Generatorer

Hovedaksling

Den bevegelsesenergien som bladene fanger opp blir overført via hovedakslingen fra rotoren. Hovedakslingen er videre koblet til girkassen, eller direkte til generatoren ved en direkte drevet turbin. Rotasjonshastigheten på hovedakslingen er lik rotasjonshastigheten til bladene, og antall omdreininger i minuttet avhenger av vingelengden til turbinen. Momentet til akslingen er høyt da omdreiningshastigheten er lav og energimengden stor. Dette krever en meget solid aksling.

Bilde av en nacelle med hovedaksling og giret generator. Kilde: Nasjonalt Vindenergisenter.

Generator avhengig av gir: hurtiggående generator

Generatoren i en vindturbin omdanner den mekaniske energien fra rotorbladene til elektrisk energi. En generator er i prinsippet lik en elektrisk motor, men i praksis er maskinen optimalisert for et av formålene. Meget enkelt forklart inneholder en generator en ubevegelig del kalt stator og en bevegelig del kalt rotor. Den ene delen består av en elektrisk leder og den andre en magnetisk del. Det magnetiske feltet settes opp av permanente eller ved elektromagneter. Permanente magneter består av magnetiske mineraler og genererer alltid et magnetfelt, mens elektromagneter blir kun magnetiske ved å føre strøm gjennom en spole. Rotoren i generatoren blir drevet rundt av vinden, og skaper med sin bevegelse et varierende magnetfelt. Når en elektrisk leder beveger seg i et varierende magnetfelt induseres (”lages”) en spenning. Den elektriske lederen er i en sluttet krets og spenningsforskjell på kretsen vil sette opp en strøm. Det betyr at bevegelsesenergien fra rotoren vil bli omdannet til elektrisk energi ved at magnetfeltet kontinuerlig blir endret. Høyhastighetsgeneratorer er, som navnet tilsier, avhengig av høy rotasjonshastighet i generatoren. Dette gjøres ved å gire opp rotasjonshastigheten fra hovedakslingen. Årsaken til at rotasjonshastigheten må økes er at ønsket frekvens er 50 Hz, som er frekvensen på den elektriske nettet i Norge. Den elektriske frekvensen bestemmes av antall polpar og omdreininger på generatoren. Antall polpar er antall magneter på rotor eller stator. For å oppnå ønsket frekvens på 50 Hz må en da enten ha et høyt antall poler eller en høy rotasjonshastighet på generatoren.

Gir

En vanlig høyhastighetsgenerator er avhengig av gir for å oppnå ønsket omdreining på generatoren. Girkassen i nacellen er montert mellom rotoren og generatoren. En vanlig høyhastighetsgenerator er avhengig av en omdreiningshastighet på rundt 1500 i minuttet, mens omdreiningen på rotor er rundt 15 per minutt. Det innebærer at rotasjonshastigheten må gires opp rundt 100 ganger. Giringen resulterer i en høy omdreining med lavt moment på akslingen ut av girkassen. Akslingen fra giret til generatoren er betydelig slankere enn hovedakslingen, da momentet er mindre med den økte rotasjonshastigheten.

Direktedrevet generator

Et alternativ til tidligere beskrevet høyhastighetsgenerator med tilkoblet gir, er en generator med flere poler - magneter. Et større antall poler gjør at akslingen kan kobles direkte på generator. Polene kan være permanentmagneter som alltid generer et magnetfelt eller elektromagneter. Direktedrevne generatorer har betydelig større diameter og tyngre enn en høyhastighets generator, da alle polene må få plass og vekten av dette er betydelig. Til gjengjeld slipper man girkasse, noe som gir færre deler i nacellen, og gjør turbinen mer kompakt.Hvilken turbintype som er best er vanskelig å gi et endelig svar på, men girkassen har vært et svakt punkt i tidligere vindturbiner. Direktedrevene turbiner vil ofte ha en høyere innkjøpspris, men lavere drifts- og vedlikeholds kostnader. For offshore turbiner kan derfor direktedrevne turbiner bli vinneren, da drift og vedlikehold til havs er betydelig dyrere enn på land. Et potensielt problem med direktedrevne generatorer er tilgangen på permanentmagneter. Magnetene består av sjeldne metaller, hvor Kina er tilnærmet eneste produsent. Kinas tilnærmede monopol kan by på fremtidige problemer, i form av dramatiske prisøkninger.