Haku
EN
FI | EN

 

Tietoa tuulivoimasta

Tuulivoimaloiden toimintaperiaatteen mukainen luokittelu

Tuulivoimaloita voidaan luokitella niiden eri ominaisuuksien mukaan, esimerkiksi voimalan toimintaperiaatteen mukaisesti. Nykyään tuulivoimalat jaotellaan lähinnä niiden voimayksikön mukaan suoravetoisiksi tai vaihteistollisiksi tuulivoimaloiksi.
Alla on kerrottu perinteistä tuulivoimaloiden jaottelusta, jonka mukaan tuulivoimalan pyörittävä momentti voi syntyä kolmen eri toimintaperiaatteen mukaisesti, joko (1) osittain nostovoiman ja vastuksen avulla (Savonius, Windside ja Jaspira), (2) lapojen välisestä vastuserosta (kuppiroottori) tai (3) lavan nostovoiman ansiosta, kuten lentokoneen siivessä.

Vastuserolla toimivat voimalat

Tässä tyypissä tuulivoimalan turbiini muodostuu pyörivästä kehästä, jonka akseli on tuulta vastaan kohtisuoraan. Kehällä on kuppeja, siipiä, pusseja tai muita laitteita, joiden tarkoituksena on vastustaa mahdollisimman tehokkaasti tuulta pyörimiskehän toisella sivulla ja palata alkuasentoon tuulen yläpuolelle mahdollisimman huomaamattomasti ja vähän vastusta aiheuttaen. Turbiinin lapaan kohdistuva voima perustuu lavan vastukseen tuulen ohittaessa sen. Voima suuntautuu myötätuuleen.

Turbiinin lavan vastuskerroin on suuri silloin, kun lapa kulkee myötätuuleen ja pieni lavan palatessa vastatuuleen. Tuuli kohtaa turbiinin pinnan jyrkässä kulmassa ja synnyttää voiman, joka on sitä suurempi mitä isompi nopeusero turbiinin pinnan ja tuulen välillä vallitsee. Tästä johtuu, että turbiinin pyörimisliikkeen kehänopeus jää aina pienemmäksi kuin tuulen nopeus, sillä tuulen nopeutta vastaavalla kehänopeudella ei enää synny turbiinia käyttävää voimaa ja pyöritysmomenttia. Turbiinin palaava, tuulta vasten pyörivä lapa puolestaan aiheuttaa vastusta, joka johtuu suuresta suhteellisesta ilmanopeudesta, vaikka vastuskerroin olisikin pieni.

Tämän tyypin turbiinit pyörivät pienellä nopeudella ja ovat teholtaan hyvin heikkoja. Ihannetapauksessa palaavan siipielementin vastus olisi nolla ja tuulen mukana kulkevan taas mahdollisimman suuri. Tämä voimalatyyppi on innoittanut kautta historian keksijöitä ja kokeilijoita. Toimivia ratkaisuja tunnetaan jo tuhansien vuosien takaa ja uusia ehdotuksia tuntuu löytyvän edelleen. Toimintaperiaatteen huonona puolena on se, että hyötysuhde on parhaimmillaankin vain pari prosenttia, joka verrattuna muihin kuvattaviin malleihin jää hyvin pieneksi.

Kuppianemometri

Edellä mainittuun ryhmään kuuluu myös ns. kuppianemometri, jota käytetään hyvin yleisesti tuulen nopeuden mittaamiseen. Äkillisetkään tuulen suunnanmuutokset eivät vaikuta kuppianemometrin toimintaan ja siitä syystä se soveltuukin hyvin ilman nopeuden mittaamiseen. Nopeusmittauksessa pyritään hyvin pieneen akselikitkaan, joten anemometri ei tuota tehoa vaan pyörii mahdollisimman vapaasti seuraten herkästi tuulen nopeuden muutoksia. Vapaasti pyöriessä pyörimisnopeus seuraa kohtalaisen tarkasti tuulen nopeutta myös vaihtelevissa tuulissa.

Aerodynaamisesti toimivat turbiinit

Voimalan lapaan kohdistuva voima syntyy ohi virtaavan ilman aiheuttamasta nostovoimasta, joka on kohtisuoraan virtausta vastaan. Voima on sitä suurempi, mitä nopeammin ilma virtaa siiven ohitse. Usein siiven oma pyörimisliike lisää suhteellista nopeutta ilmavirtaan nähden. Tällaiset turbiinit pyörivät usein paljon suuremmalla kehänopeudella kuin vapaan ilman nopeus. Tuulivoimalan lapa toimii lentokoneen siiven tai purjeen tavoin.

Savonius-turbiini

Savonius-turbiini on suomalaisen Sigurd Savoniuksen 1930-luvulla kehittämä ja patentoima pystyakselinen tuuliturbiini, jolla on kohtuullinen hyötysuhde ja hyvä vääntömomentti alhaisilla kierroksilla. Se on riippumaton tuulen suunnan vaihtumisesta, mutta käynnistys- ja pyöritysmomentti riippuvat turbiinin asennosta tuulen suhteen, ja käynti nykii kierroksen aikana, koska pyöritysmomentti vaihtelee siiven eri asennoissa. Nykimisen vähentämiseksi rakennetaan usein kaksi turbiinia päällekkäin, keskenään 90 asteen kulmaan. Savonius-turbiinissa esiintyy myös varsin voimakkaana poikittaisvoima, joka rasittaa turbiinia ja rakenteita. Suurten voimalaitosten kohdalla Savonius-turbiinin massiivinen koko muodostuu ongelmaksi, sillä sen paino tuotettua energiaa kohden nousee suureksi ja epätaloudelliseksi.

Parhaimmillaan Savonius-turbiini on paikassa, missä tarvitaan kohtuullisen pientä tehoa ja pyörimisnopeutta (esim. veden pumppaus). Yksinkertaisuutensa vuoksi se soveltuu hyvin itserakentajille. Savonius-turbiinin suojaus myrskytilanteessa on tärkeää, sillä turbiinin suuri pinta-ala aiheuttaa varsin suuria kuormituksia. Kovilla myrskyillä rakenteen kestävyys voi olla uhattuna, sillä epätasainen kuormitus aiheuttaa rakenteeseen värähtelyjä sekä väsytystä. Tuulen nopeuden kasvaessa turbiinin tehokerroin pienenee ja loiventaa vääntömomentin kasvua, mikä vähentää generaattorin ylikuormitttumisvaaraa.

Windside-turbiini "Tuuliruuvi"

Windside-turbiini, jota kutsutaan myös tuuliruuviksi, on Savonius-turbiinin kehitelmä, josta on poistettu Savoniuksessa esiintynyt käynnistysmomentin riippuvuus tuulen suunnasta ja käynnin epätasaisuuteen liittyneet ongelmat kiertämällä turbiinia ruuvin tavoin. Turbiini on suomalaisen Windside Oy:n patentoima. Windside Oy on kehittänyt myös generaattorin, joka käytettynä yhdessä WS-turbiinin kanssa ei tarvitse erillistä ylennysvaihdetta. Tällä yhdistelmällä saadaan sähköä myös hyvin pienillä tuulen nopeuksilla, mikä on tärkeää varsinkin akkukäytössä.

Keveitä tuulia esiintyy varsin paljon ympäri vuotta ja herkän laitteiston pienikin virrantuotto on akun kestävyyden kannalta edullisempaa kuin olla kokonaan ilman virtaa. Akun lataustilaa voidaan pitää tällä tavoin yllä. Luonnollisesti akusta ei riitä virtaa normaaliin käyttöön pitkinä tuulettomina jaksoina mutta mikäli järjestelmä kykenee antamaan edes sen verran virtaa, että se korvaa akun itsepurkautumisen, niin akusto on aina käyttövalmiina ja latautuneena esimerkiksi viikonloppua varten kesämökillä. Myrskytilanteessa WS-turbiini rasittuu vähemmän kuin Savonius-turbiini, koska siihen ei kohdistu värähtelyjä aiheuttavia sysäyksiä kuten Savoniuksessa. Lisäksi rakenne kestää muotonsa ansiosta suuriakin kuormituksia.

Roottorikäyttöiset tuulivoimalat

Roottorikäyttöistä voimalaa kutsutaan myös vaaka-akseliseksi voimalaksi. Roottorin merkittävin etu on, että se peittää omaan pinta-alaansa verrattuna suuren alan, ja kykenee tuottamaan painoonsa nähden huomattavan paljon tehoa. Roottori pyörii useimmiten pienehköllä nopeudella ja siksi generaattorin ja roottorin väliin tarvitaan useimmiten vaihde.

Roottori suunnataan vasten tuulta, jotta se tuottaisi mahdollisimman paljon tehoa. Suuntaus perustuu tuulen vallitsevan suunnan mittaamiseen ja sähkö- tai hydraulimoottorilla tapahtuvaan suuntaamiseen. Roottoria käännettäessä kohti tuulta esiintyy koriolisvoima, joka pyrkii kiertämään roottorin akselia joko ylös tai alas päin riippuen käännön suunnasta. Tämä voima aiheuttaa etenkin kaksilapaista roottoria käännettäessä voimakasta tärinää, joka rasittaa roottoria ja sen akselia. Kolme- ja useampilapaisissa roottoreissa koriolisvoimasta johtuvat hitausvoimat ovat tasapainossa akselin suhteen eikä tällaista tärinää esiinny. Tämä on yksi syy sille, että kolmilapaiset roottorit ovat yleistyneet. Kolmilapaisuus ei estä koriolisvoimien vaikuttamasta erikseen jokaiseen lapaan, mutta kolmilapaisuus tasaa akseliin kohdistuvia kuormia.

Hyötysuhteeltaan roottorikäyttöinen voimala on saatavissa varsin tehokkaaksi. Tämä edellyttää tietysti voimalan ominaisuuksien kehittämistä siten, että se toimii optimaalisesti. Teoreettisesti roottorikäyttöisellä voimalalla on kuitenkin parhaat mahdollisuudet päästä lähimmäksi ihanteellista arvoa. Roottorikäyttöisen voimalan suojaamiseksi myrskytilanteilta on tehtävä riittävän varmatoimiset suojamekanismit. Tuulen noustessa myrskynopeuteen, nykyvoimaloiden lavat kääntyvät ns. myrskyasentoon ja voimala lakkaa tuottamasta sähköä.