TUULIVOIMALAITOS

Tuulivoimalaitoksen toimintaideana on, että tuulen liike-energia muutetaan pyörimisliikkeeksi ja edelleen generaattorin avulla sähköksi, jota syötetään sähköverkkoon.

Tuulivoimalatyyppejä on periaatteessa useita. Eniten käytettyjä malleja ovat kolmilapaiset vaaka-akseliset (potkurimalliset) laitokset. Lisäksi on olemassa mm. kuppiroottori, Savonius-roottori, Windside-roottori ja vispilämäisellä Darrieus-roottorilla varustettu pystyakselinen laitos. Näistä ainoastaan potkurimallisilla voimaloilla on nykyään käytännön merkitystä laajemmassa sähköntuotannossa.

Potkurimalliset laitokset perustuvat ns. Tanskalaiseen konseptiin. Tuulivoimala on kolmilapainen ylätuuliturbiinilla, ylennysvaihteistolla, levyjarruilla, hydraulijärjestelmällä, aktiivisella kääntölaitteistolla ja yhdellä tai kahdella generaattorilla varustettu useimmiten laadukas kokonaisuus. Voimalan vaihteisto ja generaattori sijaitsevat ylhäällä konehuoneessa konepedin päällä. Maston korkeus nykyaikaisilla 2.0 MW voimaloilla on 65 - 85m. Potkurin merkittävin etu on, että se peittää pyöriessään omaan pinta-alaansa nähden huomattavan suuren alan ja kykenee tuottamaan omaan painoonsa nähden huomattavan paljon tehoa. Kääntöjärjestelmä koostuu yhdestä tai kahdesta pienestä moottorivaihteistosta, jotka kääntävät konepedin suuren sisähammaskehän avulla tuuleen. Turbiinin on pysyttävä mahdollisimman hyvin vasten tuulta, ts. asennossa, joka on kohtisuorassa tuulen suuntaan nähden. Järjestelmä sallii lyhytaikaiset tuulen suunnan vaihtelut eikä siten käännä suurta turbiinia jatkuvasti tuulta vasten. Järjestelmän elintärkeänä osana on voimalan "sielu" eli koko tuulivoimalan elektroninen ohjausjärjestelmä. Voimala toimii parhaiten ja luotettavasti vasta, kun siinä on oikein laadittu ohjelma. Laadukkaat voimala valmistajat ovat perehtyneet tuulivoimaloiden ohjausjärjestelmien kehittelyyn. Laadukkaat tuulivoimalat myös tuottavat eniten sähköä. Teoriassa potkurimallisella laitoksella päästään lähimmäksi ihanteellista hyötysuhdetta.

Tuulivoimalat luokitellaan nimellistehonsa mukaan. Nykyään eniten myydyt tuulivoimalaitokset ovat nimellisteholtaan 2.0 MW tai 2.3 MW, mutta suurempien, 3.0 ja 3.2 MW:n laitoksien markkinaosuus on jo pienoisessa kasvussa. Esimerkiksi Suomalainen WinWinD Oy valmistaa jo 3.0 MW voimaloita.

Tuulivoimalaitos tarvitsee käynnistyäkseen vähintään 3 m/s tuulennopeuden. Alueella 4-13 m/s tuulivoimalan tuottama teho riippuu suoraan tuulen nopeudesta. Voimala mallista riippuen noin 13 - 14 m/s tuulen nopeudella voimala saavuttaa nimellistehonsa. Tästä eteenpäin aina 25 m/s tuulen nopeuteen asti voimala tuottaa vakiotehoa eli voimalan nimellistehoa. Poikkeuksena sakkaussäätöiset tuulivoimalat, joiden tuottama teho hieman alenee 15 - 25 m/s tuulen nopeus alueella. Tuulivoimalat on poikkeuksetta suunniteltu toimimaan vain alle 25 m/s tuulen nopeuksilla, sillä sitä kovemmilla tuulen nopeuksilla voimalan rakenteisiin kohdistuu erittäin suuria rasituksia ja laiterikkoutumisen vaara on suuri.

Tuulivoimalan sydän - TURBIINI

Alunperin kaikki tuulivoimalat rakennettiin sakkaussäätöisiksi. Sakkaussäätö tarkoittaa sitä, että turbiinin lavat ovat kiinteään asetuskulmaan asetettuna ja tuulennopeuden vaihtelut "lasketaan läpi" antamalla ilmavirtauksen irrota lavan nostovoimapuolella. Termi "SAKKAUS" on peräisin ilmailusta ja tarkoittaa ilmiötä, jossa ilmavirtaus irtoaa siiven päältä ja siiven nostovoima katoaa liian suurella kohtauskulmalla. Tuulivoimaloiden lavat muistuttivat alkuaikoina (1970-1980 luvulla) lentokoneen siipiä tai potkuria, mutta nykypäivinä ( 1990-luvulta lähtien) lapateknologia on kehittynyt huomattavasti.

Toinen säätötapa on lapakulmasäätö, jossa joko mekaanisin tai hydraulisin menetelmin liikutetaan eli säädetään lavan asentoa. Lapakulmasäädön idean tuulivoimalaan toi kokeilumielessä tanskalainen tuulivoimavalmistaja yhtiö Windane. Malleja oli useita erilaisia - sekä etu- että takatuulityyppisiä malleja. Suomeen tuotu ensimmäinen tuulivoimala oli juuri Windane 340 kW takatuulivoimala, joka ei toiminut käytännössä ollenkaan.

Muuan tanskalainen pikku yhtiö nimeltään Vestas - DWT A/S osti Windane A/S yhtiön ja sovelsi onnistuneesti lapakulmasäätöä 200 kW mallissaan. Sitä ennen Vestas-yhtiö oli valmistanut sadoittain 55 kW, 75 kW, 90 kW ja 100 kW sakkaussäätöisiä voimaloita.

Lapakulmasäädöllä turbiinin lapoja voidaan kääntää jopa 180 astetta. Pienempien Vestas voimaloiden kääntöalue oli 87 astetta, joka riitti sen ajan tarpeisiin. Tuolloin V25 ja V27 mallien tekniikka perustui turbiinin akselin läpi asennetun hydraulijärjestelmän ja navassa sijainneen nivellaitteiston muodostamaan kokonaisuuteen. Säätöherkkyys oli hidas verrattuna turbiinin pyörimisnopeuteen. Järjestelmää käytettiin enimmäkseen voimalan aikaisempaan käynnistämiseen ja turvalliseen pysäyttämiseen myrskytuulilla tai muissa hätätapauksissa.

Seuraavissa malleissa V39, V42 ja V44 (kaikki 500 kW) turbiibin pyörimisnopeus oli hitaampi ja sen vuoksi pyrittiin kehittämään nopeampaa reagointia säätöön. Järjestelmän nimeksi annettiin "OPTI-TIP". Suurimmat parannukset olivat hydraulijärjestelmissä ja uusissa ohjelmasovelluksissa. Samalla otettiin käyttöön uudempi generaattorimalli lisälaitteineen nimeltään "OPTI-SLIP", josta enemmän GENERAATTORI - osiossa.

Nykysin lapojen säätö tapahtuu sähkömoottoreiden avulla. Jokaisella lavalla on oma moottorinsa ja lapoja voidaan kääntää itsenäisesti. Säätöä onkin tarpeen tehdä kokoajan turbiinin pyöriessä, sillä turbiinin läpimitan ollessa 80 metriä tai enemmän - on tuulennopeudessakin jo merkittävää eroa.

Lapakulmasäätöisessä voimalassa on lavan oltava lievemmin kiertynyt kuin sakkaussäätöisessä voimalassa. Varhemmissa malleissa lavan kierto oli vielä suuri, mutta myöhemmin V52-850 kW mallista lähtien lavat ovat melko suoria. Tästä syystä on enemmän tehokasta profiilipinta-alaa käytettävissä ja siten turbiinin vääntömomentti saadaan suuremmaksi.

Tuulivoimalan lihakset - GENERAATTORI

Tuulivoimalan aivot - OHJAUSJÄRJESTELMÄ

Jatkuu...

PÄÄSIVULLE