regulacja mocy wiatraka

Regulacja mocy

Przenoszenie się zmienności wiatru na moc określone jest przez krzywą mocy elektrycznej w funkcji prędkości wiatru. Przebieg tych krzywych zależy od konstrukcji turbiny (a w szczególności płatów wirnika) i jej układów regulacji. Charakterystyczne dla tej krzywej są:

Przykładowe krzywe mocy dla siłowni wiatrowych.

Na rysunku powyżej pokazano przykładowe krzywe mocy turbiny w funkcji prędkości wiatru, takie, jakie zazwyczaj podają producenci turbiny. W tym przypadku są to turbiny 1.3 MW i 2.5 MW duńskiej firmy Nordex. Wirnik mniejszej turbiny nie ma regulacji ustawienia kąta płatów wirnika (regulacja typu "stall"). Wirnik większej turbiny ma regulacje ustawienia płatów (regulacja typu "pitch"). W rzeczywistości mierzona moc siłowni wiatrowej w funkcji prędkości wiatru (mierzonego na wysokości gondoli) może być bardzo różna i zależy od rozkładu prędkości wiatru na całym przekroju wirnika jak i gradientu jego zmian.

Elektrownie wiatrowe są projektowane, aby produkowały energię elektryczną tak tanio jak to tylko możliwe. Generalnie projektuje się je tak, aby oddawały maksymalną moc przy wietrze o prędkości 15m/s. Nie opłaca się produkować elektrowni, które będą osiągać maksimum mocy przy silniejszych wiatrach, ponieważ występują one niezwykle rzadko. Paradoksalnie większe prędkości wiatru dla zwykłej elektrowni są niekorzystne. Konieczne jest wtedy wytracenie nadmiaru energii wiatru, aby chronić ją przed uszkodzeniem. Każda turbina wiatrowa musi posiadać zatem jakiś rodzaj kontroli mocy.

Regulacja przez ustawienia kąta łopat (pitch controlled). W elektrowniach z regulacją typu "pitch", elektroniczny kontroler turbiny sprawdza moc wyjściową kilka razy na sekundę. Kiedy staje się ona zbyt wysoka, wysyła sygnał do mechanizmu ustawienia kąta łopat, który natychmiast koryguje ich kąt aby zmniejszyć moment napędowy wirnika. Kiedy wiatr słabnie ma miejsce sytuacja dokładnie odwrotna. Łopaty wirnika muszą zatem posiadać możliwość obrotu wokół własnej osi (regulacji kąta natarcia). Układy regulacji typu "pitch" wymagają niezwykle zaawansowanych technologii, aby mieć pewność że kąt natarcia łopat jest dokładnie dostosowany do warunków wiatrowych. Komputer będzie przestawiał łopatę o kilka stopni za każdym razem gdy zmieni się prędkość wiatru, tak aby utrzymać stałą moc wyjściową. Mechanizm regulacji kąta natarcia jest zazwyczaj realizowany za pomocą siłowników hydraulicznych umieszczonych w piaście wirnika.

Pasywna regulacja przez przeciągnięcie (stall controlled). Przy pasywnej regulacji typu "stall" łopaty są przymocowane do piasty przy stałym kącie. Geometria profilu łopaty jest tak dopracowana aerodynamicznie, że w momencie, gdy wiatr staje się zbyt silny, zapewnia powstanie turbulencji na części łopaty, które ograniczają moment napędowy wirnika. Płaty są zaprojektowane tak, że stan przeciągnięcia postępuje od osi obrotu płata. Im większa jest prędkość wiatru, tym większa część płata jest w stanie utykania. Przyglądając się bliżej łopacie wirnika dostosowanego do tego typu regulacji można zauważyć, że jest ona charakterystycznie skręcona. Robi się to między innymi po to, aby wirnik ulegał przeciągnięciu stopniowo i nie reagował gwałtownie przy silniejszych podmuchach. Najbardziej oczywistą zaletą regulacji "stall" jest brak skomplikowanego mechanizmu regulacji kąta ustawienia łopat i całego układu kontroli z tym związanego. Z drugiej strony tego typu regulacja wiąże się z projektowaniem niezwykle złożonego aerodynamicznie płata. Dużym wyzwaniem jest też struktura całej elektrowni, która musi znosić drgania związane z turbulencją. Około dwie trzecie turbin na świecie posiada tego typu regulacje.

Aktywna regulacja przez przeciągnięcie (active stall controlled). Technicznie przypomina ona regulację typu "pitch", ponieważ także wykorzystuje regulację kąta natarcia łopat. Różnice można zauważyć w momencie, gdy generator ulega przeciążeniu, wtedy mechanizm przestawia łopaty w odwrotnym kierunku niż w regulacji "pitch". Innymi słowy wzrasta kąt natarcia łopaty, aby wprowadzać ją w stan coraz głębszego przeciągnięcia, aby w ten sposób wytracić nadmiar energii wiatru, który mógłby uszkodzić turbinę. Korzyścią z aktywnej kontroli typu "stall" jest możliwość większej dokładności kontroli mocy wyjściowej niż przy regulacji pasywnej, co umożliwia uniknięcie przekroczenia mocy znamionowej generatora przy nagłych podmuchach wiatru. Kolejną korzyścią jest możliwość pracy z mocą bardzo zbliżoną do znamionowej przy wysokich prędkościach wiatru. Przy regulacji pasywnej następuje wtedy spadek produkcji mocy, gdyż łopaty wchodzą w coraz większe przeciągnięcie.

Regulacja przez zmianę kierunku (Yaw Control). Regulacja ta polega na obrocie gondoli i tym samym osi obrotu wirnika elektrowni względem kierunku napływającego wiatru. Może ona być zrealizowana w sposób aktywny lub pasywny. Kierunkowanie pasywne jest zapewnione przez umieszczenie chorągiewki kierunkowej na gondoli. Daje to efekt w postaci ustawienia wirnika na wprost kierunku wiatru. Rozwiązanie takie stosowane jest tylko w niewielkich urządzeniach pracujących dla małych odbiorców. W dużych instalacjach, o mocach kilkudziesięciu kilowatów do kilku megawatów, wymagane jest stosowanie aktywnej regulacji kierunku ustawienia. Na szczycie wieży znajduje się zębaty pierścień, który połączony jest z kołem zębatym osadzonym na wale silnika kierunkowego. Silnik obracając się powoduje ustawienie turbiny w odpowiednim kierunku. Ponieważ moc zależy od powierzchni zarysu wirnika, odsunięcie siłowni od głównego kierunku wiatru powoduje zmniejszenie użytecznej powierzchni zarysu wirnika i ograniczenie oddawanej mocy.

Kiedy elektrownia nie pracuje, układ regulacji kierunku także jest wyłączony. Mechanizm regulacji jest sterowany przez elektroniczny kontroler, który kilka razy na sekundę sprawdza odczyty z wiatrowskazu i w razie potrzeby koryguje ustawienie kierunku.

Regulacja przez zmianę obciążenia (Load Control). Metoda ta polega na zmianie rezystancji stanowiącej obciążenie generatora. W ten sposób "przenosi się" punkt pracy siłowni z jednej charakterystyki mechanicznej na inną, bardziej korzystną dla aktualnie panujących warunków (prędkości i kierunku wiatru). Zmiana rezystancji musi odbywać się łagodnie, zbyt gwałtowny wzrost momentu obciążenia mógłby spowodować uszkodzenie turbiny, wału, łożysk itp.

Regulacja lotkami łopat wirnika (Aileron Control). Jest to rzadko spotykany sposób regulacji, który był stosowany w początkach rozwoju energetyki wiatrowej. Polega on na zmianie charakterystyki aerodynamicznej łopat przez korekcję ustawienia tzw. lotek. Regulacja taka znajduje natomiast powszechne zastosowanie w lotnictwie podczas startu i lądowania samolotu.

Regulacja przez zmianę poślizgu generatora. Niektóre generatory posiadają możliwość regulacji prędkości obrotowej poprzez zmianę poślizgu. Zdolność do regulacji prędkości turbiny w ten sposób jest szczególnie przydatna w elektrowniach z regulacją mocy poprzez zmianę kąta natarcia łopat. W dużych duńskich elektrowniach (600 kW i większych) stosuje się następującą strategie: kiedy generator oddaje moc zbliżoną do znamionowej poślizg ustawia się na połowę jego wartości maksymalnej. Kiedy wiatr się wzmaga, elektroniczny kontroler przesyła sygnał, aby zwiększyć poślizg, co pozwoli przyspieszyć trochę wirnikowi, dając czas na skorygowanie kąta natarcia łopat, po czym poślizg znowu się zmniejsza. W przypadku, gdy wiatr słabnie następuje sytuacja odwrotna. Zaletą tej strategii jest lepsza jakość energii, jaką otrzymujemy. Wahania mocy wyjściowej są niejako tłumione przez wypuszczanie albo gromadzenie energii jako energii obrotowej wirnika.