เครื่องกำเนิดไฟฟ้าประเภทใดที่เหมาะสมสำหรับการผลิตพลังงานลม?

หน้าที่หลักของกังหันลมคือการแปลงพลังงานกลที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลาตามความเร็วลมให้เป็นพลังงานไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพและเสถียร เพื่อให้สามารถเชื่อมต่อเข้ากับระบบสายส่งได้ ดังนั้น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่เหมาะสมสำหรับการผลิตพลังงานลมจึงไม่ใช่รุ่นธรรมดา แต่ต้องมีคุณสมบัติในการปรับตัวให้เข้ากับความเร็วลมที่กว้าง ทนทานต่อภาระที่ซับซ้อน และควบคุมเข้ากับระบบสายส่งได้ง่าย อุตสาหกรรมพลังงานลมสมัยใหม่ส่วนใหญ่หมุนเวียนอยู่รอบเส้นทางเทคโนโลยีสามเส้นทาง แต่ละเส้นทางมีข้อดีของตนเองและเหมาะสมกับสถานการณ์ที่แตกต่างกัน

1. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสป้อนกระแสสองทาง: อดีตอุปกรณ์หลักของอุตสาหกรรม

เป็นเวลานานแล้วที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสที่ป้อนกระแสสองทางเป็นกระแสหลักในตลาดพลังงานลม หลักการทำงานของมันชาญฉลาด: โรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเชื่อมต่อกับตัวแปลงความถี่ขนาดเล็กผ่านวงแหวนสลิปและแปรงถ่าน ในขณะที่สเตเตอร์เชื่อมต่อโดยตรงกับโครงข่ายไฟฟ้า

ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของการออกแบบนี้คือประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจ เนื่องจากตัวแปลงความถี่ต้องการประมวลผลพลังงานเพียงประมาณหนึ่งในสามของพลังงานในวงจรโรเตอร์เท่านั้น ทำให้ต้นทุนอุปกรณ์ต่ำลงและการสูญเสียพลังงานก็เล็กน้อย นอกจากนี้ ด้วยเทคโนโลยีที่พัฒนาอย่างเต็มที่และห่วงโซ่อุตสาหกรรมที่ครบวงจร ทำให้การออกแบบนี้กลายเป็นตัวเลือกที่นิยมใช้สำหรับพลังงานลมบนบก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหน่วยระดับเมกะวัตต์ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา

อย่างไรก็ตาม ข้อเสียของมันเริ่มเด่นชัดมากขึ้นเรื่อยๆ ควบคู่กับการพัฒนาของอุตสาหกรรม แปรงถ่านและวงแหวนสลิปเป็นชิ้นส่วนสัมผัสเชิงกลที่ต้องได้รับการบำรุงรักษาอย่างสม่ำเสมอในสภาพแวดล้อมการทำงานที่รุนแรงของฟาร์มกังหันลม และเป็นจุดที่อาจเกิดความเสียหายได้ นอกจากนี้ เนื่องจากสเตเตอร์เชื่อมต่อโดยตรงกับโครงข่ายไฟฟ้า ความสามารถในการรับมือกับความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าในโครงข่าย (เช่น "ความสามารถในการรับมือกับแรงดันไฟฟ้าต่ำ") จึงค่อนข้างอ่อนแอ

2. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแบบขับตรงด้วยแม่เหล็กถาวร: ต้นแบบแห่งความน่าเชื่อถือ

เทคโนโลยีขับเคลื่อนโดยตรงใช้วิธีการที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง โดยกำจัดเกียร์ทดรอบความเร็วสูงออกไป ทำให้กังหันลมสามารถขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรแบบหลายขั้วได้โดยตรง เนื่องจากความเร็วต่ำ ความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจึงผันผวนมาก ดังนั้นพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดจึงต้องผ่านกระบวนการแปลงกระแสไฟฟ้าแบบเต็มกำลังก่อนที่จะส่งไปยังโครงข่ายไฟฟ้า

แผนนี้นำมาซึ่งข้อดีที่ปฏิวัติวงการ การถอดเกียร์ที่มีอัตราการเสียสูงสุดออก ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือและบำรุงรักษาได้ง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหมาะสำหรับฟาร์มกังหันลมในทะเลที่เข้าถึงได้ยาก แม่เหล็กถาวรสร้างสนามแม่เหล็กโดยไม่มีการสูญเสียจากการกระตุ้น ส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ที่สำคัญกว่านั้น ตัวแปลงความถี่กำลังเต็มรูปแบบทำหน้าที่เป็น 'กำแพงไฟ' แยกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าออกจากโครงข่ายไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ ทำให้กังหันลมไม่ไวต่อความผันผวนของโครงข่ายไฟฟ้า และสามารถสนับสนุนโครงข่ายไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้คุณภาพพลังงานดีเยี่ยม

ความท้าทายอยู่ที่ความจำเป็นในการสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่และขั้วจำนวนมาก เพื่อให้ได้ความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่เพียงพอในความเร็วต่ำ ส่งผลให้มีปริมาตรและน้ำหนักมหาศาล ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการขนส่งและการยก นอกจากนี้ยังต้องพึ่งพาวัสดุแม่เหล็กถาวรหายาก ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้น

3. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรความเร็วปานกลาง (ระบบขับเคลื่อนกึ่งตรง): เทคโนโลยีที่ได้รับความนิยมในปัจจุบัน

เพื่อให้เกิดความสมดุลระหว่างความน่าเชื่อถือของระบบขับเคลื่อนโดยตรงและความกะทัดรัดของโครงสร้างแบบดั้งเดิม จึงได้มีการพัฒนาระบบ "ขับเคลื่อนกึ่งโดยตรง" หรือ "ขับเคลื่อนความเร็วปานกลาง" ขึ้นมา ซึ่งกลายเป็นทางเลือกหลักสำหรับกังหันลมขนาดใหญ่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งรุ่นที่ติดตั้งในทะเล

ระบบนี้ยังคงใช้เกียร์ทดรอบความเร็วปานกลางที่เรียบง่ายและทนทาน (โดยปกติจะมีเพียงเกียร์ดาวเคราะห์ตัวเดียว) ซึ่งจะเพิ่มความเร็วของกังหันลมให้ถึงระดับปานกลาง ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรขนาดกะทัดรัด และสุดท้ายเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าผ่านตัวแปลงความถี่กำลังเต็มพิกัด

นี่อาจเรียกได้ว่าเป็น 'การผสมผสานที่ลงตัว' มันช่วยลดขนาดและน้ำหนักของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้อย่างมากด้วยระบบเกียร์แบบง่ายๆ แก้ปัญหาการขนส่งของหน่วยขับเคลื่อนโดยตรง ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพสูงของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรและความเป็นมิตรต่อระบบไฟฟ้าของตัวแปลงความถี่กำลังเต็มรูปแบบ ความน่าเชื่อถือสูงกว่าระบบป้อนกระแสสองทางแบบดั้งเดิมมาก แม้ว่าการบูรณาการเทคโนโลยีจะทำได้ยากและต้นทุนเริ่มต้นไม่ต่ำ แต่ข้อดีนั้นมีนัยสำคัญในแง่ของต้นทุนค่าไฟฟ้าตลอดอายุการใช้งาน

สรุปและแนวโน้ม

โดยรวมแล้ว เส้นทางการพัฒนาทางเทคโนโลยีของกังหันลมนั้นชัดเจน:

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสที่ป้อนกระแสสองทางยังคงมีความสำคัญในตลาดเครื่องกำเนิดไฟฟ้าบนบกบางแห่ง เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนามาอย่างดีและประหยัดต้นทุน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสขับตรงแม่เหล็กถาวรนั้นครองตำแหน่งที่มั่นคงในทะเลและพื้นที่ที่มีความเร็วลมต่ำ ด้วยความน่าเชื่อถือที่ไม่มีใครเทียบได้

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรความเร็วปานกลางได้ผสานรวมข้อดีของสองแบบแรกเข้าด้วยกันอย่างประสบความสำเร็จ กลายเป็นผู้นำทางเทคโนโลยีอย่างแท้จริงในการพัฒนาพลังงานลมขนาดใหญ่และนอกชายฝั่งในปัจจุบัน และแสดงถึงทิศทางในอนาคตของอุตสาหกรรมนี้

การเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าโดยพื้นฐานแล้วเป็นการค้นหาสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างการลงทุนเริ่มต้น ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานและการบำรุงรักษา ประสิทธิภาพการผลิตพลังงาน และข้อกำหนดในการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า เนื่องจากกังหันลมมีขนาดใหญ่ขึ้นและติดตั้งในทะเลมากขึ้น ข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือและความสามารถในการรองรับโครงข่ายไฟฟ้าจึงเพิ่มมากขึ้น นี่จึงเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้เทคโนโลยีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรที่ทำงานร่วมกับตัวแปลงความถี่กำลังเต็มรูปแบบได้รับความนิยม