Tuulivoimateknologia

Miten tuulivoimala toimii?

Tuuli syntyy, kun ilma liikkuu ilmamassojen lämpötila- ja paine-erojen seurauksena. Tuulen liike-energia voidaan muuntaa pyörimisliikkeeksi tuulivoimalan siipien avulla. Siivet pyörittävät generaattoriin kytkettyä akselia. Generaattorissa pyörimisenergia muutetaan sähköksi, joka johdetaan muuntajaan ja edelleen sähköverkkoon.

Rakenteeltaan nykyaikaiset tuulivoimalat perustuvat lentokonetekniikkaan. Suurin osa niistä on kolmilapaisia, vaaka-akselisia ja niiden roottorit kääntyvät tornissa tuulen mukaan.

Voimalan osat

Tuulivoimala koostuu lavoista, konehuoneesta (muun muassa generaattori ja vaihteisto), muuntajasta, tornista ja perustuksista. Teollisen kokoluokan voimalaitosten tornien korkeus vaihtelee 50-140 m riippuen voimalaitoksen koosta ja sijainnista. Roottorin halkaisijat vaihtelevat 40-140 m. Tornit ovat yleensä putkimaisia terästorneja, jotka on kiinnitetty betonisiin tai teräsrakenteisiin perustuksiin.

Eri voimalaitosvalmistajien mallit poikkeavat jossain määrin toisistaan johtuen erilaisista teknisistä ratkaisuista. Suurin ulkoinen ero näkyy yleensä konehuoneen muodossa ja koossa mutta myös torneista löytyy eroja.
Tuulivoimalan_osat
Kuva 1. Tuulivoimalan osat. Lähde: Motiva.

Tuulivoimalayksiköiden koko on kasvanut merkittävästi viime vuosina. Nykyään rakennettavien voimaloiden koko on lähes poikkeuksetta vähintään yksi megawatti. Suurimpien markkinoilla olevien tuulivoimaloiden koko on noin 5 MW.

Jo pystytetyt maatuulivoimalat ovat tyypillisimmin kokoluokkaa 1-3 megawattia (MW), mutta tällä hetkellä rakennettavien ja suunnitteilla olevien voimaloiden teho on yleensä 3-5 megawattia. Tätäkin isompia voimaloita on jo suunnitteilla maailmalla.

3-5 megawatin tuulivoimaloiden tornin korkeus on noin 80-140 metriä ja roottorien lavan halkaisija noin 100-125 metriä. Modernien merituulivoimaloiden teho vaihtelee 3-7 MW välillä, mutta suunnittelussa on jopa 10 MW voimaloita.
Tuulivoimaloiden koon kehitys
Kuva 2. Tuulivoimalakoon kehitys. Lähde: Motiva.

Tuulivoima-alueella tai tuulipuistolla tarkoitetaan aluetta, jolla on useita toisiinsa liitettyjä voimaloita, jotka on kytketty kokonaisuutena sähköverkkoon. Voimalat sijoitetaan tuulivoima-alueilla useiden satojen metrien päähän toisistaan. Sijoitusetäisyys määräytyy usean tekijän, kuten turbiinin koon, voimaloiden lukumäärän ja voimaloiden sijoituskuvion perusteella. Isojen tuulivoimaloiden (3-5 MW) etäisyydet toisiinsa nähden vaihtelevat tavallisesti 400-1 000 metrin välillä.

Tuulivoimalan koneisto

Kuva 3. 1 MW voimalaitoksen konehuone. Roottori liitetään voimayksikköön erikoisvalmisteisella 3-rivilaakerilla (1), joka siirtää haitalliset kuormitukset suoraan kantavaan putkirakenteeseen ohi planeettavaihteen ja generaattorin. Yksiportainen planeettavaihde (2) välittää voiman generaattorille (3) ja samalla kierrosluku nousee 5,71-kertaiseksi eli välille 44-146 rpm. Hitaasti pyörivä kestomagnetoitu generaattori tuottaa sähkön, joka siirretään kaapeleilla tornin alaosassa olevaan taajuusmuuttajaan. Tuulen suuntaa ja voimakkuutta mitataan lauhduttimen päällä olevilla mittareilla. Suuntatiedon perusteella käännetään tornin yläosa kääntömoottoreilla siten, että lavat ovat tuulta vastaan. Roottorin kierroslukua säädetään lapakulmien avulla. Jokaisessa lavassa on oma kääntömoottori (4). (lähde: WinWinD)


Käynnistyäkseen tuulivoimalaitos vaatii 3,5 m/s tuulen. Laitoksen teho lisääntyy nopeasti tuulen nopeuden kasvaessa. Kun tuulen nopeus kasvaa 15-25 m/s tehoa joudutaan rajoittamaan passiivisella sakkaussäädöllä tai aktiivisella lapakulmien säädöllä. Yleensä laitos joudutaan pysäyttämään yli 25 m/s tuulen nopeuksissa, jotta vältytään laitevaurioilta.

Laitokset rakennetaan automaattisiksi, joten työvoimaa tarvitaan lähinnä vikojen korjaukseen ja huoltoon. Tuulivoimalan käyttöikä on 20-30 vuotta, jonka aikana osia joudutaan vaihtamaan ja korjaamaan.

Lähteet:

Tuulessa on voimaa -esite. Motiva Oy ja OPET Finland yhteistyössä Suomen tuulivoimayhdistys ry:n kanssa.

Faktaa tuulivoimasta -esite. Suomen Tuulivoimayhdistys ry.

Suomen Tuulivoimayhdistys ry


Oliko artikkeli hyödyllinen?

Sivua päivitetty viimeksi 8.3.2018

Tämä sivusto käyttää evästeitä sivuston käyttöä koskevien tietojen keräämiseksi. Kun käytät tätä sivustoa, hyväksyt evästeiden käytön.