565 2

15.3. ENERGETYKA WIATROWA

15.3.5. Regulacja mocy turbiny wiatrowej

W odróżnieniu od elektrowni cieplnej, gdzie można szybko oddziaływać na strumień czynnika doprowadzonego do turbiny i odpowiednio regulować moc rozwijaną przez turbinę, aby dopasować się do aktualnego zapotrzebowania na moc, w elektrowni wiatrowej należy optymalnie wykorzystać moc wiatru, jaką w danej chwili daje nam przyroda. Urządzenia sterujące pracą elektrowni wiatrowej powinny optymalnie wykorzystywać ten „kapryśny” dar przyrody i zabezpieczyć turbinę zarówno przed rozbieganiem w przypadku odciążenia turbiny, jak i przed skutkami huraganów itp. Szczególnie istotny jest przedział od prędkości wiatru startowej - c_p0CZ, przy której śmigła zaczynają się obracać i na wale pojawi się moment napędowy, do prędkości wiatru znamionowej c_N, przy której elektrownia osiągnie moc znamionową. Paradoksalnie większe prędkości wiatru są niekorzystne. Powyżej prędkości wiatru znamionowej niezależnie od sposobu sterowania i tak musi być wytracony nadmiar mocy, aby nie przeciążyć generatora elektrycznego i uchronić elektrownię przed zniszczeniem.

Na rysunku 15.20a przedstawiono przykładową charakterystykę współczynnika mocy C_p, np. turbiny 3-łopatowej, w funkcji wyróżnika szybkobieżności X = ule. Aby osiągnąć C_p = C_pmm, układ sterowania musi zapewnić u = X_oplc, czyli sterowanie turbiny wiatrowej powinno przebiegać według zasady przedstawionej na rysunku 15.19a - ze zmienną prędkością obrotową, aby kąt natarcia a = a_opt. Praktycznie w przedziale prędkości wiatru od startu do mocy znamionowej elektrowni łopaty są tak ustawione, aby kąt natarcia a = a_opt, czyli kąt ustawienia łopat ę = const (rys. 15.20d). W zasadzie tak działają układy regulacji wszystkich turbin wiatrowych pracujących ze zmienną prędkością obrotową n. Dopiero powyżej prędkości wiatru znamionowej c_N zmienia się ustawienie łopat. W układzie ze stałą prędkością obwodową u (n = const) (rys. 15.19c) wraz ze zmianą prędkości wiatru c będzie zmieniał się wyróżnik szybkobieżności X, a zatem i wartości współczynnika mocy C_p. Tylko dla jednej wartości prędkości wiatru c wyróżnik szybkobieżności X = (rys. 15.20a). W zakresie zmian prędkości wiatru od c_p0CZ do c:_N współczynnik mocy C_p zmienia się następująco (rys. 15.20a): dla u = var zachodzi równość C_p = C_pmax, a dla u = const przyjmuje wartości od C_pocz poprzez C_pmax do C_/)3, a następnie do C_pw - wyłączenie turbiny dla c_max. Układ ze zmienną prędkością obrotową n daje możliwość najlepszego wykorzystania energii wiatru - porównaj charakterystyki l i 2 na rysunku 15.20b. Z charakterystyki C_p = f(A) na rysunku 15.20a wynika, że dla danej wartości prędkości wiatru c otrzymuje się maksymalną moc turbiny P dla jednej wartości prędkości obrotowej wirnika n. Dla c = const jako parametru powstaje rodzina charakterystyk P = f(«), jak na rysunku 15.20c. Aby turbina pracowała z maksymalną mocą, jej prędkość obrotowa powinna zmieniać się zgodnie z charakterystyką P = f(w).

Standardowo wyróżnia się układy regulacji mocy turbin wiatrowych pasywne i aktywne. Przykładem najprostszej metody pasywnej jest regulacja mocy przez tzw. przeciąganie (ang. stall control). W metodzie tej łopaty są przymocowane

565