SMG-4500 Tuulivoima Viidennen luennon aihepiirit Tuulivoimaloiden generaattorit Toimintaperiaate Tahtigeneraattori Epätahtigeneraattori Tuulivoimalakonseptit 1 YLEISTÄ ASIAA GENERAATTOREISTA Generaattori on laite, joka muuttaa mekaanista energiaa sähkömagneettisen induktion avulla sähköenergiaksi. Generaattori ei itse tuota energiaa, vaan ainoastaan muuntaa sitä muodosta toiseen. Tuulivoimalassa roottorin mekaaninen energia on peräisin ilmavirtauksen energiasta. Vaikka tuulivoimalat yleensä luokitellaan generaattorin nimellistehon perusteella, oleellista on tiedostaa, että nimenomaan roottorin ominaisuudet ovat oleellisia voimalan tehontuotannon kannalta. Olipa generaattorin nimellisteho kuinka suuri tahansa, tuotettu sähköteho jää aina roottorin mekaanista tehoa pienemmäksi. Yhteensopivan roottori-generaattori-parin mitoittaminen onkin tärkeä osa tuulivoimalan suunnittelua. 2 1
VAIHTOSÄHKÖGENERAATTORIN TOIMINTAPERIAATE (1/2) Generaattorin toiminta perustuu luonnonilmiöön, jota kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi ja mallinnetaan Faradayn lailla B E. t Generaattorissa sähkömagneettista induktiota hyödynnetään siten, että tuulen energialla pyörivä johdinsilmukka kokee ajan suhteen muuttuvan magneettikentän, jolloin silmukan päiden välille syntyy jännite. Kun silmukan päiden välille kytketään kuorma, kuormassa kulkee sähkövirta. Vaikka kyseessä on voimakkaasti yksinkertaistettu tilanne, se sisältää generaattorin toimintaperiaatteen osalta oleellisimman: tuulen liike-energiaa on saatu muunnettua sähköenergiaksi. 3 VAIHTOSÄHKÖGENERAATTORIN TOIMINTAPERIAATE (2/2) 4 2
SÄHKÖKONE Sähkökone on yleisnimitys sähkömoottoreille ja generaattoreille. Moottoria voidaan yleensä käyttää generaattorina ja generaattoria moottorina. Edellä käsitelty sähkökone saadaan tuottamaan sähköenergiaa, kun johdinsilmukkaa pyöritetään magneettikentässä. Tällöin kyse on generaattorikäytöstä. Jos johdinsilmukan napojen välille syötetään sinimuotoinen jännite, johdinsilmukka alkaa pyöriä. Tällöin kyse on moottorikäytöstä. Sähkökoneita käytetään kaksitoimisesti esimerkiksi sähköautoissa. Kiihdytyksen aikana sähkökonetta käytetään moottorina, joka muuttaa akkuihin varastoitua energiaa mekaaniseksi energiaksi. Jarrutuksen aikana sähkökonetta käytetään generaattorina, jolloin mekaanista energiaa muutetaan sähköenergiaksi, joka edelleen varastoidaan kondensaattoreihin tai akkuihin. 5 TAHTIGENERAATTORI (1/4) Generaattorissa on aina staattori (paikallaan pysyvä osa) ja roottori (pyörivä osa), ja ne molemmat sisältävät magneettikentän lähteen. Magneettikenttä synnytetään joko kesto- tai sähkömagneeteilla. Oheinen kuva esittää kaksinapaista tahtigeneraattoria. Yleensä staattorissa ja roottorissa on sama määrä magneettisia napoja. Kaksinapaisessa generaattorissa sekä staattorista että roottorista löytyy kaksi napaa, joilla tarkoitetaan magneettikentän pohjois- ja etelänapaa. Jos sekä staattorista että roottorista löytyy neljä napaa, eli kaksi pohjois- ja kaksi etelänapaa, silloin kyseessä on nelinapainen generaattori. 6 3
TAHTIGENERAATTORI (2/4) Generaattorin käämityksiä kutsutaan kenttä- ja ankkurikäämityksiksi. Tuotettu sähköenergia otetaan käyttöön ankkurikäämityksestä. Herätemagneettikenttä tuotetaan kenttäkäämityksellä. Oheisessa tahtigeneraattorissa ankkurikäämitys on staattorissa ja kenttäkäämitys roottorissa, mutta tämä ei kuitenkaan ole yleispätevä tilanne. Esimerkiksi yksinkertaistetussa vaihtosähkögeneraattorissa ankkurikäämitys on roottorissa. 7 TAHTIGENERAATTORI (3/4) Mietitään seuraavassa, mistä sana tahtigeneraattori tulee. Toiminta lähtee liikkeelle siitä, että kenttäkäämeihin syötetään tasavirtaa, mistä syntyy ajan suhteen muuttumaton magneettikenttä likimain kuvan mukaisesti. Kun virralliset kenttäkäämit sisältävää roottoria aletaan nyt pyörittää tuuliturbiinin liike-energialla, staattorin ankkurikäämi kokee ajan suhteen muuttuvan magneettikentän, vaikkei kenttäkäämien magneettikenttä ajan suhteen muutukaan. Kun roottori pyörähtää yhden kokonaisen kierroksen, ankkurikäämin kokema magneettivuontiheys ja ankkurikäämin napojen välinen jännite ovat oheisen kuvan mukaiset. 8 4
TAHTIGENERAATTORI (4/4) Huomataan, että kaksinapaisessa generaattorissa roottorin pyörimisnopeus vastaa ankkurikäämin sinimuotoisen jännitteen taajuutta. Jos napojen lukumäärä kasvatetaan neljään, roottorin yksi kokonainen kierros aiheuttaa ankkurikäämitykseen kaksi jaksoa magneettivuontiheyttä ja jännitettä. Staattorikäämit ovat sarjaankytketyt, ja käämintäsuuntien on oltava sellaiset, että pyörivä roottori aiheuttaa peräkkäisiin käämeihin vastakkaissuuntaiset jännitteet. Tahtigeneraattorissa sähköinen ja mekaaninen taajuus ovat synkronoidut. Kun tahtigeneraattorin roottori pyörii yhden kierroksen, staattoriin syntyy sinimuotoista jännitettä n jaksoa, jossa n on roottorin napaparien lukumäärä. 9 EPÄTAHTIGENERAATTORI (1/3) Oleellisin ero epätahtigeneraattorin ja tahtigeneraattorin välillä on siinä, että epätahtigeneraattorissa roottorin käämit ovat oikosuljetut. Roottorikäämit virrallistetaan sähkömagneettisella induktiolla. Siksi epätahtikonetta kutsutaan myös oikosulkukoneeksi ja induktiokoneeksi. Epätahtigeneraattorin toiminta lähtee liikkeelle staattorikäämeihin syötettävästä sinimuotoisesta vaihtovirrasta. Täten staattorikäämit synnyttävän ajan suhteen muuttuvan magneettikentän, joka roottorikäämeihin kohdistuessaan indusoi niihin ajan suhteen muuttuvan jännitteen. Koska roottorikäämit ovat oikosuljetut, jännitte synnyttää niihin sinimuotoisen virran, josta edelleen syntyy sinimuotoisesti vaihteleva magneettikenttä. Sana oikosulkukone viittaa roottorin rakenteeseen, ja induktiokone viittaa roottorin virrallistamiseen. Mutta mihin viittaa sana epätahtikone? 10 5
EPÄTAHTIGENERAATTORI (2/3) Sähkökoneen toiminta perustuu magneettiseen vuorovaikutukseen staattori- ja roottorikäämien välillä. Magneettinen vuorovaikutus synnyttää mekaanisen vääntömomentin. Jotta epätahtikoneeseen syntyy mekaaninen vääntömomentti, staattorin ja roottorin välillä on oltava epätahtia. Tarkastellaan tilannetta moottorikäytön avulla. Jos epätahtikoneen roottori pyörii staattoriin syötetyn vaihtovirran määrittämällä tahtinopeudella, magneettista vääntömomenttia ei synny. Syynä tähän on se, että oikosuljettu roottori virrallistuu staattorin synnyttämällä magneettikentällä sähkömagneettisen induktion välityksellä. Tämän seurauksena roottori ei tahtinopeudella pyöriessään näe muuttuvaa magneettikenttää. Moottorikäytössä epätahtikoneen roottori pyörii hieman staattorin määrittämää tahtinopeutta hitaammin. 11 Epätahtia kutsutaan jättämäksi. EPÄTAHTIGENERAATTORI (3/3) Oleellista on huomata, että jättämän kasvaminen lisää mekaanista vääntömomenttia. Mitä enemmän roottorin pyörimisnopeus poikkeaa staattorin määrittämästä tahtinopeudesta, sitä voimakkaammin muuttuvan magneettikentän roottori näkee, ja sitä voimakkaampi on magneettinen vuorovaikutus staattorin ja roottorin välillä. Mielenkiintoista on, että jättämän suunta määrittää sähkökoneen toiminnan. Oletetaan, että epätahtikoneen staattori on kytketty sähköverkkoon. Staattoriin syötetään nyt sähkövirtaa 50 Hz:n taajuudella. Moottorikäytössä roottorin pyörimisnopeus jää hieman tahtinopeutta (n 50 60 rpm) pienemmäksi. Moottori ottaa sähköenergiaa verkosta ja pyörittää sillä roottoria. Jos roottoria pyöritetään hieman tahtinopeutta suuremmalla pyörimisnopeudella, tehon suunta kääntyy. Tällöin epätahtikone muuttaa roottorin mekaanista energiaa staattorin sähköenergiaksi, joten nyt kone syöttää sähköenergiaa verkkoon. On tärkeää huomata, että epätahtikoneen pyörimisnopeus on lähes vakio. Mitä enemmän tahtinopeudesta halutaan poiketa, sitä enemmän tarvitaan mekaanista vääntömomenttia. 12 6
TUULIVOIMALAKONSEPTIT: VAKIONOPEUKSINEN (1/2) Vakionopeuksinen tuulivoimala perustuu epätahtigeneraattorin käyttöön. Voimala on suoraan kytketty muuntajan kautta sähköverkkoon. Sähköverkon taajuus ja generaattorin napapariluku määrittävät roottorin tahtinopeuden. Kun lisäksi otetaan huomioon vaihdelaatikko, saadaan selville lapojen pyörimisnopeus t, jolla generaattorin roottori pyörii tahtinopeudella. Vakionopeuksinen tuulivoimala suunnitellaan toimimaan niin, että t ylittyy jo alhaisilla tuulennopeuksilla. Kun maanpäällinen tuulennopeus kasvaa, lapojen pyörimisnopeus ei juurikaan kasva. Lapojen tuottama vääntömomentti sen sijaan suurenee voimakkaasti jättämän lisääntyessä. Oleellista on huomata, ettei roottorin muuttumaton pyörimisnopeus tarkoita vakiotehoa! 13 TUULIVOIMALAKONSEPTIT: VAKIONOPEUKSINEN (2/2) Vakionopeuksisella tuulivoimalalla on sekä hyvät että huonot puolensa. + Verkkoonkytkentä on yksinkertaista, sillä voimala saadaan turbiinin vakionopeuden ansiosta tuottamaan sähköä verkkoyhteensopivalla taajuudella ja jännitetasolla. + Voimalan suojaaminen on periaatteessa yksinkertaista, sillä turbiinin vakionopeus mahdollistaa passiivisen sakkaussäädön käytön. Turbiinin pyöriessä vakionopeudella maanpäällisen tuulennopeuden kasvu kasvattaa kohtauskulmaa. Vakionopeuksinen tuulivoimala voidaan siis suunnitella sakkaamaan halutulla maanpäällisen tuulennopeuden arvolla. Vakionopeudella pyörivä turbiini on aerodynaamisessa mielessä optimoitava tietylle tuulennopeudella. Toisin sanoen kohtauskulma on optimaalinen vain tietyllä maanpäällisen tuulennopeuden arvolla. Tämän vuoksi turbiini ei hyödynnä tuulen energiaa optimaalisella tavalla. Vakionopeuksisissa voimaloissa käytetään halpoja massatuotantogeneraattoreita, jotka saavuttavat hyvän hyötysuhteen vasta suurilla pyörimisnopeuksilla ( 1500 rpm). Koska turbiini pyörii paljon hitaammin, voimalassa on oltava vaihteisto. Viimeisen 20 vuoden historia osoittaa, että vaihdelaatikko on tuulivoimalan vikaherkin komponentti. 14 7
TUULIVOIMALAKONSEPTIT: RAJOITETUSTI MUUTTUVANOPEUKSINEN Rajoitetusti muuttuvanopeuksinen voimalatyyppi on teknisesti lähes samanlainen kuin vakionopeuksinen voimala. Toiminta perustuu oikosuljettujen roottorikäämien resistanssin kasvattamiseen. Mitä suurempi roottorikäämien resistanssi on, sitä laajemmalla vaihteluvälillä roottori voi pyöriä. Jättämä siis kasvaa resistanssin kasvaessa. Vakionopeuksisessa voimalassa jättämä on yleensä 1-3% tahtinopeudesta, ja rajoitetusti muuttuvanopeuksisessa voimalatyypissä vastaava lukema on 1-10%. Aerodynaaminen hyötysuhde kasvaa, mutta osa hyödystä kuluu roottorikäämien resistiivisiin häviöihin. 15 TUULIVOIMALAKONSEPTIT: MUUTTUVANOPEUKSINEN OSATEHOISELLA SUUNTAAJAKÄYTÖLLÄ Muuttuvanopeuksinen voimalatyyppi osatehoisella suuntaajakäytöllä muistuttaa teknisesti rajoitetusti muuttuvanopeuksista voimalatyyppiä. Käytössä on edelleen epätahtigeneraattori, ja lapojen muuttuva pyörimisnopeus perustuu jättämän kasvattamiseen. Tässä voimalatyypissä lapojen muuttuva pyörimisnopeus perustuu siihen, että jättämän kasvusta seuraava tehonlisäys siirretään osatehoisen suuntaajakäytön välityksellä sähköverkkoon. Mitä suurempi osa tehosta siirretään suuntaajakäytön kautta, sitä suurempi on lapojen pyörimisnopeuden vaihteluväli. Toisaalta suuntaajakäytön tehokapasiteetin kasvattaminen lisää merkittävästi kustannuksia. Yleensä noin 30% generaattorin kokonaistehosta siirretään suuntaajan kautta. 16 8
TUULIVOIMALAKONSEPTIT: MUUTTUVANOPEUKSINEN TÄYSTEHOISELLA SUUNTAAJAKÄYTÖLLÄ Kun suuntaajakäyttö mitoitetaan generaattorin nimellisteholle, saadaan aidosti muuttuvanopeuksinen voimalatyyppi. Tällöin käytetään yleisimmin tahtigeneraattoria, mutta myös epätahtigeneraattorin käyttäminen on mahdollista. Vaihdelaatikon tarve riippuu generaattorityypistä. Jos käytetään erityisesti tuulivoimakäyttöön suunniteltua (kestomagneetti)generaattoria, vaihteita ei tarvita. Tämän voimalatyypin voidaan sanoa olevan teknisesti kehittynein, mutta samalla hinta nousee huomattavasti suuremmaksi kuin osatehoisen suuntaajakäytön muuttuvanopeuksisessa voimalatyypissä. Kalleimmat komponentit ovat generaattori ja täystehoinen suuntaajakäyttö. 17 VAIHTEELLISUUDEN TUNNISTAMINEN VOIMALAN ULKONÄÖSTÄ 18 9