroare de girație = direcția vântului măsurată – poziția curentă a nacelei
– Banda inactivă este un interval de toleranță, de exemplu ±5° până la ±15° (variază în funcție de producător și de strategiile de control).
Dacă eroarea de girație este încă în banda inactivă, turbina alege să nu se miște.
b) Întârziere temporală și filtrare a datelor
Direcția vântului fluctuează din cauza turbulențelor. Prin urmare, datele senzorilor sunt de obicei:
– filtrat folosind media mobilă,
– evaluată pe o perioadă de timp (de exemplu, 10–60 de secunde),
astfel încât turbina să nu reacționeze la „zgomot” momentan.
c) Strategia de înclinare rapidă a unghiului
În loc să se rotească continuu, turbinele se mișcă adesea în trepte mici. Se rotesc câteva grade, se opresc, reevaluează și apoi își reiau mișcarea, dacă este necesar. Această abordare ajută la reducerea oscilațiilor și la controlul încărcărilor mecanice.
5. Procesul de lucru secvențial pentru controlul girației
Următorul este un flux de lucru comun pentru turbinele de mari dimensiuni:
1. Măsurarea condițiilor de vânt. Girueta citește direcția vântului față de nacelă, iar anemometrul citește viteza.
2. Calculul nealinierii. Controlerul calculează eroarea de girație și verifică dacă aceasta depășește banda inactivă.
3. Verificarea stării de funcționare. Sistemul asigură că turbina se află într-o stare de girație sigură: fără alarme critice, frâne pregătite, motoare disponibile și limite de rotație a cablurilor sigure (pentru proiectele cu cabluri în interiorul turnului).
4. Eliberați frânele de girație (dacă este necesar). Frânele pot fi eliberate pentru a permite nacelei să se miște.
5. Activarea motorului de girație. Motorul rotește nacela spre vânt. Rata de girație este menținută relativ lentă pentru a reduce sarcina (de exemplu, câteva grade pe secundă).
6. Frânare și blocare a poziției. Pe măsură ce unghiul țintă se apropie, motorul se oprește, iar frânele mențin nacela stabilă.
7. Verificare. Senzorul citește din nou pentru a vedea dacă eroarea de girație a scăzut. Dacă nu, ciclul se repetă.
6. Relația dintre controlul girației și controlul tangajului și al puterii
Controlul curbei nu există izolat. În turbinele moderne, există trei controale principale complementare:
– Controlul înclinării: modifică unghiul palelor pentru a regla puterea și sarcina.
– Controlul vitezei rotorului: ajustează rotația rotorului (prin generator și convertor).
– Controlul girației: asigură că rotorul este orientat spre vânt.
De exemplu, în condiții de vânturi foarte puternice, turbina poate intra în modul de limitare a puterii la o anumită înclinare. În aceste condiții, sistemul de girație poate fi făcut mai conservator pentru a evita creșterea sarcinii. În schimb, în condiții normale de producție, girația va fi mai activă pentru a obține eficiență.
7. Provocări și probleme comune în sistemele de deviere a direcției
a) Vânătoarea de franțare
Acest lucru se întâmplă atunci când turbina își schimbă prea frecvent direcția de girație din cauza unui semnal zgomotos al direcției vântului sau a unei zone inactive foarte mici. Acest lucru duce la uzura motorului, a frânelor și a rulmenților.
b) Uzura rulmentului de girație și a angrenajului
Din cauza sarcinilor mari și a mișcărilor repetitive, lubrifierea și inspecția sunt esențiale. Nealinierea angrenajelor, lubrifierea deficitară sau pătrunderea contaminanților pot accelera deteriorarea.
c) Defecțiunea senzorului
Dacă girueta este deteriorată sau anemometrul oferă citiri incorecte, turbina ar putea fi orientată în direcția greșită. Multe turbine folosesc diagnosticare și redundanță pentru a detecta senzorii defecți.
d) Limita de răsucire a cablului
În unele modele, cablurile electrice și de semnal din interiorul nacelei se pot răsuci dacă mișcarea de girație este prea mult într-o singură direcție. Prin urmare, există sisteme de gestionare a răsucirii, cum ar fi un senzor de răsucire și o procedură de derulare, pentru a restabili nacela.
8. Îngrijire și cele mai bune practici
Pentru ca sistemul de girație să funcționeze optim, operatorii aplică de obicei:
– Calibrați periodic senzorul de direcție a vântului.
– Verificarea frânei și a motorului: temperatură, curent și răspuns la frânare.
– Ungeți lagărele de girație și angrenajele conform programului producătorului.
– Analiza datelor SCADA: monitorizarea frecvenței, duratei și tiparelor de eroare a deviației. Modificările tiparelor pot indica probleme timpurii.
– Inspecție vizuală a coroanei dințate, a șuruburilor și a structurii nacelei.
Concluzie
Sistemul de control al deviației este esențial pentru menținerea turbinelor eoliene orientate spre vânt și pentru generarea eficientă a energiei, menținând în același timp sarcini structurale sigure. Folosind senzori de viteză și direcție a vântului, controlerul determină când nealinierea este suficient de mare pentru a fi corectată, apoi aplică acționarea deviației prin intermediul motorului și menține poziția cu frâne. Strategii precum banda inactivă, filtrarea semnalului și reglarea treptată a deviației sunt utilizate pentru a echilibra două obiective adesea conflictuale: răspunsul rapid la schimbările vântului și minimizarea uzurii componentelor. Deoarece funcționează în medii extreme și suportă sarcini semnificative, sistemele de deviație necesită o proiectare fiabilă și o întreținere programată pentru a menține performanța optimă a turbinei pe toată durata lor de viață.
