Rüzgar Enerjisi Temel Bilgileri — Rüzgarın Momentumunu Dönmeye, Elektriğe ve Şebeke Kontrolüne Dönüştürmek

Rüzgar türbini kanadı "rüzgarı yakalayan bir tahta" değildir. Kanat profilinin kaldırma ve sürükleme kuvvetlerini kullanarak dönme torku üretir ve büyük, düşük hızlı bir dönüşü bir dişli kutusuna veya doğrudan tahrikli bir jeneratöre iletir. Jeneratörün gücü, voltaj, frekans ve reaktif güç için bir dönüştürücü tarafından şartlandırılır, ardından bir transformatör ve iletim hattından şebekeye geçer. Rüzgar enerjisini tek bir makine olarak okumak, sadece rüzgar gücüne değil, türbülansa, yorgunluğa, tahmine, bakıma ve şebeke kontrolüne birlikte bakmak anlamına gelir.

Açık deniz rüzgar örneği

Resim: Middelgrunden rüzgar santrali (Kim Hansen / Richard Bartz, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Türbin aralığını gösteren bir saha fotoğrafı, her mevcut türbin için bir özellik değildir.

0. 30 Saniyelik Özet

• Rüzgardan elde edilebilecek ideal güç P=\frac12\rho A v^3 C_p'dir. Rüzgar hızının küpüyle orantılı olduğu için v, rüzgar kaynağındaki küçük farklılıklar yıllık üretimde büyük bir fark yaratır.

• Hiçbir türbin rüzgarın kinetik enerjisinin %100'ünü geri kazanamaz; tavan, yaklaşık %59,3 olan Betz limitidir. Gerçek bir makinenin C_p değeri rüzgar hızı, kanat açısı, kontrol ve türbülansa bağlı olarak değişir.

• Eğim kontrolü kanat açısını ayarlar, sapma kontrolü nacelleyi rüzgara doğru yönlendirir ve jeneratör tork kontrolü rotor hızını yönetir. Şiddetli rüzgarlarda, çıkış gücü azaltılır ve türbin güvenlik için durdurulur.

• Karada, ulaşım, gürültü ve peyzaj baskındır; açık denizde (sabit tabanlı), temeller, denizaltı kabloları, tayfunlar ve bakım gemileri baskındır; yüzer açık denizde, demirleme ve hareket baskındır.

• Şebeke bağlantısında, değişken hızlı invertörler aktif güç, reaktif güç, voltaj ve frekans tepkisini yönetir. Tahmin hatası, bataryalar, hidroelektrik ve talep yanıtı birleştirilerek telafi edilir.

1. Rüzgarın Kinetik Enerjisi ve Betz Sınırı

Diagram 1 · Use the button to switch views

Şekil 1 — Devreye girme noktasının altında kullanılabilir çıkış yoktur; devreye girme noktası ile nominal hız arasında güç hızla artar; nominal hızın üzerinde, devre dışı kalana kadar kanat açısı kontrolü çıkışı sınırlar.

Yoğunluğu \rho olan ve v hızında A=\pi R^2 süpürme alanından geçen hava, birim zamanda şu kadar kinetik enerji taşır:

Türbinin arkasındaki iz hızı tamamen sıfıra indirilirse, hava akışı tamamen durur — bu nedenle momentumun korunumu yoluyla türbin boyunca hız düşüşünün optimize edilmesi, elde edilebilir oranı sınırlar. de

ve daha yüksek değil. C_p güç katsayısıdır, uç hız oranı \lambda=\omega R/v ve eğim açısı \beta'ün bir fonksiyonudur. Düşük rüzgar hızında, türbin optimum \lambda'i izlemek için hızlanır; nominal rüzgar hızının üzerinde, çıkışı sabit tutmak için eğim değiştirilir.

2. Kanat, Nacelle, Kule

Kanat, bir aerodinamik yüzeyin kaldırma kuvvetini teğetsel bir kuvvete dönüştürür. Daha uzun, daha ince kanatlar alanı artırır, ancak yerçekimi, merkezkaç kuvveti ve rüzgar yükünden kaynaklanan yorgunluğu da artırır. Göbek ve ana şaft, jeneratör, dişli kutusu ve kontrol kabini nacelle'nin içinde bulunur, kule ve temel ise yükleri yere taşır. Türbinler büyüdükçe, kanat doğal frekansı, kule rezonansı, kontrol gecikmesi, yıldırım, tuz korozyonu ve buzlanma doğrudan etki eder. tasarım.

3. Kanat Açısı, Sapma ve Tork Kontrolü

Kanat Açısı Kontrolü

Kanat açısının değiştirilmesi \beta kaldırma kuvvetini ve torku değiştirir. Nominal rüzgar hızının altında, \beta optimum değerinde tutulur; nominal rüzgar hızının üzerinde, hücum açısı üretimi sınırlamak için azaltılır. Hidrolik veya elektrikli aktüatör arızalanırsa, kanat yine de rüzgarı savuşturacak bir açıya (tüy açısı) hareket edebilmesi için yedeklilik gereklidir.

Sapma Kontrolü

Nacelle'i rüzgara doğru yönlendiren sapma kontrolü, rüzgar gülü ve anemometre, üretim çıkışı ve kule torsiyonunu kullanır. Çok sık sapma, sapma tahrikini ve kabloları zorlar, bu nedenle ortalama rüzgar yönü ve türbülans, üretim kaybını yorulmaya karşı dengelemek için filtrelenir.

Jeneratör Torku

Değişken hızlı türbinlerde, jeneratör torku T_g, optimum uç hız oranını izlemek için hızla değiştirilir. Dönme hareketinin denklemi şöyledir:

Burada J atalet, T_a aerodinamik tork ve T_f kayıp torktur. Şebekeye sanal olarak atalet sağlayan kontrol şemaları, frekans düşüşlerini yumuşatmak için türbinin dönme kinetik enerjisini geçici olarak serbest bırakır; ancak rotor daha sonra hızını geri kazanana kadar çıkışın azaltılması gerekir.

4. Sabit Hızlı, Değişken Hızlı ve Şebeke Bağlantısı

Sabit hızlı indüksiyon jeneratörlerinin yapımı basittir, ancak rüzgar hızı değişiklikleri kolayca mekanik torka ve şebekeye yayılır. Çift beslemeli bir indüksiyon jeneratörü (DFIG), değişken hız aralığını ve reaktif gücü kontrol etmek için rotor tarafında kısmi kapasiteli bir dönüştürücü kullanır. Tam kapasiteli bir dönüştürücüye sahip kalıcı mıknatıslı senkron jeneratör, jeneratörü şebekeden elektriksel olarak ayırarak geniş bir hız aralığında kontrol sağlar; ancak bu, daha fazla güç yarı iletkeni ve mıknatıs maliyetine yol açar. masraf.

İnvertörler genellikle şebeke fazını PLL aracılığıyla takip eden şebeke izleme kontrolü kullanır, ancak zayıf açık deniz şebekeleri veya izole adalar şebeke oluşturma kontrolü gerektirir. Bir türbin kümesini denetleyen bir çiftlik kontrolörü, şebeke operatörünün komutlarını, hava tahminlerini ve batarya şarj durumunu aynı kontrol hiyerarşisine aktararak, bireysel türbinlerin çıkışını, reaktif gücünü, rampa hızını ve kısıtlamasını koordine eder.

5. Karada, Sabit Tabanlı Açık Denizde ve Yüzer

Denizde, türbin, şamandıra, demirleme, dalgalar ve güç kablosu birbirine bağlıdır. Kanat açısının değiştirilmesi aerodinamik yükü değiştirir ve bu da kule ve şamandıra hareketini etkiler; jeneratör torkunun değiştirilmesi rotor hızını ve demirleme yükünü değiştirir. Araştırmalar, tek bir PID'nin ötesine geçerek model tabanlı öngörücü kontrol, yük azaltma kontrolü ve yorulma ömrünü uzatan dijital ikizlere doğru ilerliyor.

6. Tahmin, Bakım ve Çevre

Rüzgar enerjisi tahmini, hava modellerini, lidar verilerini, uydu verilerini, türbin gövdesi rüzgar hızını ve komşu türbinlerin rüzgar izi verilerini birleştirerek dakikalardan günlere kadar olasılık dağılımları üretir. Büyük tahmin hatası dönemlerinde, pil kapasitesi yedekte tutulur ve termal, hidro ve talep yanıtı önceden düzenlenir.

Bakım, ana şaft yatağı, dişli kutusu, jeneratör, kanat açısı yatağı ve diğer parçalar üzerinde titreşim, sıcaklık ve yağ analizini izler. Kanatlar. Drone görüntüleri ve akustik inceleme, kanat ayrılması ve yıldırım hasarı açısından kontrol edilir; anormallik belirtileri rüzgar koşullarıyla birleştirilerek kapatmaların ne zaman planlanacağına karar verilir. Kuşlar ve yarasalar, deniz memelileri, balıkçılık ve deniz tabanı ekosistemleri üzerindeki etkiler, yerleşim, operasyonel kontrol ve izleme ile birlikte değerlendirilmelidir - tek başına değil.

7. Özet

Rüzgar enerjisi, havanın momentumunu sırayla kanat, şaft, jeneratör, invertör, transformatör ve şebekeye aktaran bir sistemdir. Rüzgar hızının küp yasası ve Betz limiti, çıktının tavanını belirler; eğim, sapma ve tork kontrolü mekanik yükü ve güç kalitesini belirler; tahmin ve bakım, kullanılabilirliği belirler. Açık deniz/yüzer türbinler veya şebeke oluşturan invertörler üzerine yapılan araştırmaları okurken, bunları yalnızca dönüşüm verimliliği açısından değil, yorgunluk, kablolama, limanlar, hava durumu, çevre ve şebeke işletimi de dahil olmak üzere karşılaştırmak önemlidir.

Referanslar

• NEDO — Açık Deniz Rüzgar Enerjisi
• IEA Rüzgar TCP
• NREL — Rüzgar Enerjisi
• IEC 61400 — Rüzgar enerjisi üretim sistemleri
• Doğal Kaynaklar ve Enerji Ajansı — Yenilenebilir Enerji