Mitä on tuulivoima?

Tuulivoima on tuulen eli ilman virtauksen liike-energian muuntamista tuuliturbiineilla sähköenergiaksi.

Tuuliturbiineita on hyvin erilaisia, pystyakseloituja ja vaaka-akseloituja, 1-, 2-, 3- ja monilapaisia. Yleisimmin suurvoimatuotannossa käytetyt olevat voimalat ovat vaaka-akseloituja ja 3-lapaisia. Pienissä, esimerkiksi mökkikäyttöön suunnitelluissa, voimaloissa on yleisimmin 2 tai 3 lapaa. Kiinteistöjen katoille esimerkiksi kaupunkiympäristöön on pystytetty pystyakseloituja ns. Savonious-tyyppisiä voimaloita.

Vanhoissa viljan jauhatukseen käytetyissä tuulimyllyissä myllyn siipien pyöriminen perustui tuulen painevoimaan. Nykyaikaisissa tuulivoimaloissa roottorin lavat ovat aerodynaamisesti muotoiltuja, ja roottorin liikkeelle panevana voimana on tuulen aiheuttama nostevoima. Suuren tuulivoimalan roottori pyörii noin 20-30 kierrosta minuutissa.

Tuulen liike-energia eli kineettinen energia e voidaan laskea yhtälöstä

ks. Yhtälö 1.

jossa ρ in ilman tiheys (kg/m3) ja V tuulen nopeus (m/s).
Pystysuoraa pintaa A vastaan kohdistuvaa tuulen voimaa FV kuvaa tällöin yhtälö
FV= c *0,5*ρ*V2*A
jossa c on ko. pinnan ilmanvastuskerroin ja V tuulen nopeuden vaakasuora resultanttinopeus kohtisuorassa pintaa A vastaan.

Fysiikassa teho (P) on tehdyn työn tai käytetyn energian määrä aikayksikössä. Tehon SI-yksikkö on watti (W), joka vastaa joulen energiamäärää sekunnissa. Tuulen nopeuden V kyky tehdä työtä, eli tuulen teho pinta-alayksikköä kohti (W/m2) saadaan näin ollen yhtälöstä

PV = FVV = 0,5 ρ V3 A

Tuulivoimalan roottorit aiheuttavat esteen virtauskenttään, jonka seurauksena virtaviivat hajoavat jo ennen roottoria ja virtaus muuttuu pyörteiseksi roottorin takana. Tällöin lähellä roottoria
V0>Vi>Vw
P0>Pi>Pw
kun alaindeksi 0 viittaa ylävirtauksen tilanteeseen, i roottorin kohtaan ja w roottorin takana olevaan tilanteeseen.

Roottori ei pysty hyödyntämään roottorin pinta-alan läpi kulkevan virtauksen koko energiaa. Betz osoitti (1926), että roottorin läpi kulkevasta ilmavirtauksen energiasta saadaan tehoa maksimissaan:

ks. Yhtälö 2.

Tuuliturbiinin käyttäminen lähellä Betzin rajaa on mahdollista moderneilla tuulivoimaloilla, joissa sekä roottorin pyörimisnopeutta että lapakulmaa voidaan säätää.

Voimalan tuottaman tehon ja tuulen välinen riippuvuus (tehokäyrä) vaihtelee voimalatyypeittäin ja voimaloittain. Käytännössä voimalan tuottama todellinen teho ei noudata sataprosenttisesti tehokäyrää, vaan siinä esiintyy hajontaa tehokäyrän ympärillä. Jos voimalan lavat ovat esimerkiksi jäässä tuotettu teho putoaa huomattavasti laskennallisen tehokäyrän alapuolelle.

Tuulivoimala ei voi hyödyntää tuulen koko nopeusaluetta. Voimaloilla on kullekin voimalle ominainen käynnistymistulennopeus (isoilla MW-luokan voimaloilla yleensä 3-4 m/s) sekä voimalaturvallisuuteen liittyen pysäytystuulennopeus (vastaavasti 25 m/s, joillakin hieman alempi), joiden ulkopuolella olevilla tuulennopeuksilla voimala ei tuota mitään.

Tuulen energiaan ja tehoon vaikuttaa ilman tiheys. Yleisesti tuulienergialaskelmissa ja voimaloiden tuotantoarvioissa käytetään ilman tiheydelle likiarvoa ρ = 1,3 kg/m3, joka vastaa kuivan ilman tiheyttä standardi-ilmakehässä merenpinnan tasossa, kun ilmanpaine on 1 atm = 1013,25 mb = 1013,25 hPa (vastaa 760 mm Hg) ja ilman lämpötila on 15ºC. Vuositasolla ilman tiheyden vaihteluiden huomioon ottaminen tehon P arvioinnissa ei oleellisesti paranna laskentatarkkuutta, mutta laskettaessa kuukausikohtaisia tehoarvoja em. arvon käyttö tiheydelle aiheuttaa jopa 5-6 % virheitä (Tammelin, 1991). Tässä tuuliatlaksessa annetuille energian arvolle on käytetty kutakin tilannetta vastaavaa ilman tiheyden arvoa ja voimaloiden tuotoille on käytetty hetkellisistä arvoista laskettua keskimääräistä kuukausittaista ilman tiheyttä.

Tuulivoimaloiden koko, roottorin halkaisija ja napakorkeus ovat parinkymmenen vuoden aikana kasvaneet huomattavasti, ja ne tulevat edelleen kasvamaan. Tuulivoimalan tuoton arvioimiseksi on voitava määrittää tuulen nopeus ja mitoitustuuli paitsi napakorkeudella myös koko roottorin alueella.

1990-luvun alussa, jolloin ensimmäiset tuuliatlakset tehtiin, tuulen vertikaalista muutosta kuvattiin yksinkertaisella logaritmisella profiililla. Korkeuden kasvaessa alimmassa ilmakerroksessa yleisesti käytössä oleva logaritminen tuuliprofiili ei riitä eri korkeuksilla vallitsevien tuuliolojen kuvaamiseen, vaan mukaan tulee uusia tuulisuuteen vaikuttavia tekijöitä kuten stabiilius ja alemman ilmakehän suihkuvirtaukset, joita sääasemien tuulimittauksiin pohjautuvissa tuuliatlaksissa ei voitu lainkaan ottaa huomioon.



 



Yhtälö 1.



Tuulen energiasisällön PV, tuulivoimalan teoreettisen maksimaalisen energian Pmax sekä tyypillisellä kiinteälapaiselle ja lapasäätöiselle voimalalle lasketut tehokäyrät.



 



Yhtälö 2.



 



Tuulivoimaloiden koko, roottorin halkaisija ja napakorkeus ovat parinkymmenen vuoden aikana kasvaneet huomattavasti, ja ne tulevat edelleen kasvamaan. Tuulivoimalan tuoton arvioimiseksi on voitava määrittää tuulen nopeus ja mitoitustuuli paitsi napakorkeudella myös koko roottorin alueella.

Lisätietoa tuulienergian tuotannosta jäätävissä olosuhteissa Jäätämisatlaksessa