Tuulivoimaloiden rakenne

Tuulivoimaloiden rakenne

Tuulivoimalalla muutetaan tuulen liike-energiaa voimalan akselin pyörimisenergiaksi eli mekaaniseksi energiaksi. Tuuli pyörittää tuulivoimalan lapoja, jotka taas pyörittävät voimalan akselia. Akseli pyörittää edelleen generaattoria, joka tuottaa sähköä.

Nykyaikaiset kaupalliset tuulivoimalat ovat vaaka-akselisia, kolmelapaisia ja niiden roottori on torniin nähden tuulen yläpuolella. Tällainen voimala on yleisimmin käytetty tuulisähkön tuotannossa, koska se on taloudellisesti edullisin. Sillä on suuri pyyhkäisypinta-ala, suurimmillaan lähes 2 hehtaaria.

Tuulivoimalan tuotto on suoraan verrannollinen lapojen pyyhkäisypinta-alaan. Roottorin pinta-ala suhteessa pyyhkäisypinta-alaan on pieni (2-3 %) eli suuren pinta-alan käyttöön tarvitaan minimaalinen määrä materiaalia. Sillä on erinomainen hyötysuhde verrattuna muihin ratkaisuihin, ja se on pitkäaikaisessa käytössä rakenteellisesti kevein ja luotettavin.

Voimalatyypit

1980-luvulla valmistetuissa tuulivoimaloissa roottori oli usein sijoitettu torniin nähden tuulen alapuolelle. Näissä ns. takatuuliroottoreista on kuitenkin pääasiassa turbulenssi- ja meluongelmien vuoksi sittemmin luovuttu lähes kokonaan ja nykyaikaiset tuulivoimalat ovat aina ns. etutuuliroottoreita. Lue lisää eri voimalatyypeistä.

Paremman tuotannon saamiseksi tuulivoimaloiden koko on kasvanut huomattavasti viime vuosina. Tällä vuosikymmenellä rakennettujen voimaloiden napakorkeus on  140 – 175 metrissä (vuosi 2019). Suomessa vuonna 2019 rakennettujen korkeimpien voimaloiden napakorkeus oli 175 metriä.

Torni on eurooppalaisissa tuulivoimaloissa yleensä putkirakenteinen terästorni (esim. USA:ssa käytetään myös ristikkorakenteisia), ja se on kiinnitetty betoniseen perustukseen. Käytössä on myös niin kutsuttuja hybriditorneja, joissa osa tornista on betonia ja osa terästä. Kun tavoitellaan mahdollisimman korkeaa tornia, alin terästornilohko on halkaisijaltaan niin suuri, että sen kuljettaminen käy vaikeaksi. Tällöin vaihtoehdoiksi voivat tulla hybriditorni tai teräslevytorni, jotka kootaan tuulivoimalan rakennuspaikalla. Korkeimpien Suomeen rakennettujen tuulivoimaloiden torni on harustettu.

Konehuone

Konehuoneessa sijaitsevat vaihteisto, generaattori, muuntaja sekä säätö- ja ohjausjärjestelmät. Joissakin voimaloissa muuntaja ja ohjauskeskukset voivat sijaita myös tornin alaosassa konehuoneen kokonaispainon pienentämiseksi. Konehuoneen runko valmistetaan yleensä teräksestä ja konehuonetta ympäröivä ja suojaava ”kuori” lasikuidusta.

Lavat

Roottorin lavat valmistetaan yleisimmin komposiittimateriaaleista, joissa käytetään lasikuitua ja joskus myös hiilikuitua tai puuta yhdessä epoksin tai polyesterin kanssa. Lavat toimivat myös laitoksen tehonsäätö- ja pysäytysmekanismina. Pisimmät Suomen tuulivoimaloiden lavoista ovat noin 75 metriä (vuosi 2019).

Hyötysuhde ja kapasiteettikerroin

Hyötysuhde

Tuulivoimalan roottorin läpi virtaavan ilmamassan tehosisällöstä saadaan teoriassa hyödynnettyä noin 59 %, joka näin ollen on tuulivoimalan teoreettinen maksimihyötysuhde. Häviöt johtuvat siitä, että tuulen nopeus roottorin takana on pienempi kuin ennen roottoria, ja nopeuden pienentyessä ilmamassa laajenee, koska massavirta säilyy vakiona.

Kapasiteettikerroin

Tuulivoimalle on ominaista, että sähköntuotanto vaihtelee sääolosuhteiden mukaan. Tuulivoimaloiden kapasiteettikerroin kertoo, kuinka paljon tuulivoimala tuottaa vuositasolla sähköä suhteessa sen teoreettiseen maksimiin. Tuulipuistot tuottavat sähköä yli 90 % ajasta, vaikka eivät tuota koko aikaa täydellä teholla. Tuotantopiikissä tuulivoimaloiden kapasiteettikerroin voi lähennellä 100 prosenttia.

Vuoden keskimääräinen kapasiteettikerroin saadaan esimerkiksi jakamalla tuulipuiston tai voimalan vuoden aikana tuottama energiamäärä energiamäärällä, jonka voimala olisi tuottanut, jos se olisi tuottanut sähköä täydellä teholla vuoden ympäri.

Vuonna 2019 Suomen tuulivoimaloiden kapasiteettikerroin oli keskimäärin 33 %, parhaan tuulipuiston yltäessä 47 % kapasiteettikertoimeen.