Haku
EN
FI | EN

 

Tietoa tuulivoimasta

Tuulivoimaloiden rakenne

Tuulivoimalalla muutetaan tuulen liike-energiaa voimalan akselin pyörimisenergiaksi eli mekaaniseksi energiaksi. Akseli pyörittää edelleen sähköä tuottavaa generaattoria ja tuottaa sähköä.

Nykyaikaiset 2 - 5 MW kaupalliset tuulivoimalaitokset ovat vaaka-akselisia, kolmelapaisia ja niiden roottori on torniin nähden tuulen yläpuolella. Tällainen voimala on yleisimmin käytetty tuulienergian tuotantolaitos, koska se on myös taloudellisesti edullisin. Sillä on suuri pyyhkäisypinta-ala, suurimmillaan yli hehtaari. Voimalan tuotto on suoraan verrannollinen pyyhkäisypinta-alaan. Roottorin pinta-ala suhteessa pyyhkäisypinta-alaan on pieni (2-3 %) eli suuren pinta-alan käyttöön tarvitaan minimaalinen määrä materiaalia. Sillä on erinomainen hyötysuhde verrattuna muihin ratkaisuihin, jase on pitkäaikaisessa käytössä rakenteellisesti kevein ja luotettavin.

1980-luvulla valmistetuissa laitoksissa roottori oli usein sijoitettu torniin nähden tuulen alapuolelle. Alatuuliroottoreista on kuitenkin pääasiassa turbulenssi- ja meluongelmien vuoksi sittemmin luovuttu lähes kokonaan. Lue lisää eri voimalatyypeistä.

Paremman tuotannon saamiseksi tuulivoimaloiden koko on kasvanut huomattavasti viime vuosina. Tällä vuosikymmenellä rakennettujen voimaloiden napakorkeus on yleensä 120 - 150 metriä. Suomessa vuonna 2017 rakennettujen korkeimpien voimaloiden napakorkeus oli 140 - 150 metrin välillä, mutta Saksassa on lähes 180 metriä korkeita torneja.

Torni on eurooppalaisissa tuulivoimaloissa yleensä putkirakenteinen terästorni (esim. USA:ssa käytetään myös ristikkorakenteisia), ja se on kiinnitetty betoniseen perustukseen. Käytössä on myös ns. hybriditorneja, joissa osa tornista on betonia ja osa terästä. Kun tavoitellaan mahdollisimman korkeaa tornia, alin terästornilohko on halkaisijaltaan niin suuri, että sen kuljettaminen käy vaikeaksi. Tällöin vaihtoehdoiksi voivat tulla hybriditorni tai teräslevytorni, jotka kootaan tuulivoimalan rakennuspaikalla.

Konehuone

Konehuoneessa sijaitsevat vaihteisto, generaattori, muuntaja sekä säätö- ja ohjausjärjestelmät. Joissakin voimaloissa muuntaja ja ohjauskeskukset voivat sijaita myös tornin alaosassa konehuoneen kokonaispainon pienentämiseksi. Konehuoneen runko valmistetaan yleensä teräksestä ja konehuonetta ympäröivä ja suojaava ”kuori” lasikuidusta.

Tuulivoimalan konehuone. Kuva: Nordex

Lavat

Roottorin lavat valmistetaan yleisimmin komposiittimateriaaleista, joissa käytetään lasikuitua ja joskus myös hiilikuitua tai puuta yhdessä epoksin tai polyesterin kanssa. Lavat toimivat myös laitoksen tehonsäätö- ja pysäytysmekanismina. Pisimmät Suomen tuulivoimaloiden lavoista ovat noin 70 metriä. 

Hyötysuhde

Tuulivoimalan roottorin läpi virtaavan ilmamassan tehosisällöstä saadaan teoriassa hyödynnettyä noin 59 %, joka näin ollen on tuulivoimalan teoreettinen maksimihyötysuhde. Häviöt johtuvat siitä, että tuulen nopeus roottorin takana on pienempi kuin ennen roottoria, ja nopeuden pienentyessä ilmamassa laajenee, koska massavirta säilyy vakiona.

Käytännössä tuulivoimalan roottorihyötysuhteet ovat maksimissaan 50 % luokkaa. Häviöitä syntyy mm. virtauksen turbulenttisuudesta (roottori pystyy hyödyntämään virtauksesta ainoastaan pyörimisakselin suuntaisen nopeuskomponentin) sekä lapaprofiilin ja roottorin pyörimisnopeuden pääoptimaalisuudesta. Hyötysuhdehäviöitä syntyy roottorin lisäksi myös mekaanisessa voimansiirrossa, generaattorissa, muuntajassa ja kaapeleissa, mutta nämä eivät ole kokonaiskeskiarvo hyötysuhteen kannalta kovin merkityksellisiä. Hetkittäinen kokonaishyötysuhde (ilmavirtauksen kineettisestä energiasta sähköksi) on parhaimmillaan 45 - 50 %.