Milyen típusú generátor alkalmas szélenergia előállítására?

A szélturbina alapvető feladata, hogy a szélsebességgel folyamatosan változó mechanikai energiát hatékonyan és stabilan alakítsa át olyan elektromos energiává, amely a hálózatra csatlakoztatható. Ezért a szélenergia előállítására alkalmas generátorok nem hétköznapi modellek, hanem olyan tulajdonságokkal kell rendelkezniük, hogy széles szélsebességhez alkalmazkodjanak, komplex terheléseket bírjanak el, és könnyen hálózatra szabályozhatók legyenek. A modern szélenergia-ipar főként három technológiai útvonalon mozog, amelyek mindegyikének megvannak a maga előnyei, és különböző forgatókönyvekhez alkalmasak.

1. Kettős betáplálású aszinkron generátor: az iparág korábbi főszereplője

A kettős táplálású aszinkron generátorok hosszú ideje abszolút főáramot képviselnek a szélenergia-piacon. Működési elvük okos: a generátor forgórésze csúszógyűrűkön és szénkeféken keresztül egy kisebb frekvenciaváltóhoz csatlakozik, míg az állórész közvetlenül az elektromos hálózathoz csatlakozik.

Ennek a kialakításnak a legnagyobb előnye a gazdaságossága. Mivel a frekvenciaváltónak csak a rotorkör teljesítményének körülbelül egyharmadát kell feldolgoznia, a berendezés költsége alacsonyabb, és az energiaveszteség is kicsi. Ezenkívül a rendkívül fejlett technológiának és a komplett ipari láncnak köszönhetően az elmúlt két évtizedben a szárazföldi szélerőművek, különösen a megawattos egységek gyakori választásává vált.

Hátrányai azonban az ipar fejlődésével egyre hangsúlyosabbá váltak. A szénkefék és a csúszógyűrűk mechanikus érintkező alkatrészek, amelyek rendszeres karbantartást igényelnek a szélerőművek zord üzemi környezetében, és potenciális meghibásodási pontok. Ezenkívül az állórész közvetlen csatlakoztatása miatt a hálózati feszültségingadozásokkal való megbirkózási képessége (azaz az „alacsony feszültségű áthidaló képesség”) viszonylag gyenge.

2. Állandó mágneses közvetlen hajtású szinkrongenerátor: a megbízhatóság modellje

A közvetlen hajtású technológia teljesen más megközelítést alkalmaz. Teljesen kiküszöböli a nagy sebességű sebességváltót, lehetővé téve a szélturbina számára, hogy közvetlenül meghajtson egy többpólusú állandó mágneses szinkrongenerátort. Az alacsony sebesség miatt a kibocsátott áram frekvenciája nagymértékben változik, ezért az összes elektromos energiát egy teljes teljesítményű inverternek kell feldolgoznia, mielőtt a hálózatba kerülne.

Ez a terv forradalmi előnyöket kínál. A legmagasabb meghibásodási arányú sebességváltó eltávolítása jelentősen javítja az egység megbízhatóságát és karbantarthatóságát, ami különösen alkalmas a nehezen hozzáférhető tengeri szélerőművek számára. Az állandó mágnesek gerjesztési veszteségek nélküli mágneses teret biztosítanak, ami nagyobb hatásfokot eredményez. Ami még fontosabb, a teljes teljesítményű frekvenciaváltó „tűzfalként” működik, tökéletesen elszigetelve a generátort a hálózattól, így a szélturbina rendkívül érzéketlen a hálózati ingadozásokra, és képes aktívan támogatni a hálózatot, ami kiváló energiaminőséget eredményez.

A kihívás abban rejlik, hogy hatalmas átmérőjű és számos pólusú generátort kell létrehozni ahhoz, hogy alacsony sebességgel elegendő frekvenciát termeljen az elektromos árammal, ami elképesztő térfogatot és súlyt eredményez, és kihívást jelent a szállítás és az emelés szempontjából. Mindeközben ritkaföldfém permanens mágneses anyagokra támaszkodik, ami magasabb költségeket eredményez.

3. Közepes sebességű állandó mágneses szinkrongenerátor (félig közvetlen hajtás): a jelenlegi technológiai kedvenc

A közvetlen hajtás megbízhatósága és a hagyományos szerkezetek kompaktsága közötti egyensúly megteremtése érdekében kompromisszumos „félig közvetlen hajtású” vagy „közepes sebességű hajtású” megoldások jelentek meg, és ezek gyorsan a nagy szélturbinák, különösen a tengeri modellek, elterjedésének fő választásává váltak.

Megtart egy egyszerű és robusztus közepes sebességű sebességváltót (általában csak egy bolygóművel), amely mérsékelt szintre növeli a szélturbina sebességét, meghajt egy kompakt, állandó mágneses szinkrongenerátort, és végül egy teljes teljesítményű frekvenciaváltón keresztül csatlakozik a hálózathoz.

Ez nevezhető „aranykombinációnak”. Jelentősen csökkenti a generátor méretét és súlyát egy egyszerű sebességváltóval, megoldva a közvetlen hajtású egységek szállítási problémáját, miközben megőrzi az állandó mágneses motorok magas hatásfokát és a teljes teljesítményű frekvenciaváltók kiváló hálózatbarát jellegét. Megbízhatósága jóval magasabb, mint a hagyományos, kettős betáplálású rendszereké. Bár a technológia integrációja nehézkes, és a kezdeti költség sem alacsony, az előnyök jelentősek a teljes életciklus alatti villamosenergia-költségek tekintetében.

Összefoglalás és trendek

Összességében a szélturbinák technológiai fejlődési útja egyértelmű:

A kettős táplálású aszinkron generátorok fejlettségük és gazdaságosságuk miatt továbbra is életképesek bizonyos szárazföldi piacokon.

Az állandó mágneses közvetlen hajtású szinkrongenerátorok páratlan megbízhatóságukkal szilárdan megállják a helyüket a tengeren és az alacsony szélsebességű területeken.

A közepes sebességű, állandó mágneses szinkrongenerátor sikeresen integrálja az első kettő előnyeit, abszolút technológiai vezetővé válva a jelenlegi nagyméretű és tengeri szélerőmű-fejlesztésben, képviselve az iparág jövőbeli irányát.

A generátor kiválasztása lényegében az optimális egyensúly keresése a kezdeti befektetés, az üzemeltetési és karbantartási költségek, az energiatermelési hatékonyság és a hálózati csatlakozási követelmények között. Ahogy a szélturbinák egyre nagyobbak és a tengeren túlra kerülnek, a megbízhatóságra és a hálózati támogatási képességre vonatkozó követelmények túlnyomóvá váltak. Ez az alapvető oka annak is, hogy az állandó mágneses generátorok és a teljes teljesítményű frekvenciaváltók kombinációja a technológiai út győzedelmeskedett.