4. Krzywa mocy

Turbina wiatrowa pracuje w pełni automatycznie. Do sterowania pracą turbiny służą systemy sterujące OptiTip i OptiSlip sterownika VMP (Vestas Multi Processor), który spełnia następujące funkcje [2, 12]:

- Przed podłączeniem do sieci prędkość obrotowa jest synchronizowana z częstotliwością sieci w celu ograniczenia prądu włączenia.

- Tyrystorowe włączenie generatorów w celu ograniczenia prądu włączenia.

- Automatyczną płynną regulacje napięcia i częstotliwości generatora prądu.

- Odkręcanie kabli wiązki energetyczno-sygnałowej.

- Prąd załączenia jest niższy od prądu przy pełnym obciążeniu.

- Automatyczne obracanie głowicy zgodnie z kierunkiem wiatru.

- Włączanie i wyłączanie korekcji mocy biernej. Korekcja współczynnika mocy biernej obejmująca bezobciążeniowe zużycie mocy czynnej generatora jest standardowa.

- Monitorowanie sieci energetycznej zgodnie z raportem DEFU KR77 (raport Duńskiego Stowarzyszenia Przedsiębiorstw Energetycznych).

- Monitorowanie pracy.

- Zatrzymywanie turbiny w przypadku awarii.

- Rejestrację i opracowanie statystyki pracy poszczególnych podzespołów elektrowni,

- Rejestrację tzw. "czarnej skrzynki" dla sytuacji awaryjnych.

Chwilowe warunki wietrzne mogą być podzielone na cztery kategorie:

Rys.9. Krzywa mocy przedstawione na krzywej mocy

1. Gdy wiatr jest bardzo słaby i wirnik nie obraca się, lub obraca się z bardzo niewielką prędkością, kąt nachylenia łopat będzie wynosił około 45°. Daje to wirnikowi maksymalny moment rozruchowy, pozwalający na szybki start, gdy wzrośnie prędkość wiatru. Wówczas sterownik ustawi łopaty pod kątem 0°. (zgodnie z wiatrem), prędkość obrotowa wirnika i generatora wzrośnie do wartości nominalnej, którą sterownik VMP będzie starał się utrzymywać. Taka sama sytuacja występuje, gdy generator jest włączony do sieci, a wiatr słabnie. Gdy produkowana moc stanie się ujemna, wówczas generator zostanie odłączony od sieci, a sterownik VMP będzie kontrolował prędkość.

2. Przy umiarkowanej prędkości wiatru prędkość obrotowa jest regulowana w kierunku wartości nominalnej i jeżeli możliwe jest utrzymanie kąta nachylenia wynoszącego 5° (co oznacza, że wiatr niesie wystarczającą ilość energii), wówczas generator będzie włączony do sieci. Gdy generator jest włączony, ale wiatr nie ma prędkości wystarczającej do wytwarzania mocy nominalnej, kąt nachylenia łopat jest regulowany jako funkcja prędkości wiatru. Została ona nazwana OptiTip. Jest ona zaimplementowana w turbinach Vestas w celu zapewnienia optymalizacji aerodynamiki łopat, co w rezultacie daje optymalną produkcję energii. Sterownik VMP kontroluje wytwarzaną moc, tak aby prędkość wirnika była utrzymywana w wąskim paśmie zwanym "uślizgiem", które jest procentową relacją pomiędzy rzeczywistą a synchroniczną prędkością obrotową. W tym zakresie sterowania uślizg jest utrzymywany na poziomie 2%.

3. Jeżeli prędkość wiatru wzrośnie i wytwarzana moc osiągnie wartość nominalną, wówczas moc będzie utrzymywana na stałym poziomie dzięki obu systemom sterowania. Relatywnie powolny system sterowania nachyleniem łopat, utrzymuje prędkość generatora na stałym poziomie, tak aby uślizg wynosił około 4%. Moc będzie utrzymywana na stałym poziomie odpowiadającym wartości nominalnej, o ile uślizg jest pomiędzy 1% a 10%. Jeżeli prędkość wiatru wzrośnie, wówczas prędkość wirnika i generatora również wzrośnie. Wówczas sterownik VMP obróci łopaty w kierunku 90°, dzięki czemu prędkość obrotowa ponownie spadnie do poziomu odniesienia.

4. Jeżeli prędkość wiatru wzrośnie powyżej wartości granicznej, wówczas generator zostanie odłączony i turbina zostanie zatrzymana z łopatami nachylonymi pod kątem ok. 90°. Sterownik VMP zaczeka, aż prędkość wiatru spadnie poniżej limitu ponownego uruchomienia i wówczas uruchomi turbinę ponownie. System sterujący, który kontroluje moc i prędkość obrotową, jak również generator ze zmiennym uślizgiem, nosi nazwę OptiSlip.

5. Metody regulacji mocy oddawanej przez elektrownie wiatrowe

Sterowanie pojedynczej turbiny wiąże się z właściwym ustawieniem wirnika pod wiatr oraz zastosowaniem stałowartościowej regulacji prędkości wirowania. W istocie steruje się całym zespołem złożonym z silnika wiatrowego, generatora, prostownika i falownika. W układzie sterowania występują dwie wielkości wyjściowe: prędkość kątowa wirowania silnika oraz prąd w obwodzie prostownika jak i wielkości wejściowe: kąt nastawienia łopatki, kąt zapłonu prostownika oraz napięcie zasilające wzbudzenie generatora. [11]

Moc na wyjściu generatora jest zależna od mocy ją obciążającej. Jak wiadomo moc obciążenia jest zmienna, dlatego kompensuje się pracę źródeł i odbiorników. Stabilizację pracy turbiny wiatrowej na poziomie mocy nominalnej zapewnia jej największą efektywność.

Dążenie w siłowniach wiatrowych do wytwarzania energii o wysokiej jakości, prowadzi do stabilizacji mocy osiąganej poprzez akumulację energii. Magazyn energii w siłowniach wiatrowych uniezależnia system od braku wiatru lub jego nadmiernej prędkości. Na rysunku 10 przedstawiono charakterystyczne wykresy. Wykres został opracowany przy założeniu, że pobór mocy przez odbiorniki nie ulega zmianie.

Rys.10. Zakres pracy i moc generowana przez siłownię w funkcji prędkości wiatru.

Na pierwszym (a) na osi poziomej odłożono przeciętne wartości wiatru a na pionowej moc wejściową (moc wiatru) i moc wyjściową (moc turbiny).

Turbina ma swój moment oporowy, który jest w stanie pokonać dopiero wiatr o określonej prędkości v₁. Dlatego też moc wiatru i prądnicy są przesunięte względem siebie. Powyżej prędkości v₂ moc prądnicy nie wzrasta na skutek regulacji kąta nastawienia łopatek. Przy dalszym zwiększaniu wiatru v₃ następuje odcięcie mocy a więc zahamowanie generatora.

Następny wykres (b) jest zapisem zmian prędkości wiatru w funkcji czasu. Na wykresie wyznaczono prostą, która jest średnią prędkości wiatru w określonych granicach całkowania. Wartość średnia jest w tym przypadku większa od prędkości v₂ a wartość maksymalna v(t) nie przekracza v₃.

Kolejny wykres (c) obrazuje zależność zmian mocy prądnicy w czasie od zmian prędkości wiatru. W przedziale czasu 0 ÷ t₁ moc generatora zmienia się według krzywej mocy z wykresu pierwszego (a) (zakres prędkości v₁ ÷ v₂). Natomiast w przedziale t₁ ÷ T moc jest stała.

Energia elektryczna produkowana w takich elektrowniach musi mieć takie same parametry (częstotliwość i napięcie) jak sieć, z którą elektrownia wiatrowa współpracuje. Zwykle prędkość obrotowa turbiny utrzymywana jest na stałym poziomie, jednak stosuje się też układy pracujące ze zmienną prędkością obrotową. Dla zwiększenia rocznej produkcji energii stosowane są dwa generatory, z których jeden pracuje przy dużych prędkościach wiatru, zaś drugi przy słabszych wiatrach. Inne rozwiązanie to generatory o przełączanej (regulowanej) liczbie par biegunów. Daje to również możliwość pracy przy różnych prędkościach obrotowych generatora.

Turbiny wiatrowe wymagają regulacji czynnej lub samoczynnej (pasywnej)[2, 12] ponieważ moc pobierana jest z wolnego prądu powietrza, który jest oczywiście niekontrolowany. Regulacja aktywna to zmiana kąta ustawienia płatów łopaty. Regulacja pasywna dostosowuje prędkość obrotową turbiny i kierunek ustawienia wiatru. Samoczynne określenie punktu pracy polega na zastosowaniu profilu płata, który powoduje utknięcie (zahamowanie) wirnika przy dużych prędkościach wiatru.

Regulacja osiągnięta poprzez kontrole mocy wytworzonej przez wirnik jest konieczna ponieważ nie ma wiele możliwości magazynowania nadmiaru energii wewnątrz turbiny (pomimo, że wielkich maszynach z powodu inercji wirnika, zespołu napędowego oraz niewielkich wahań prędkości wirnika istnieje bardzo krótki okres magazynowania). Dlatego też wybór odpowiedniej metody kontrolowania mocy generatora silnie wpływa na uzyskiwaną z niego energię elektryczną [24]. Filozofia regulacji turbiny oparta jest na trzech wymogach operacyjnych:

- wytwarzanie maksymalnej mocy aż do mocy nominalnej

- satysfakcjonującej jakości energii elektrycznej

- minimalizacja zmiennych i przejściowych przeciążeń (zwłaszcza zmęczenia materiału wywołanego zmiennymi obciążeniami) i tym samym maksymalizowanie życia turbiny

Wszystkie siłownie wiatrowe charakteryzują takie parametry pracy jak moc nominalna oraz prędkości wiatru: załączania 2-6,5 m/s; nominalna 9-16 m/s; wyłączania 25 m/s.

5.1. Regulacja przez "przeciągnięcie" (Stall Regulation)

Metoda pasywna:

Polegająca na wykorzystaniu naturalnej charakterystyki aerodynamicznej wirnika, którego aerodynamiczne właściwości ograniczają moment napędowy przy wyższych prędkościach wiatru. Płaty wchodzą w zakres przeciągnięcia (utykają) gdy laminarny przepływ powietrza nad płatem załamuje się i płat traci siłę nośną.

Wirniki regulowane `przeciągnięciem' działają zawsze przy stałej prędkości rotacyjnej (obrotowej). Kąt natarcia powietrza na łopaty jest uzależniony od prędkości łopat i wiatru. Ponieważ prędkość wiatru się zmienia, to właśnie ona określa kąt natarcia. Sztuka zaprojektowania wirnika regulowanego przez `przesunięcie' polega na tym, żeby oddzielona powierzchnia na łopatach powiększyła się do tego stopnia, że wydzielona moc pozostanie stała, niezależnie od prędkości wiatru.

Dopóki wiatr nie osiągnie prędkości nominalnej dla danego typu elektrowni, strategia sterowania polega na wytworzeniu maksymalnej możliwej mocy. Po wejściu w zakres normalnej pracy dąży się do utrzymania wytwarzanej mocy na nominalnym poziomie.

Rys.11. Siła aerodynamiczna dla dwóch prędkości wiatru.

Moc (P) przetwarzana przez turbinę wiatrową zależy od prędkości wiatru zgodnie z równaniem P = 0,5⋅ρ⋅A⋅C_p⋅V³. W niniejszym kontekście równanie prezentuje moc w sieci po uwzględnieniu aerodynamicznej sprawności łopat wirnika i strat układu elektrycznego. W budowie najprostszej turbiny wiatrowej wykorzystuje się łopaty o stałym skoku pracujące ze stałą prędkością obrotu. Rysunek 11 przedstawia siłę aerodynamiczną dla turbiny z łopatami o stałym skoku przy dwóch różnych prędkościach wiatru jako, że różna jest prędkość obrotowa. Praca ze stałą ilością obr/min da maksymalne efekty jedynie przy stałej prędkości wiatru. Na przykład jeśli turbina pracuje z prędkością rpm₁ przy prędkości wiatru V₂ (punkt B') to przetworzenie mocy nie jest optymalne. Dopiero rpm₁ - V₁ (punkt A) jest działaniem optymalnym dla prędkości wiatru V₁. Podobnie rpm₂ - V₁ (punkt A') nie jest optymalne. Dopiero rpm₂ - V₂ (punkt B) jest optymalnym momentem działania przy prędkości wiatru V₂. Rysunek 12 przedstawia zależność pomiędzy Cp (bezwymiarowy współczynnik mocy) i wskaźnikiem prędkości końcówki łopaty (TSR). Dla typowej turbiny. TSR jest niemianowaną prędkością płata definiowaną jako stosunek między prostoliniową prędkością końcówki łopaty wirnika i prędkością wiatru TSR = ωR/V

Rys.12. Współczynnik mocy podług wskaźnika TSR.

Dla utrzymania stałej prędkości turbiny wiatrowej podjęto próbę zaprojektowania łopat wirnika tak aby działały z wydajnością bliską maksymalnej (Cp_max) przy prędkościach wiatru najczęściej występujących w terenie, w którym planowana jest budowa.

Zaletą tej formy regulacji jest brak ruchomych części w konstrukcji wirnika (płaty przymocowane są pod stałym kątem) oraz układów aktywnej automatycznej kontroli. Upraszcza to znacznie budowę siłowni. Problemem jest redukcja drgań płatów powstających przy utykaniu i zapewnienie stabilnej krzywej mocy. Ponadto ważnym czynnikiem jest brak możliwości ustawienia płatów w tzw. "chorągiewkę" przy zbyt dużych prędkościach wiatru, kiedy wirnik powinien być zatrzymany.

Metoda aktywna:

Technicznie, aktywne regulatory utyku silnika przypominają urządzenia regulowane kątem ustawienia łopat ponieważ posiadają one łopaty skokowe. Aby osiągnąć dość wysoki moment obrotowy przy słabej prędkości wiatru, urządzenia będą zwykle zaprogramowane w taki sposób by podnieść ich łopaty tak, jak dzieje się to w przypadku urządzenia kontrolowanego kątem ustawienia łopat przy niskiej prędkości wiatru.

Jednakże kiedy urządzenie osiąga moc znamionową, można zauważyć ważną cechę odróżniającą ją od urządzenia regulowanego kątem ustawienia łopat: jeśli generator jest bliski przeciążenia, urządzenie przesunie łopaty w kierunku przeciwnym niż zrobi to urządzenie regulowane katem ustawienia łopat. Inaczej mówiąc, urządzenie
podniesie kąt natarcia łopat wirnika tak, aby łopaty weszły w większe przeciąganie, tym samym tracąc nadmiar energii w wietrze. [7]

Rys.13. Moc a prędkość wiatru przy dwóch różnych prędkościach wirnika.

Rysunek 13 ilustruje zależność pomiędzy mocą, prędkością wiatru i obr/min dla typowej turbiny wiatrowej o dwóch stałych prędkościach wirnika. Im mniej obr/min tym mniej może być wygenerowanej maksymalnej energii. Tak więc turbina działająca przy prędkości wirnika obr/min_D będzie miała maksimum mocy P_D a turbina działająca przy prędkości rotora obr/min_C będzie osiągać maksymalną moc P_C. Ten koncept jest podstawą wykresu energii dla pracy przy różnych prędkościach jak przedstawiono na rysunku 14.

Rys.14. Żądana moc podług rpm.

Rysunek 14 ilustruje strategię regulacji. Przy niskich i umiarkowanych prędkościach wiatru (OA) generator obr/min jest regulowany tak żeby maksymalna energia jest wytwarzana przy pracy bliskiej Cp_max. Przy wysokich prędkościach wiatru turbina jest chroniona przed trajektorią (OD) następująca przy Cp_max i jest zmuszana do pracy przy niższym TSR i Cp. przy obr/min_A, zastosowany moment obrotowy generatora powoduje odstępstwa turbiny od działania przy Cp_max. Ponieważ różnica pomiędzy P_captured (moc mechaniczna uchwyconą przez wirnik turbiny) a P_electric (moc elektryczna przez generator) jest dodatnia prędkość wirnika wzrasta ale łopaty wirnika zaczynają działać w trybie częściowo zatrzymanym. Oczekuje się, że prędkość wirnika będzie możliwa do regulacji i zarezerwowana dla górnej granicy obr/min_C. Wartości pomiędzy obr/min_A a obr/min_C są obszarem „łagodnego zatrzymywania”. Aby skutecznie zastosować tę strategię konwertor mocy i generator muszą być skalibrowane z odpowiednim marginesem bezpieczeństwa aby zadziałała energia P_C dla ograniczenia prędkości wirnika do obr/min_C.

Przy pracy ze zmienną prędkością większość oscylacji momentu obrotowego wirnika jest absorbowana przez małe różnice w prędkości wirnika, co w efekcie daje zmniejszenie mocy oscylacji i wejściowego momentu obrotowego przekładni. Ten ważny efekt (obserwowany przy wszystkich prędkościach wiatru) został przedstawiony na rysunku 15, który porównuje czasowe symulacje mocy wychodzącej przy stałej i zmiennej prędkości działania przy średniej prędkości wiatru 21 m/s.

Rys.15. Szeregi czasowe mocy oddawanej dla pracy przy stałej i zmiennej prędkości rpm, przy średniej prędkości wiatru 21 m/s.

Zaletą aktywnego `przeciągania' jest to, że można regulować moc wyjściową bardziej dokładnie niż w wypadku pasywnego `przeciągania', tak aby uniknąć nadmiernego wzrostu mocy znamionowej urządzenia na początku podmuchu wiatru. Ponad to urządzenie może wydawać dokładnie taką samą moc znamionową przy każdej dużej prędkości wiatru. Normalna pasywna turbina wiatrowa regulowana `przeciąganiem' będzie miała zwykle spadek w wydajności mocy elektrycznej dla większej prędkości wiatru, ponieważ łopaty wirnika nie wchodzą w zasięg większego `przeciągania'.

Przy niezmiennym profilu łopat (SR) całkowita moc turbiny po przekroczeniu prędkości nominalnej wiatru (najczęściej jest to ok. 14 m/s) osiąga swoje maksimum, często wyższe od wartości nominalnej, a następnie maleje. Inaczej dzieje się z turbinami o zmiennym kacie natarcia łopat (PR) - po osiągnięciu maksimum, pomimo wyższej wartości prędkości wiatru, moc nominalna pozostaje utrzymana aż do całkowitego wyłączenia turbin

5.2. Regulacja kąta ustawienia łopat (Active Pitch Regulation)

Układ regulacji mocy przez zmianę kąta natarcia ustawia łopaty na podstawie informacji o wielkości oddawanej mocy i prędkości wiatru. W tym wypadku, łopaty turbin dostosowują się automatycznie do prędkości wiatru. Dzieje się tak za sprawą elektronicznego regulatora, który sprawdza moc turbiny kilka razy na sekundę (ustawiając łopaty delikatnie z/lub pod wiatr). Zazwyczaj w czasie gdy wirnik obraca się płaty przestawiane są o ułamki stopnia. Regulacja taka wpływa na wielkości sił nośnych i hamujących działających na łopaty wirnika. Pozwala ona na utrzymywanie stałej prędkości obrotowej wirnika. Jest również stosowana w siłowniach o zmiennej prędkości obrotowej turbiny.

Rys.16. Współczynnik mocy C_p podług wyróżnika szybkobieżności TSR

Przyjmuje się, że turbina wiatrowa przez większość czasu jest obsługiwana przy wysokich wartościach C_p przy zastosowaniu stałej częstotliwości prędkość rotora generatora różni się od kilku procent ( z powodu poślizgu ) powyżej prędkości synchronicznej, podczas gdy prędkość wiatru może się zmieniać w szerokim zakresie. Na rys. 16 pokazano również zmianę krzywej C_p = f(TSR) wraz z dostosowaniem kąta nachylenia. W niskich i średnich prędkościach wiatru kąt nachylenia jest kontrolowany w taki sposób, aby umożliwić obsługę turbiny w optimum jej możliwości. W rejonie dużej prędkości wiatru kąt nachylenia jest zwiększony tak, aby tracić część siły aerodynamicznej. Moc może być regulowana w oparciu o harmonogram rpm, jak pokazano na rys. 17.

Rys.17. Moc oczekiwana podług rpm rotora (strategia lontroli).

Prędkość rotora może być kontrolowana poprzez regulację różnicy między mocą elektryczną wyjściową P_elektric i mocą wychwyconą aerodynamiczne P_captured. Przy regulowanym nachyleniu można kontrolować Pcaptured, a przy użyciu konwertera mocy możliwa jest kontrola mocy elektrycznej wyjściowej. W ten sposób może być kontrolowana prędkość rotora. Możliwość kontroli prędkości rotora w rejonie dużej prędkości wiatru jest zależna od ograniczenia odpowiedzi urządzenia uruchamiającego zmianę nachylenia i wartości znamionowej konwertera mocy. Przy niskiej i średniej prędkości wiatru OC generator jest kontrolowany w taki sposób, że aerodynamiczny moment obrotowy działa przy C_{p max} przy każdym rpm.

Przy dużej prędkości wiatru istnieją dwa sposoby redukcji wychwyconego aerodynamicznego momentu obrotowego. Pierwszy to kontrola nachylenia, a drugi to wymuszanie pracy turbiny przy niższym C_p i niższym TSR (tryb wygaszania). Jak pokazano na rys. 17, w rejonie dużej prędkości wiatru mamy do czynienia z rpm₁. Przy rpm₁ nachylenie zaczyna być regulowane. W tym samym czasie moment obrotowy generatora jest zwiększany do maksimum. Ponieważ różnica między T_captured i T_elektric jest dodatnia, prędkość rotora w dalszym ciągu się zwiększa. W tej operacji T_elektric = T_rated, co wymusza pracę turbiny w trybie wygaszania, a nachylenie jest kontrolowane tak, aby znacząco zredukować działanie C_p. Oczekuje się, że ostatecznie będzie możliwa kontrola prędkości rotora, zanim osiągnie ona swój górny limit przy rpm_hi. [6]

Moc wyjściowa elektryczna powinna być wyrównana i niepulsująca. Te wymagania są bardzo łatwe do spełnienia, ponieważ moc przetworzona w moc elektryczną jest możliwa w natychmiastowej kontroli. Rozwiązaniem tego typu jest układ OptiTip firmy Vestas. Mechanizm regulacji układu znajduje się w piaście wirnika i składa się z oddzielnych siłowników hydraulicznych dla każdej łopaty. Stanowi on jednocześnie potrójny system hamulców bezpieczeństwa. System OptiTip zapewnia idealny kąt ustawienia łopat przy różnych warunkach wietrznych. Urządzenie regulujące podstawą którego jest mikroprocesor monitoruje prędkość wiatru oraz mierzy produkcje turbiny, dostosowując ustawienia łopat tak by zapewnić optymalny poziom produkcji energii. System OptiTip gwarantuje idealną równowagę pomiędzy optymalnym wykorzystaniem turbiny a minimalizacją poziomu hałasu. OptiTip współdziała z systemami OptiSlip i OptiSpeed, które równocześnie kontrolują zmianę prędkości wirnika i generatora oraz kąta natarcia łopat wirnika.

Układ OptiSlip pozwala na zmiany prędkości rotacji zarówno generatora jak i wirnika aż do 10% podczas porywu wiatru. To pozwala nie tylko wyeliminować wstrząsy ale także zminimalizować odkształcenie głównych elementów turbiny wiatrowej. Wydłuża to okres użytkowania istotnych części turbiny i do elektrowni dostarczana jest lepsza jakość energii. Asynchroniczny generator z układem OptiSlip wykorzystuje skomputeryzowany system, który może zmieniać poślizg do 10%, co odpowiada prędkości 1500÷1650 obr/min. Oznacza to , że prędkość łopat i generatora może różnić się o 10% i w związku z tym mogą one poradzić sobie nawet z najsilniejszym porywem wiatru (podczas porywu wiatru regulator nieznacznie zwiększa obroty generatora. Jednocześnie zmniejszany jest kąt natarcia łopat wirnika, co zmniejsza obroty turbiny) bez wywierania fluktuacji mocy na maszt. W klasycznym układzie regulacji generator asynchroniczny pracuje z prędkością obrotową w zakresie (100-101) % nominalnej prędkości, co dla maszyny 4 - biegunowej oznacza obroty (1500 do 1515) obr/min przy częstotliwości 50 Hz. Jeśli prędkość wiatru wzrośnie i wytwarzana moc osiągnie wartość nominalną, wówczas moc będzie utrzymywana na



stałym poziomie. [3,13]

Rys.18. Opisuje metodę OptiSlip

Od kiedy przemysł turbin wiatrowych zaczął rozwijać się na dobre, rozgorzały dyskusje co do tego, za którymi z najbardziej optymalnych strategii operacyjnych podążać - tymi wykorzystującymi stałą czy zmienną prędkość generatora.

Jednocześnie dyskusje na temat jakości energii zyskały na znaczeniu jako, że coraz większa ilość turbin wiatrowych jest podłączona do publicznych sieci elektrycznych oraz firmy użytkujące prąd stosują surowsze przepisy dotyczące energii dostarczanej do tychże sieci.

Przy obecnej technologii, odpowiedzią na powyższe pytanie jest kombinacja dwóch znanych zasad generatora - zastosowanie nowej technologii wraz ze sprawdzoną i przetestowaną metodą. Rezultatem tych badań jest koncepcja OptiSlip będąca obecnie standardową cechą wszystkich turbin wiatrowych firmy Vestas od 600 kW w wzwyż.

Reasumując, zaletą systemu OptiSlip jest to, że połączony z regulacją kąta ustawienia łopat (Pitch Regulation) pracuje z maksymalną wydajnością prądu eliminując fluktuację wytwarzanej mocy jednocześnie redukując przeciążenia systemu mechanicznego oraz przeciążeń wirnika podnosząc jego wytrzymałość. Układ OptiSlip pozwala zmieniać prędkość rotacyjną (obrotową) generatora i wirnika do 10% podczas nagłych porywów wiatru, minimalizując tym samym niepożądane wahania energii w sieci. OptiSlip chroni również elementy konstrukcji turbin wiatrowych przed odkształceniem. [3]

OptiSpeed to rozwinięcie OptiSlip, który umożliwiał zróżnicowanie prędkości wiatraka i generatora o 10%. OptiSpeed umożliwia wzrost o 60%[10]. OptiSpeed pozwala ramionom wiatraka kręcić się z różną prędkością. Optymizuje produkcje energii, zwłaszcza przy skromnych wiatrach i ułatwia działanie turbiny, tak aby osiągała parametry siei elektrycznej.

Wadą systemu aktywnej regulacji ustawienia łopat jest istnienie ruchomych części w konstrukcji turbiny co zwiększa możliwość wystąpienia awarii. Większość producentów turbin wiatrowych nie zaadaptowała jednak tej technologii, z uwagi na fakt, iż znikoma jest wartość dodatkowego uzysku energii w porównaniu z kosztami, stosując profil niezmienny (Stall Regulation).

5.3. Regulacja przez „przeciągnięcie chorągiewki” (Stall Flag Method)

W tej metodzie kilkaset czujników zostało przymocowanych w specjalny sposób do łopat wirnika. Czujniki te zwane „stall flags” zostały opatentowane przez Holenderską Fundację ds. Badań Naukowych (ECN). Czujniki te posiadają powierzchnie retro-odblaskową, która w zależności od kierunku napływu powietrza jest lub nie jest pokrywana. Silne źródło światła w zakresie do 500m od turbiny, oświetla odchyloną powierzchnie wirnika. Nie pokryte reflektory odbijają światło do źródła, gdzie kamera cyfrowa nagrywa dynamiczny utyk silnika. Obrazy są analizowane przez komputerowy program przetwarzania obrazów. Program ten uzyskuje model przesuwania (utyku silnika), kąty azymutyczne łopat oraz prędkość wirnika z przesunięcia chorągiewek. Odczytuje on także błąd odchylenia (ustawienia elektrowni w kierunku wiatru) oraz prędkość wiatru z optycznych sygnałów czujników pomiarowych, które są nagrywane jednocześnie. Następnie z sekwencji tysiąca analizowanych obrazów określamy statystyczne zachowanie przesunięcia Stall Flag.

5.4. Regulacja ustawieniem elektrowni w kierunku wiatru (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.

Kable doprowadzające prąd z generatora skręcają się jeśli przypadkowo turbina obraca się w tym samym kierunku przez dłuższy czas. Dlatego turbina wiatrowa wyposażona jest w licznik obrotów kabla, który informuje o tym, że nadszedł czas na odkręcenie kabla. Czasami można zobaczyć turbinę wiatrową, która wygląda jakby była zepsuta, wciąż kręcąc się w tą samą stronę przez 5 obrotów. Jest to system bezpieczeństwa - działa w taki sposób, że w przypadku zbytniego skręcenia kabli istnieje możliwość uruchomienia dźwigni, która zapobiega ich zerwaniu.

5.5. 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.

5.6. 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.

20

---