Генераторы для ветряных турбин – часть 2: как выбрать
Существует несколько типов генераторов, которые могут быть подключены к небольшим ветряным турбинам: наиболее важные типы постоянного или переменного тока, а также синхронные или асинхронные, которые работают с постоянными магнитами или возбуждением электрического поля соответственно. Выбор зависит от различных факторов, таких как применение (автономное или подключенное к сети), тип нагрузки, технологичность, номинальная выходная мощность, скорость вращения турбины и стоимость. Тем не менее все эти электрические машины представляют собой электромеханические устройства, работающие по закону электромагнитной индукции Фарадея.
Синхронный против асинхронного
Как объяснялось в предисловии к этой статье, вращающаяся часть генератора содержит какой-то компонент, создающий магнитное поле. Следовательно, он представляет собой вращающиеся полюса. Есть два типа компонентов, которые могут выполнять эту задачу.
В так называемых синхронных генераторах мы найдем простые постоянные магниты. Они похожи на подковообразные магниты или на магнит, который можно прикрепить к холодильнику. Тип генератора, в котором используются постоянные магниты, называется синхронным, потому что ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой скоростью. Синхронные генераторы обычно имеют высокую удельную мощность и небольшую массу, поэтому они все чаще используются в ветряных турбинах.Проблемы, связанные с этими генераторами, заключаются в том, что при сильном нагреве постоянные магниты могут размагнититься, что сделает генератор бесполезным, и что они не могут производить электричество с фиксированной частотой. Это происходит из-за изменчивости скорости ветра и вращения с одинаковой скоростью. Поэтому для этих генераторов требуются выпрямительные преобразователи мощности.
Аналогом синхронных являются асинхронные генераторы. Они создают электрическое поле не с помощью постоянных магнитов, а с помощью дополнительных катушек. Закон Фарадея предполагает, что электрический ток и магнитное поле всегда существуют вместе. Это позволяет нам использовать магнитное поле для индукции электрического тока способом, подробно описанным здесь, но также помогает нам создавать магнитное поле, посылая ток через катушку. Это именно то, что делают асинхронные генераторы. Следовательно, генератору такого типа требуется источник питания специально для магнитов, но он менее подвержен повреждениям и может быть более надежным, чем его аналог. Кроме того, он имеет более высокую степень демпфирования, так что он может намного легче поглощать колебания скорости вращения ротора.
Динамо против генераторов
Основное различие между динамо-машиной и генератором переменного тока заключается в типе тока, который они производят: динамо-машина производит постоянный ток (DC), а генераторы переменного тока производят переменный ток (AC), который постоянно меняет направление потока.
Для очень простой установки генератора мы узнали в предисловии к этой статье, что производимая выходная мощность будет электричеством переменного тока. Часть, которая позволяет динамо-машине производить мощность постоянного тока без полной переделки концепции, называется коммутатором. В простейшем случае это фиксированный переключатель, который подключается и отключается от двух разных концевых контактов силовой цепи генератора при вращении вала. Это позволяет коммутатору постоянно менять полярность выходного тока, так что в итоге выход всегда имеет одну и ту же полярность.
Основное преимущество динамо-машин, производящих постоянный ток, заключается в том, что большинству наших электрических устройств для работы требуется постоянный ток. Это означает, что если вы вырабатываете электроэнергию переменного тока, вам всегда будет нужен преобразователь мощности для использования электричества в вашем доме.
Тем не менее генераторы переменного тока сегодня получили гораздо большее распространение. Причина этого в том, что электричество переменного тока гораздо проще и эффективнее передавать по огромным линиям электропередач. Преобразование мощности переменного тока в чрезвычайно высокое напряжение для транспортировки, а затем его повторное снижение до пригодного для использования уровня является простым и может быть выполнено без значительных потерь мощности. То же самое очень сложно сделать с постоянными токами. Как только мощность переменного тока достигает желаемого места для потребления, мощность переменного тока может быть снова легко преобразована в постоянный ток.
Стандарт в ветроэнергетике: Синхронные генераторы с постоянными магнитами
Тип генератора, наиболее часто используемый в ветряных турбинах, — это синхронные генераторы с постоянными магнитами. Это связано с тем, что в последние годы они стали более привлекательными за счет повышения производительности и снижения стоимости. Они конкурентоспособны, особенно для турбин с прямым приводом, поскольку могут иметь большее число полюсов, составляющее 60 или более полюсов, по сравнению с обычным асинхронным генератором. Это означает, что, несмотря на более низкие скорости вращения, может быть достигнута приемлемая частота выходной мощности.
При нормальной работе генераторы с постоянными магнитами стабильны и безопасны, а главное, им не требуется дополнительный источник питания цепи возбуждения для создания магнитного поля. Это значительно упрощает конструкцию и электрическое подключение и исключает потери на возбуждение ротора, которые могут составлять 20-30 % от общих потерь генератора. Следовательно, удельная мощность высока, а генератор остается небольшим и эффективным. Это привлекательно, потому что, учитывая, что риск размагничивания устранен должным образом, это обещает низкие затраты в течение всего срока службы и небольшие проблемы или техническое обслуживание.
Кривая мощности
Хотя это может показаться простым, связь между ветряной турбиной и генератором не просто механическая с валом и коробкой передач. Для достижения удовлетворительной производительности кривые мощности ветряной турбины и генератора должны быть согласованы.
Вообще говоря, существуют разные типы мощности, но они имеют физическую единицу измерения ватт. Есть механическая энергия, сначала содержащаяся в ветре, затем во вращающихся лопастях, а потом уже электрическая энергия.
С одной стороны, механическая мощность вращения, содержащаяся во вращающихся лопастях ветровой турбины, рассчитывается как произведение скорости вращения ротора на его вращательный момент. Скорость — это, по сути, частота вращения вала в течение фиксированного периода времени, в то время как импульс соответствует тому, с каким «сопротивлением» или моментом инерции может вращаться вал. Чтобы визуализировать импульс, представьте, что вы крутите карандаш в руке. Если вы держите его свободно, это будет очень легко сделать. Если вы возьмете его крепче, вам придется прилагать больше усилий, чтобы карандаш вращался с той же скоростью, что и раньше. Что происходит, так это то, что вам нужно приложить к нему более высокий импульс, потому что ваш жесткий захват, останавливающий вращательное движение, действует подобно высокому моменту инерции.
Таким образом, выходная мощность ротора ветряной турбины зависит от скорости вращения и текущего импульса в любой момент времени. Конечно, выходная мощность не всегда одинакова. Она существенно меняется при увеличении или уменьшении скорости ветра. Эти шансы составляют так называемую кривую мощности.
С другой стороны, электрическая мощность рассчитывается как напряжение устройства, умноженное на его ток. Проще говоря, в генераторе происходит то, что он извлекает часть мощности, содержащейся во вращении, для преобразования ее в электрическую энергию. Очевидно, что количество энергии, которое можно извлечь, зависит от количества имеющейся мощности. Проблема в том, что сам по себе генератор не знает, какая у него мощность вращения.Однако он может получить данные от датчика ветра, чтобы узнать текущую скорость ветра. Благодаря кривой мощности турбины ее текущая мощность вращения может быть напрямую получена из указанной скорости ветра. Итак, теперь мы можем решить, сколько энергии должен извлекать генератор при любой заданной скорости ветра, и запрограммировать его на это. Делая это, мы даем ему собственную кривую мощности.
Энергия и выходная мощность – в чем разница?
Распространенное заблуждение, когда люди говорят о ветряных турбинах, заключается в том, что они путают мощность с выходной мощностью. Разница заключается в следующем: выходная мощность говорит нам, сколько энергии производится по сравнению с определенным периодом времени. Выход энергии говорит нам, сколько энергии фактически произведено. Единицей, которая используется для обозначения выходной энергии, обычно является кВтч – киловатт-часы. Производство энергии в один киловатт-час может означать, что в течение одного часа электрическое устройство произвело ровно одну тысячу ватт электричества или что в течение полутора часов оно произвело две тысячи ватт электричества.
Поэтому, если вы хотите рассказать кому-нибудь, сколько энергии произвела ваша ветряная турбина в прошлом году, вы можете сказать: «Моя турбина произвела 400 кВтч — разве это не круто?». В этом контексте говорить о власти было бы мало смысла. Как правило, сравнение выходной мощности полезно, например, при сравнении двух различных типов турбин, работающих в одинаковых условиях окружающей среды. Имеет ли смысл говорить о мощности или выходе энергии, зависит от ситуации. Тем не менее, знайте свои единицы измерения — используйте ватты, когда говорите о мощности, и киловатт-часы, когда говорите об энергии.
