Haku
EN
FI | EN

 

Tietoa tuulivoimasta

Tuulivoimaloiden rakenne

Tuulivoimala on kone, jolla tuulen eli virtaavan ilman liike-energiaa muutetaan 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. Kolmilapainen vaaka-akselinen etutuulivoimala on yleisin energiantuotannossa käytetty tyyppi ja taloudellisesti edullisin. Sillä on suuri pyyhkäisypinta-ala, suurimmillaan yli hehtaari ja 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. Se on rakenteellisesti kevein ja luotettavin pitkäaikaisessa käytössä
1980-luvulla valmistetuissa laitoksissa roottori oli usein sijoitettu torniin nähden tuulen alapuolelle. Alatuuliroottoreista on kuitenkin pääasiassa turbulenssi- ja meluongelmien vuoksi sittemmin luovuttu lähes kokonaan.

500 - 1650 kW tuulivoimalan tornin korkeus on yleensä 50 - 90 m ja roottorin halkaisija 40 - 70 m. Paremman tuotannon saamiseksi tuulivoimaloiden koko on kasvanut huomattavasti viime vuosina. Voimaloiden napakorkeus on yleensä 80 - 140 metrin korkeudessa.

Vuonna 2014 tornikorkeudeltaan suurimmat tuulivoimalat ovat Puhuri Oy:n omistamat Raahen Kopsan tuulipuiston tuulivoimalat 142,5 metrin tornilla. Kokonaiskorkeudeltaan korkeimpia tuulivoimaloita ovat TuuliWatti Oy:n omistamat Gamesan valmistamat tuulivoimalat Porissa ja Salossa, joissa lavan kärki käy korkeimmillaan n. 204 metrin korkeudessa.

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 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 Suomessa sijaitsevissa tuulivoimaloissa käytettävät lava ovat yli 60 metriä pitkiä.

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 %.