Почему ветряки крутятся так медленно?

Вращение, которое кажется медленным

Ветряные турбины предназначены для улавливания ветра. Почему же лопасти кажутся такими медленными? Разве ускорение не увеличит выработку электричества? Удивительно: вращение кажется медленным, а концы лопастей могут мчаться.

И быстрее не всегда лучше. Рабочая скорость зависит от ветра, конструкции лопастей и того, что турбина безопасно выдержит.

Быстрый конец лопасти на медленном роторе

Проследите за двумя точками одной лопасти: возле ступицы и на конце. Они завершают оборот одновременно, но конец проходит гораздо больший путь. Возьмём эталонную пятнадцатимегаваттную турбину I E A: исследовательский проект, опубликованный в две тысячи двадцатом году. Диаметр ротора двести сорок метров, номинальная скорость около семи с половиной оборотов в минуту.

При радиусе сто двадцать метров конец лопасти движется со скоростью около девяноста пяти метров в секунду. Оборотов мало, но огромный круг скрывает высокую скорость конца лопасти. Двигаясь вместе с участком лопасти, рассмотрим встречный воздушный поток. Относительный поток сочетает ветер с движением лопасти, поэтому набегает на движущийся участок под углом.

Профиль лопасти создаёт подъёмную силу поперёк относительного потока, а силу сопротивления вдоль него. Часть аэродинамической силы направлена по ходу вращения: она толкает лопасть и поворачивает ступицу. Другая составляющая нагружает ротор вдоль его оси, и эту нагрузку должна выдерживать конструкция. Скорость и угол лопасти меняют встречный поток, а значит, и вращающую силу, и нагрузки.

В поисках полезной скорости

Отношение скорости конца лопасти к скорости ветра инженеры называют быстроходностью. Если конец лопасти движется в девять раз быстрее ветра, быстроходность равна девяти независимо от единиц. Для заданной конструкции лопастей и угла установки существует диапазон режимов эффективного извлечения энергии потока. Ускорение вращения может приблизить ротор к этому диапазону, но дальнейшее ускорение может снова отдалить.

Одна лишь быстроходность не определяет лучший режим для любой турбины. В эталонном проекте I E A выбранный рабочий режим отличается от режима с наибольшим аэродинамическим коэффициентом мощности, поскольку нужно учитывать ещё и нагрузки. В основном диапазоне ниже номинальной скорости ветра управление моментом генератора стремится поддерживать выбранную быстроходность этой эталонной турбины.

Генератор даёт управляемое сопротивление вращению, и через него регулятор влияет на скорость ротора. При более слабом ветре турбина также поддерживает минимальные обороты ротора, поэтому управление меняется. Даже до достижения номинальной мощности ограничения реальной турбины не позволяют ей всегда поддерживать одну идеальную быстроходность. При достижении номинального режима поворот лопастей удерживает скорость эталонной турбины вблизи номинальной.

Поворот лопастей вокруг продольных осей меняет их угол к потоку и позволяет ограничивать отбираемую мощность. Лопасти и башня должны выдерживать нагрузки, а изгибающиеся лопасти должны сохранять зазор до башни. Регулятор соблюдает эти ограничения: усиление ветра не означает, что скорость вращения и электрическая мощность должны расти бесконечно.

Момент в обмен на скорость

Редуктор рассмотрим на другой трансмиссии: N R E L, семьсот пятьдесят киловатт, проект Gearbox Reliability Collaborative. Ранний образец использует две номинальные скорости генератора, в отличие от I E A с переменной скоростью. От ступицы главный вал ведёт в редуктор: планетарная ступень приводит две ступени с параллельными валами. В выбранном испытании главный вал делает примерно двадцать два оборота в минуту, генераторный примерно тысячу восемьсот.

За оборот входного вала выходной совершает примерно восемьдесят один с половиной оборот. Последняя пара ускоряет вчетверо: колесо в восемьдесят восемь зубьев и шестерня в двадцать два. При зацеплении зубья проходят место контакта, заставляя меньшее колесо совершать больше оборотов. Это определяет соотношение скоростей пары, а передаточные числа последовательных ступеней перемножаются до генератора.

Механическая мощность равна произведению крутящего момента и угловой скорости: ускорение вала не означает, что редуктор создаёт дополнительную мощность. При идеальной установившейся передаче рост скорости пропорционально снижает крутящий момент, а передаваемая мощность сохраняется. У реального редуктора есть потери на трение: на выходе мощности меньше, чем на входе. Повышение скорости позволяет соединить ротор с быстроходным генератором, который может быть меньше тихоходного.

Мы замедлили механизм для наблюдения, сохранив единый масштаб времени для связанных валов. Передаточное число объясняет разницу скоростей вращения. Теперь посмотрим, как генератор превращает передаваемую механическую мощность в электрическую.

Переход к электричеству

Возьмём упрощённую модель генератора с вращающимся источником магнитного поля и неподвижными катушками. Она показывает электромагнитную индукцию, но не воспроизводит устройство генератора G R C. Следите за полем, пронизывающим катушку, при вращении магнитного источника. Магнитный поток через катушку меняется. Закон Фарадея связывает скорость изменения с наведённым в катушке напряжением.

В этой простой модели за оборот поток растёт и падает, а наведённое напряжение меняет полярность. Напряжение следует за скоростью изменения потока, поэтому его пики не совпадают с пиками потока. Даже при разомкнутой цепи меняющийся поток может наводить напряжение на выводах. В идеально разомкнутой цепи тока в нагрузке нет, и само напряжение не означает передачи полезной мощности.

Замкните цепь через нагрузку, и ток сможет передавать ей энергию генератора. Ток создаёт магнитное поле, противодействующее вызвавшему его изменению, и генератор сопротивляется вращению. Для передачи электрической энергии вал должен непрерывно совершать механическую работу против этого сопротивления. Так связаны крутящий момент и выработка электричества: вращающее усилие ротора обеспечивает энергию,

а генератор и подключённая цепь определяют, как эта энергия отбирается.

От генератора к сети

Для подключения к сети возьмём опубликованную модель полного преобразования мощности на базе CART три от N R E L, турбины для исследования передовых систем управления. Силовая электроника связывает переменный режим генератора с сетью переменного тока. В описанной модели выпрямитель превращает переменный ток генератора в постоянный, который идёт через звено постоянного тока. Затем инвертор преобразует этот ток в управляемый переменный ток с частотой сети.

Так скорость вращения генератора и частота вырабатываемого им тока могут меняться, не меняя частоту сети. В базовой схеме преобразователь со стороны сети управляет напряжением звена постоянного тока и обменом мощностью с сетью. У трансформатора другая работа: он меняет напряжение переменного тока. Повышение напряжения позволяет передавать ту же мощность при меньшем токе, снижая потери в линиях, отводящих электричество от ветроэлектростанции.

Внутренняя сеть ветроэлектростанции собирает энергию турбин и через подстанцию передаёт её в общую энергосеть. Генератор, преобразователь и трансформатор выполняют разные задачи, передавая энергию, которую ветер уже отдал в механической форме.

Убрать редуктор

Вернёмся к эталонной турбине I E A на пятнадцать мегаватт с прямым приводом. Ротор соединён с генератором без повышающего редуктора, и генератор работает на низких оборотах самого ротора. Во вращающейся внешней части эталонного генератора расположено кольцо постоянных магнитов, окружающее неподвижную конструкцию с катушками. Многочисленные магнитные полюса проходят мимо катушек, многократно меняя поле за один медленный оборот.

Без редуктора согласование ротора с генератором меняется, но аэродинамическая задача лопастей остаётся прежней. Эта конструкция тоже регулирует момент и угол лопастей, извлекая энергию в допустимых пределах ротора. Устройство редуктора описывает механическое соединение, а схема преобразователя описывает электрическое. Это разные стороны устройства турбины. По одному медленно вращающемуся ротору нельзя определить всю трансмиссию и электрическую систему за ним.

Снова смотрим на ротор

Снова посмотрите, как конец лопасти описывает огромный круг. Даже при нескольких оборотах ротора в минуту концы лопастей мчатся, проходя огромный путь за оборот. Ускорение полезно, лишь когда приближает турбину к эффективному режиму в допустимых пределах. Мощность зависит также от крутящего момента и того, как генератор и электрическая система передают энергию.

Кажущиеся медленными обороты участвуют в управляемом обмене энергией между движущимся воздухом и электросетью. При изменении ветра регулятор может менять угол лопастей и момент генератора, удерживая ротор в расчётном рабочем диапазоне.