Вятърни турбини с директно задвижване на генератора

При вятърните турбини с традиционна конструкция редукторът преобразува енергията от бавно въртящия се ротор до необходимите по-високи обороти за производството на електроенергия от генератора. В стремежа си да постигнат по-голяма производителност, повишена надеждност и икономия на разходи в рамките на експлоатационния живот на вятърните генератори, някои от производителите започнаха да използват различна конструкция на задвижването.

Новата технология елиминира редуктора и използва генератор с постоянни магнити и ниска скорост на въртене. Този тип конструкция е позната като директно задвижване (direct drive - DD). Главината на ротора и пръстеновидният генератор са свързани помежду си като неподвижно устройство без редуктор. Самият ротор се монтира на неподвижна ос. В сравнение с конвенционалните системи с редуктор, които имат няколко лагера в механизма за задвижване, системата с директно задвижване използва само два бавно движещи се ролкови лагери. Причината за това е ниската скорост на директното задвижване.

Освен опростяването на задвижващия механизъм на турбината, директното задвижване осигурява ограничена необходимост от техническа поддръжка. Елиминирането на редуктора, който е и най-тежкият елемент в гондолата на турбината (близо 12 т.), гарантира определено предимство и по отношение на теглото. По принцип, турбината с директно задвижване с нейния по-малък брой подвижни части и 50% по-малко компоненти предлага и подобрение по отношение на надеждността. Елиминирането на редуктора води и до по-добра ефективност на задвижването. Освен това дължината на гондолата на турбината се намалява значително.

Все повече производители на вятърни турбини предлагат такива модели турбини, като в момента фокусът им е насочен към постигане на по-високи мощности предимно за офшорни приложения.

Синхронни генератори с постоянни магнити за DD турбини

Генерирането на електричество при ниски обороти изисква различна конструкция на генератора. Синхронните генератори с постоянни магнити съответстват добре на тази потребност. При тях не се използва синхронизиране на скоростта на въртене на турбината и генератора. По тази причина изводите на статорната намотка на генератора се свързват към електрическата мрежа индиректно посредством статичен преобразувател на честота. Преобразувателят превръща генерираната променливотокова енергия с променяща се амплитуда и честота в електрическа енергия, на която амплитудата и честота на напрежението са постоянни и равни на тези на разпределителната мрежа.

Ефективността на генератора с постоянни магнити остава висока, близо до номиналната стойност, дори и при частични натоварвания, при които турбините често трябва да работят поради непостоянния характер на вятъра. Например, генератор, който е разчетен за 2.2 MW при 18 rpm, има ефективност при пълно натоварване от 94.4%, докато при натоварване от 25% неговата ефективност е забележителна - 92.9%. Подобни стойности, дори и малко по-високи, при натоварване от 25%, са валидни и за другите модели на DD генератори.

Освен това генераторите с постоянни магнити не се нуждаят от отделно възбуждане, контактни пръстени и роторни намотки със съответните загуби и изискват по-малко техническа поддръжка в сравнение с индукционните генератори с двойно захранване (DFIG). За разлика от повечето работещи генератори, DFIG генераторите не могат да се използват в системи с директно задвижване поради ограниченията за коефициента на мощност и липсата на възможност за поддържане на непрекъснатото електроснабдяване при повреди, както и други причини. През 20-годишния си експлоатационен живот генераторите с постоянни магнити се оказват също и ефективни по отношение на разходите.

Конструкцията на генераторите с директно задвижване налага използването на специални форми на магнитите и някои други изисквания, за да се осигури съответствието им със специфичните условия на вятъра и да бъде оптимизирана тяхната ефективност. Друг характерен аспект е патентованата конструкция на статора с няколко независими сегмента, които могат да бъдат контролирани от различни преобразуватели - това се изразява в редундантността на задвижването. Турбината остава работоспособна дори и при малки неизправности в някой от сегментите.

Управление на турбините с директно задвижване

Турбините с директно задвижване не се различават особено от турбините с редуктор от гледна точка на управлението. И двата вида използват активно или пасивно ъглово завъртане на ротора за проследяване посоката на вятъра и регулиране на подемната сила или на стъпката на роторните лопатки за контролиране на изходната мощност. Турбините с регулиране на ъгъла на атаката на вятъра променят ъгъла на витлото, за да намалят подемната сила и да избегнат прекомерната енергия при силен вятър. Ако скоростта на вятъра се увеличи до максимална стойност, при която турбината спира да работи, лопатките на перките и турбината спират да се въртят, за да се избегне излишното натоварване на ротора и другите механични компоненти. При вятърните турбини с управление на ъгъла на роторните лопатки контролерът на турбината проверява произведената от турбината мощност няколко пъти в секунда. Когато изходната мощност стане прекалено висока, контролерът изпраща сигнал към регулиращия механизъм за промяна в ъгъла на атака на лопатките и те се завъртат извън вятърния напор. Системата за позициониране на перките променя ъгъла на атака на вятъра и по този начин въртящият момент се контролира да бъде константен от определена степен на вятъра. При ветрогенераторите с вградена функция за управление на ъгъла на лопатките спрямо посоката на вятъра (pitch control) системата за управление трябва да може да отчита дори и минималните промени в метеорологичните условия и да оптимизира работата на отделните компоненти. На базата на измерения ъгъл на работните лопатки, системата, регулираща стъпката им (pitch drive) и системата за ориентация на ротора (azimuth drive), осигуряват експлоатацията на ветрогенератора в работния обхват.

Системата за ориентация на ротора трябва, от една страна, да гарантира, че ще поддържа ротора в правилна позиция и от друга, че системата е разположена коректно спрямо вятъра и получава оптимално количество въздушен поток върху роторните перки. Мощността на генератора се регулира в съответствие с изискванията за напрежение и честота на мрежата от преобразувател на мощността и трансформатор.

Предизвикателства при производството

Генераторите с директно задвижване разчитат на постоянните магнити от редки материали, обикновено неодим - желязо - бор (Nd-Fe-B). При елиминирането на редуктора се налага компромис поради необходимостта от използването на големи количества от тези скъпи и дефицитни магнитни материали. Според специалистите са необходими приблизително 650 kg постоянни магнити за 1 MW вятърна турбина, 25%-30% от които са от редкоземен магнитен материал. Проблемите със стратегическите източници на постоянни магнити от редкоземни материали принуждават фирмите-производители да разглеждат и други алтернативи.

Друг проблем представлява големият размер на генератора. Според специалистите с доближаването на 8 - 10 MW при турбините с директно задвижване генераторът става по-голям и по-тежък поради повишените изисквания към въртящия момент. Освен теглото и размерът на генератора, които трябва да бъдат ограничени, за да се избегне по-голямото тегло на гондолата и, съответно, разширяването на конструкцията на носещата кула, те посочват и други бъдещи предизвикателства - дизайнът на въздушната междина трябва да осигурява изискванията за плътност, при които се избягва триенето на ротора и статора при всякакви експлоатационни условия; динамичните сили при късо съединение трябва да бъдат поети в границите на въздушната междина.

Някои от тези фактори могат да се окажат доминиращи при избора на генератор за производството на вятърни турбини. Едностъпалният редуктор дава възможност за реализация на много по-малък и лек генератор и засега все още предлага определени предимства, характерни и за генератора с директно задвижване. Очаква се турбините с редуктор да останат конкурентоспособни и в обозримо бъдеще поради голямата инсталирана база и отличната обща производителност.