Tuulegeneraatori põhiosad ja komponendid: struktuur, funktsioonid ja anatoomia
Tuulegeneraator muudab tuule kineetilise energia elektrienergiaks. Erinevalt ventilaatoritest, mis vajavad elektrit, et tuult tekitada, teevad tuulegeneraatorid vastupidist — nad kasutavad tuult elektri tootmiseks. See muundamine põhineb aerodünaamilistel põhimõtetel, mis sarnanevad lennukitiibade või helikopteri rootorlabadega.
Tuul liigub mööda spetsiaalselt kujundatud labadest, tekitades erineva õhurõhu labade mõlemale poolele. Rõhkude erinevus tekitab tõste- ja takistusjõud. Tõstejõud osutub tugevamaks ja paneb rootori pöörlema [3][3]. Pöörlemine kantakse generaatorile kas otse (otseajamiga turbiinide puhul) või võllide ja reduktorite kaudu, mis kiirendavad pöörlemist [3].
Aastaks 2020 oli maailmas kasutusel sadu tuhandeid suuri tuulikuid, mis tootsid üle 650 gigavati energiat[1] ja lisasid igal aastal umbes 60 GW. See kiire kasv näitab, kui oluline osa on tuulegeneraatoritel taastuvenergia varustamisel ja fossiilkütuste asendamisel.
Tuulikuid on erineva suuruse ja otstarbega:
– Suured turbiinid toodavad elektrit elektrivõrku ühendatud tuuleparkides
– Väiksemad turbiinid varustavad elektriga kohalikke vajadusi: aku laadimist, kaugseadmeid või eramaju
Tuulegeneraatori struktuur koosneb viiest põhikomponendist: vundament, torn, rootor (labade ja rummuga), gondel ja generaator. Gondel paikneb torni otsas ja sisaldab olulisi komponente, nagu reduktor, võllid, generaator ja pidur. 1,5 MW reduktoriga turbiini gondel kaalub üle 4,5 tonni.
Tuulikud on pika elueaga – keskmiselt üle 25 aasta. Koos areneva tehnoloogiaga muudab see tuuleenergia tulevikus suurepäraseks taastuvenergia lahenduseks.
Protsess, mille käigus pöörlevad labad toodavad elektrit võrku, on kiireim viis kasutada puhast, tasuta ja kergesti kättesaadavat loodusressurssi.
Tuulegeneraatori tüübid
Tuulikud jagunevad kaheks põhikonfiguratsiooniks, sõltuvalt rootori telje suunast maapinna suhtes. Igal disainil on eeliseid erinevate kasutusjuhtude jaoks ning need erinevad märgatavalt kasutusulatuse ja tõhususe poolest.
Horisontaalteljega tuulegeneraatorid
Horisontaalteljega tuulikud (HAWT) domineerivad kommertsiaalses tuuleenergia sektoris. Neil on rootorivõll paralleelne maapinnaga, labad nagu propellerid pöörduvad vastu tuult. Neid tuntakse kui ikoonilisi konstruktsioone, mida leidub kogu maailmas ning mis on saanud taastuvenergia sümboliks.
HAWT-id on tõhusamad kui vertikaalteljega turbiinid ning suudavad muuta 40–50% tuuleenergiast elektriks. See muljetavaldav tõhusus seletab, miks neid kasutatakse laialdaselt. Nad töötavad paremini tugevas ja stabiilses tuules ning asuvad kõrgetel tornidel, et püüda tugevamat õhuvoolu.
HAWT jaguneb kaheks peamiseks tüübiks:
Tuulepoolne rootor: Rootor paikneb torni ees, et vältida tuulevarju
Tagatuule rootor: Rootor asub torni taga, mis põhjustab võimsuse kõikumisi, kui labad liiguvad torni varjust läbi
Kuigi HAWT-id on tõhusad, on neil ka puudusi: nende transportimine ja paigaldamine on keeruline, hooldus nõuab kõrgusele ronimist ning nad võivad olla mürarikkad ja vajavad hoolikat paigutust.
Labad: Püüavad tuuleenergiat, tekitades aerodünaamilise tõste, mis pöörab rootorit.
Rootor rummuga: Kannab pöördemomendi edasi peavõllile ja ajamile.
Gondli raam koos sabasuunajaga: Sisaldab olulisi komponente ja suunab turbiini tuule suunas.
Reduktor ja generaator: Muudavad aeglase pöörlemise kiireks liikumiseks, mis toodab elektrit.
Suuna pöörlev ühendus: Võimaldab gondli pöörlemist ja edastab elektrisignaale liikuvate ja paiksete osade vahel.
Torn: Toetab turbiini ja tõstab selle kõrgemale tugevama tuule püüdmiseks.
Vertikaalteljega tuulegeneraatorid
Vertikaalteljega tuulikud (VAWT) kasutavad rootorivõlli, mis on risti maapinnaga. Ehkki kommertsiaalses kasutuses vähem levinud, sobivad need suurepäraselt teatud olukordadesse. VAWT-id suudavad püüda tuult igast suunast, ilma et oleks vaja pööramismehhanismi.
Peamised VAWT disainid:
Darrieus-tüüpi turbiinid: “Munaraku” stiilis turbiinid, mis kasutavad tõstejõudu, sirgete või kaarduvate labadega
Savoniuse turbiinid: Kasutavad takistusjõudu, lusikakujuliste labadega ümber vertikaalse võlli — lihtsad ja töökindlad, ent vähem tõhusad
VAWT-id sobivad hästi linnakeskkonda, kus tuul on turbulentne ja suunamuutlik. Hooldus on lihtsam, kuna komponentidele pääseb ligi maapinnalt, mitte ei pea torni otsa ronima.
Miinus on väiksem tõhusus – VAWT-id saavutavad maksimaalselt umbes 40%, samas kui HAWT-id ulatuvad kuni 50%-ni. See seletab, miks neid kasutatakse vähem suurtes projektides.
Piksekaitse: Kaitseb turbiini, juhtides välgulöögid maasse.
Mastra: Toetab labasid ja võimaldab sujuvat pöörlemist.
Labad: Püüavad tuult igast suunast ja muudavad selle pöörlevaks liikumiseks.
Kaablid: Edastavad toodetud elektrienergia maapinnal asuvatesse süsteemidesse.
Pool: Juhtib kaabli pinget ja paigutust ohutuks tööks.
Generaator: Muudab mehaanilise pöörlemise otse elektrienergiaks.
Torn: Tõstab ja stabiliseerib kogu konstruktsiooni, suurendades tuulepüüdlikkust.
Kuidas tuulik töötab?
Tuulegeneraatorid töötavad energiavahetuse põhimõttel. Protsessi käigus muundub tuule kineetiline energia esmalt mehaaniliseks ja lõpuks elektrienergiaks.
Õhu liikumine alustab protsessi, tabades aerodünaamilisi labasid. Labade eri külgedel tekib rõhkude erinevus, mis tekitab tõste- ja takistusjõud. Kuna tõstejõud on tugevam, hakkab rootor pöörlema. See toimib samamoodi nagu lennuki tiivad.
Võll ühendab rootori generaatoriga ja kannab edasi pöörlemise energia. Enamikul juhtudel suurendab reduktor aeglase rootori (5–25 p/min) pöörlemise kiirust vastavalt generaatori vajadustele (1000–2000 p/min). Kaasaegsed otseajamiga tuulikud töötavad ilma reduktorita ja võimaldavad generaatoril töötada erinevatel kiirustel.
Horisontaalse disaini puhul pöörab suunamissüsteem gondlit vastavalt tuule suunale, et saavutada maksimaalne tootlikkus. Labade kalde reguleerimissüsteem optimeerib labade asendit ja rootori kiirust vastavalt muutuvatele tingimustele. Vertikaalsete tuulikute puhul seda ei ole vaja – Darrieus-tüüpi mudelid sobivad kõige paremini turbulentsete tuultega paikadesse.
Tuulekiirus, õhu tihedus, rootori pindala ja torni kõrgus mõjutavad kõik tuuliku jõudlust. See täpselt häälestatud süsteem kasutab ammendamatut loodusressurssi ning muudab selle elektrienergiaks tänu täpselt koostöötavatele komponentidele.
Millised on tuulegeneraatori peamised komponendid?
Kaasaegsed tuulikud koosnevad mitmest spetsialiseeritud komponendist, mis töötavad koos, et muuta tuuleenergia elektrienergiaks. Igal komponendil on süsteemis kindel roll.
Labade kalde reguleerimissüsteem
See süsteem reguleerib labade nurka tuule suhtes ja kontrollib rootori kiirust ning energiaväljundit. Kui tuulekiirus muutub liiga suureks, saab labad „sulgeda“, et kaitsta turbiini kahjustuste eest. See on ka turbiini peamine pidurdussüsteem – aerodünaamiline pidurdamine välistab vajaduse mehaanilise piduri järele. Süsteem reageerib tuuleoludele ning tagab ohutu ja tõhusa töö.
Rootorilabad
Enamik tänapäevaseid tuulikuid kasutab kolme klaaskiust laba, mille pikkus ületab 52 meetrit. Merel paiknevad labad on veelgi suuremad – GE Haliade-X labade pikkus on 107 meetrit. Tuule liikumine üle nende labade tekitab rõhuerinevuse ja see muudab labad pöörlevaks.
Suunamissüsteem (Yaw)
See süsteem pöörab gondlit, et turbiin jääks tuule suunaga joonele. Tuule ees paiknevad turbiinid vajavad aktiivset suunamist, samas kui tagatuule disainid pöörduvad looduslikult. Kommertsturbiinid kasutavad aktiivseid süsteeme, mis koosnevad laagritest, elektrimootoritest ja piduritest – kõik aitavad täpselt jälgida tuule suunda.
Gondel
Gondel on tuuliku keskne osa, mis paikneb torni tipus ja sisaldab kõiki energia tootmise komponente. 1,5 MW turbiini gondel võib kaaluda üle 4,5 tonni. Selle sees asuvad pealaager, reduktor, generaator ja suunamissüsteem.
Reduktor
Reduktor on ajami oluline osa, mis suurendab aeglase rootori pöörlemiskiirust, et see sobiks generaatori vajadustele. Reduktor on hoolduse seisukohalt kriitiline – jälgitakse temperatuuri ja õli kvaliteeti, et vältida kahjustusi ja kulumist.
Generaator
Generaator muudab mehaanilise energia elektriks, kasutades vase mähiseid, mis pöörlevad magnetväljas. Tüübid hõlmavad sünkroon- ja asünkroongeneraatorit ning otseajamiga lahendusi. Mõned generaatorid kasutavad püsimagneteid, mis suurendavad efektiivsust.
Juhtsüsteemid
Juhtsüsteem toimib nagu tuuliku aju – see käivitub tuulekiirusel 3–5 m/s ja lülitab süsteemi välja, kui kiirus ületab 25–30 m/s. Nutikad kontrollsüsteemid jälgivad turbiini seisundit, optimeerivad tootlikkust ja suhtlevad elektrivõrguga. Need koordineerivad ka labade ja gondli juhtimist, et kasutada ära muutlikud tuuleolud.
KKK
K: Millised on tuuliku peamised komponendid?
V: Tuulik koosneb mitmest põhikomponendist: rootorilabad, gondel, generaator, reduktor, suunamissüsteem ja juhtsüsteemid. Labad püüavad tuuleenergiat, gondel sisaldab tootekomponente, generaator muudab energia elektriks ning reduktor suurendab pöörlemiskiirust. Suunamissüsteem hoiab turbiini tuulesuunaga joones, juhtsüsteemid kontrollivad kogu tööd.
K: Kuidas tuulik elektrit toodab?
V: Tuulik toodab elektrit, muutes tuule kineetilise energia esmalt mehaaniliseks, seejärel elektrienergiaks. Aerodünaamilised labad tekitavad rõhkude erinevuse, mis paneb rootori pöörlema. See pöördemoment kantakse võlliga generaatorile, mis toodab elektrit. Protsess algab juba 3 m/s tuulekiirusel ja saavutab tippjõudluse umbes 8 m/s juures.
K: Millised on tuulikutüübid?
V: On kahte peamist tüüpi tuulikuid: horisontaalteljega (HAWT) ja vertikaalteljega (VAWT). HAWT-id on levinumad ja tõhusamad, kuna labad pöörlevad tuulesuunaga risti. VAWT-id töötavad igas suunas ja sobivad eri olukordadesse. Mõlemal tüübil on oma eelised ja kasutusalad.
K: Kuidas tuulik kohandub muutuvate tuuleoludega?
V: Tuulik kasutab mitut süsteemi muutuvate oludega kohanemiseks. Suunamissüsteem pöörab gondlit vastavalt tuule suunale. Kaldesüsteem reguleerib labade nurka. Arukad kontrollsüsteemid jälgivad tuulekiirust ja suunda ning kohandavad tööd automaatselt, et tagada maksimaalne tootlikkus ja kaitsta süsteemi tormide eest.
