Tuulivoima on yksi tärkeimmistä uusiutuvista energialähteistä maailmassa. Sitä käytetään yhä enemmän, koska se pystyy tuottamaan puhdasta energiaa tuottamatta kasvihuonekaasuja. Siksi sen ja erityisesti tuuliturbiinien toiminnan tunteminen on välttämätöntä. Tässä käsittelemme perusteellisesti niiden toimintaa ja niiden tärkeimpiä ominaisuuksia.
Tuuliturbiini, joka tunnetaan myös nimellä tuuliturbiini, on yksi tämäntyyppisen energian peruselementeistä. Vaikka yleisesti ottaen kaikilla turbiineilla on samanlaiset ominaisuudet, niitä on erilaisia tuulipuiston tai asennuksen mukaan. Lisäksi turbiinit ovat kehittyneet ensimmäisistä malleistaan lähtien, minkä ansiosta voimme saada energiaa yhä tehokkaammalla tavalla.
Tässä artikkelissa kerromme sinulle kaiken, mitä sinun tulee tietää tuulivoimaloista, niiden ominaisuuksista ja niiden toiminnasta, sekä lisätietoja tuulipuistojen rakenteesta.
Mikä on tuuliturbiini
Tuuliturbiini on mekaaninen laite, joka muuntaa tuulienergian sähköenergiaksi. Se on suunniteltu muuntamaan tuulen kineettinen energia mekaaniseksi energiaksi roottorin siipien liikkeen kautta, joka muuntuu myöhemmin sähköksi generaattorin ansiosta.
Tuuliturbiinin toimintaperiaate perustuu kolmeen fysiikan peruslakiin:
- Turbiinin tuottama energia on verrannollinen tuulen nopeuden neliöön. Eli jos tuulen nopeus kaksinkertaistuu, tuotettu teho kasvaa nelinkertaiseksi.
- Käytettävissä oleva energia on verrannollinen terien pyyhkäisemään pinta-alaan, mikä tarkoittaa, että mitä suurempia teriä on, sitä suurempi energiamäärä on talteenoton.
- Tuuliturbiinin suurin teoreettinen hyötysuhde on 59 %, joka tunnetaan nimellä Betz-raja.
Toisin kuin vanhat tuulimyllyt, jotka toimivat suoralla tuulen työntövoimalla, nykyaikaiset turbiinit käyttävät monimutkaisempia aerodynaamisia periaatteita, kuten Venturi-ilmiötä, saadakseen mahdollisimman paljon energiaa.
Tuuligeneraattoreiden sisätilat
Tuuliturbiinin sisältä löytyy useita avainelementtejä, jotka mahdollistavat tuulen kineettisen energian muuntamisen sähköksi. Lapoista koostuva roottori on vastuussa tuulen energian talteenottamisesta ja sen saamisesta pyörimään akselinsa ympäri.
Tämä pyörimisliike välittyy sähkögeneraattoriin voimansiirtojärjestelmän kautta, joka sisältää vaihteiston, joka nostaa pyörimisnopeutta generaattorille sopivalle tasolle. Generaattori perustuu Faradayn lakiin, joka kertoo kuinka pyörivä mekaaninen energia muunnetaan sähköenergiaksi.
Tätä varten järjestelmä sisältää vaihtovirtageneraattoriin kytketyn roottorin, joka muuttaa mekaanisen liikkeen sähköenergiaksi. Tuotettu sähkö voidaan käyttää suoraan tai varastoida akkuihin myöhempää käyttöä varten.
Tuuliturbiinin elementtejä
Tuuliturbiini koostuu useista elementeistä, jotka yhdessä varmistavat turbiinin optimaalisen toiminnan ja tuulienergian tehokkaan muuntamisen sähköksi. Nämä ovat pääkomponentit:
- roottori: Roottori on elementti, joka kerää tuulienergiaa. Se koostuu lavista, jotka pyörivät jopa alhaisilla tuulennopeuksilla aerodynaamisen muotoilunsa ansiosta.
- Kytkentäjärjestelmä: Se on joukko mekanismeja, jotka yhdistävät terät generaattorin roottoriin pyörimisliikkeen siirtämiseksi.
- Kertoja tai vaihteisto: Tämä järjestelmä nostaa roottorin pyörimisnopeuden noin 10-40 RPM:stä 1.500 RPM:ään, joka tarvitaan generaattorissa sähkön tuottamiseksi.
- Generaattori: Generaattori muuttaa mekaanisen energian sähköksi. Turbiinista riippuen sen teho voi vaihdella uusimmissa malleissa 5 kW:sta 10 MW:iin.
- Suunta moottori: Se mahdollistaa koneen ja roottorin pyörimisen aina vallitsevaan tuulen suuntaan.
- Tukimastot: Se on rakenne, joka tukee generaattoria ja roottoria. Mitä suurempi turbiini, sitä korkeammalle koneen korkeudelle se sijaitsee.
- Terät ja tuulimittarit: Anemometrit mittaavat tuulen nopeutta, kun taas anturit jarruttavat siipiä, kun tuuli ylittää tietyt kynnykset, mikä estää turbiinin vaurioitumisen.
Tuulivoimaloiden tyypit
Tuulivoimaloita on kahta päätyyppiä, jotka erottuvat roottorin akselin suunnasta:
- Vaaka-akseliset turbiinit: Ne ovat perinteisiä tuulivoimaloissa käytettyjä, joiden pyörimisakseli on yhdensuuntainen maan kanssa. Tämä tyyppi on tehokkain pyyhkäisyn pinnan keräämän energian suhteen.
- Pystyakseliset turbiinit: Näillä turbiineilla on se etu, että ne sieppaavat tuulia mihin tahansa suuntaan ilman, että niiden tarvitsee suunnata uudelleen, vaikka niiden hyötysuhde on yleensä alhaisempi kuin vaakaakselisilla turbiineilla.
Lisäksi on tulossa uusia malleja, kuten lavattomat tuuliturbiinit, jotka hyödyntävät tuulen värähtelyjä sähkön tuottamiseen, vaikka ne ovat vielä kehitysvaiheessa.
Tuulipuiston toiminta
Tuulipuisto koostuu useista tuulivoimaloista, jotka on sijoitettu strategisesti hyödyntämään alueen vallitsevia tuulia. Turbiinisarja yhdistää tuotetun sähkön sisäisen verkon kautta, joka kuljettaa sen sähköasemalle, jossa sähkö muunnetaan jakeluun sopivaksi jännitteeksi.
Puiston jatkuvan toiminnan ja tehokkuuden varmistamiseksi käytetään ohjausjärjestelmiä, jotka valvovat tuulen nopeutta, konepeltien suuntausta ja turbiinien tilaa. Tämä mahdollistaa sähköntuotannon maksimoimisen ja vaurioiden välttämisen erittäin kovissa tuulissa.
Lisäksi joissakin laitoksissa käytetään offshore-tuuliturbiineja (offshore), jotka ovat kalliimpia asentaa, mutta tarjoavat mahdollisuuden hyödyntää tasaisempia ja voimakkaampia tuulia merellä.
Tuulivoiman edut ja haitat
Kuten muillakin energialähteillä, tuulivoimalla on etuja ja haittoja:
Hyödyt:
- Se on energian lähde uusiutuva, ehtymätön eikä aiheuta kasvihuonekaasuja.
- sen avulla vähentää riippuvuutta fossiilisista polttoaineista.
- Tuulipuistoja voidaan asentaa eri paikkoihin, mm merialueet ja maatalousmaille vaikuttamatta niiden käyttöön.
- Su hiilijalanjälki on minimaalinen verrattuna muihin energiateknologioihin.
haittoja:
- Tehokkuus riippuu tuulen saatavuudesta, mikä tekee siitä a ajoittainen lähde energiaa.
- Tuulipuistojen visuaalinen ja äänivaikutus voi olla haitaksi joillakin alueilla.
- Suuret turbiinit voivat vaikuttaa villieläimiin, erityisesti lintuihin, joten nämä tekijät on otettava huomioon paikkoja valittaessa.
- Alkuasennuskustannukset ovat korkeat, vaikka se maksaa itsensä takaisin pitkällä aikavälillä.
Tuulivoima on edelleen yksi parhaista vaihtoehdoista kestävämpään ja ympäristöystävällisempään energiantuotantoon. Jatkuvan teknologisen kehityksen myötä tuuliturbiinit eivät vain paranna tehokkuuden suhteen, vaan ne ovat myös helpommin saavutettavissa ja vähemmän häiritseviä visuaalisen ja äänen suhteen, mikä tekee niistä varteenotettavan vaihtoehdon maailmanlaajuisen energian tulevaisuudelle.