Tuulivoimalan pyörittävä momentti syntyy kolmella eri tavalla, joko (1) osittain nostovoiman ja vastuksen avulla (Savonius, Windside ja Jaspira), (2) siipien 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 siipeen kohdistuva voima perustuu siiven vastukseen tuulen ohittaessa sen. Voima suuntautuu myötätuuleen. Turbiinin siiven vastuskerroin on suuri silloin, kun siipi kulkee myötätuuleen ja pieni siiven 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 siipi puolestaan aiheuttaa vastusta, joka johtuu suuresta suhteellisesta ilmanopeudesta vaikka vastuskerroin olisikin pieni.
Tämän tyypin turbiinit pyörivät pienellä nopeudella sekä 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 aina vain uusia ehdotuksia tuntuu löytyvän. Toimintaperiaatteen huonona puolena on se, että hyötysuhde on parhaimmillaankin vain pari prosenttia, joka verrattuna muihin kuvattaviin malleihin jää todella mitättömäksi. Mielenkiintoisen tapauksen tässä ryhmässä muodostaa ns. kuppianemometri, jota käytetään hyvin yleisesti tuulen nopeuden mittauksessa.
Kuppianemometri
Kuppianemometriä käytetään, koska se soveltuu hyvin ilman nopeuden mittaukseen sillä äkillisetkään tuulen suunnanmuutokset eivät vaikuta sen toimintaan. 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
Turbiinin siipeen 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. Siipi toimii lentokoneen siiven tai purjeen tavoin.
Savonius-turbiini
Savonius-turbiini on suomalaisen 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 sillä siiven eri asennoissa pyöritysmomentti vaihtelee. 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 on siellä. missä tarvitaan kohtuullisen pientä tehoa ja pyörimisnopeutta kuten veden pumppauksessa. 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 on Savonius-turbiinin kehitelmä, jossa 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 vähemmmän kuin Savonius-turbiini, koska siihen ei kohdistu värähtelyjä aiheuttavia sysäyksiä kuten Savoniuksessa. Lisäksi rakenne kestää muotonsa ansiosta suuriakin kuormituksia.
Potkurikäyttöiset tuulivoimalat
Potkurikäyttöistä voimalaa kutsutaan myös vaaka-akseliseksi voimlalaksi. Potkurin merkittävin etu on, että se peittää omaan pinta-alaansa verrattuna suuren alan, ja kykenee tuottamaan rakennepainoonsa nähden huomattavan paljon tehoa. Potkuri pyörii useimmiten pienehköllä nopeudella ja siksi generaattorin ja potkurin väliin tarvitaan useimmiten ylennysvaihde. Mitä suurempi potkuri on, sitä pienempi on pyörimisnopeus, sillä potkurin kärkinopeus halutaan rajoittaa lähinnä melusyistä alle melurajan, 70 m/s.
Potkurin akseli tulee suunnata aina vasten tuulta, jotta se tuottaisi mahdollisimman paljon tehoa. Suuntaus perustuu joko tuuliviiriperiaatteeseen tai tuulen vallitsevan suunnan mittaamiseen ja sähkö- tai hydraulimoottorilla tapahtuvaan suuntaamiseen. Potkuria käännettäessä kohti tuulta esiintyy koriolisvoima, joka pyrkii kiertämään potkurin akselia joko ylös tai alas päin riippuen käännön suunnasta. Tämä voima aiheuttaa etenkin kaksilapaista potkuria käännettäessä voimakasta tärinää, joka rasittaa potkuria ja sen akselia. Kolme- ja useampilapaisissa potkureissa koriolisvoimasta johtuvat hitausvoimat ovat tasapainossa akselin suhteen eikä tällaista tärinää esiinny. Tästä syystä käytetäänkin paljon kolmilapaisia potkureita. Kolmilapaisuus ei kuitenkaan estä koriolisvoimien vaikuttamasta erikseen jokaiseen lapaan mutta kolmilapaisuus tasaa akseliin kohdistuvia kuormia.
Hyötysuhteeltaan potkurikäyttöinen voimala on saatavissa varsin tehokkaaksi. Tämä edellyttää tietysti potkurin ominaisuuksien valintaa siten, että se toimii optimaalisesti. Teoreettisesti potkurikäyttöisellä voimalalla on kuitenkin parhaat mahdollisuudet päästä lähimmäksi ihanteellista arvoa. Potkurikäyttöisen voimalan suojaamiseksi myrskytilanteilta on tehtävä riittävän varmatoimiset suojamekanismit. Periaatteena pitäisi olla vähintään kolme toisistaan riippumatonta, automaattisesti, ilman ulkopuolista apua toimivaa järjestelmää, jotka kykenevät sekä rajoittamaan potkurin tuottamaa pyöritysmomenttia että pysäyttämään potkurin tuulen nopeuden ylittäessä sallitun raja-arvon