Tuuliturbiini on kone, jolla tuulen eli virtaavan ilman liike-energiaa muutetaan turbiinin akselin pyörimisenergiaksi eli mekaaniseksi energiaksi. Akseli pyörittää edelleen sähköä tuottavaa generaattoria ja tuottaa sähköä.
Nykyaikaiset 1 - 5 MW kaupalliset tuulivoimalaitokset ovat vaaka-akselisia, kolmelapaisia ja niiden roottori on torniin nähden tuulen yläpuolella. Kolmilapainen vaaka-akselinen etutuulipotkuri on yleisin energiantuotannossa käytetty tyyppi ja taloudellisesti edullisin. Sillä on suuri pyyhkäisypinta-ala, suurimmillaan lähes hehtaari ja tuotto on suoraan verrannollinen pyyhkäisypinta-alaan. Potkurin pinta-ala suhteessa pyyhkäisypinta-alaan on pieni (parikolme prosenttia) 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 mastoon nähden tuulen alapuolelle. Alatuuliroottoreista on kuitenkin pääasiassa turbulenssi- ja meluongelmien vuoksi sittemmin luovuttu lähes kokonaan [1].
500 - 1650 kW tuulivoimalaitoksen tornin korkeus on yleensä 50 - 90 m ja roottorin halkaisija 40 - 70 m [1]. Paremman tuotannon saamiseksi, tuulivoimaloiden koko on kasvanut huomattavasti viime vuosina. Voimaloiden napakorkeus on yleensä 80 - 100 metrin korkeudessa, Euroopassa on jo 130 metrin torneja. Porin Tahkoluotoon lokakuussa 2009 valmistunut voimala on Suomen korkein, napakorkeus että roottorin halkaisija ovat 100 metriä.
Torni on eurooppalaisissa laitoksissa yleensä putkirakenteinen terästorni (esim. USA:ssa käytetään myös ristikkorakenteisia), ja se on kiinnitetty betoniseen perustukseen. Suomessa ollaan ottamassa käyttöön myös hybriditornia, jossa tornin alin 50 metriä on betonia ja loput 50 metriä terästä.
Konehuone
Konehuoneessa sijaitsevat vaihteisto, generaattori sekä säätö- ja ohjausjärjestelmät. Vaihteisto muuntaa roottorin matalan kierrosluvun (10 - 40 rpm) generaattorille sopivaksi (1000 - 1500 rpm). Generaattori on yleisimmin 4- tai 6-napainen epätahtigeneraattori, jolloin sen pyörimisnopeus siis määräytyy sähköverkon taajuudesta. Erilliset moottorit kääntävät konehuonetta tuulen suuntaan suunta-anturin ja säätölaitteen avulla. Konehuoneen runko ja kuori valmistetaan yleensä teräksestä tai lasikuidusta. [1]
Kuva 1. Tuulivoimalan konehuoneen rakenne (Kuva: WinWinD)
Lavat
Roottorin lavat valmistetaan tällä hetkellä yleisimmin komposiittimateriaaleista, joissa käytetään lasikuitua ja joskus myös hiilikuitua tai puuta yhdessä epoksin tai polyesterin kanssa. Lavat toimivat myös laitoksen tehonsäätö- ja pysäytysmekanismina. Tehoa säädetään joko sakkaukseen tai lapakulman säätöön perustuen. Laitoksen pysäytys tapahtuu kärkijarrujen avulla (sakkaussäätöiset laitokset) tai kääntämällä koko lapa pois tuulesta (aktiivisella sakkauksella varustetut ja lapakulmasäätöiset laitokset). Lisäksi laitoksissa on toinen erillinen pysäytysmekanismi, joka on levyjarru joko hitaalla tai nopealla akselilla tai molemmilla, yleensä nopealla akselilla. [1]
Hyötysuhde
Tuulivoimalaitoksen roottorin läpi virtaavan ilmamassan tehosisällöstä saadaan teoriassa hyödynnettyä noin 59 %, joka näin ollen on tuulivoimalaitoksen teoreettinen maksimihyötysuhde. Häviöt johtuvat siitä, että tuulen nopeus roottorin takana on pienempi kuin ennen roottoria, ja nopeuden pienentyessä ilmamassa laajenee, koska massavirta säilyy vakiona. [1]
Käytännössä tuulivoimalaitosten 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 %. [1]
Lisätietoa:
Eri voimalatyyppejä
Miksi kolme lapaa?
Lähteet:
1. Tuulivoiman projektiopas, Motivan julkaisu 5 / 1999
