Tuuleenergia

Mehaaniline energia

Purjepaadid ja -laevad on kasutanud tuuleenergiat tuhandeid aastaid ja arhitektid on sama kaua tuult majades loomuliku ventilatsioonina kasutanud. Kreeka insener Heroni tuulikut 1. sajandist kasutati esimesena teadaolevalt selleks, et masinat tööle panna. 
Eriti laialt olid levinud tuleveskid 15–19. sajandil Lääne-Euroopas, kus nad tootsid energiat erinevate ülesannete täitmiseks. Jahuveskid kasutati teravilja jahvatamiseks, kuivendusveskid vee jõkke või reservuaari pumpamiseks, õliveskid seemnetest õli eraldamiseks, paberivesked paberi valmistamiseks, saeveskid puidu saagimiseks. 
Esimesed teated tuuleveskitest Liivimaa alal pärinevad 14. sajandist. Tuuleveskite ehitamisel võeti eeskuju Lääne-Euroopast, kus valmistati kogu kerega tuuldepööratavaid pukktuulikuid. Selliseid tuulikud esinesid Lääne-Eestis rannarootslaste aladel, Läänemaal, Pärnumaal ja Lõuna-Harjumaal, Saaremaal ja Hiiumaal. Ühtlasi olid tuulikud sealkandis ka talu iseolemise sümboliks. 
Mujal Eestis kerkisid mõisate juurde suured peast pööratavad Hollandi tüüpi tuulikud. Nende ehitamine hoogustus eriti 19.–20. sajandi vahetusel, sest siis laienes taoliste tuulikute ehitamise õigus ka talupoegadele. Tuulikuid kerkis pea kõikjale üle Eesti ja veel 20. sajandi alguses olid nad väga levinud.
Eesti traditsioonilistes paekasutuspiirkondades (Harjumaal, Lääne-, ja Ida-Virumaal, Järvamaal Pandivere kõrgustikul ja Raplamaal) levisid enamasti üleni kivist tuuleveski kehandid, Lõuna-Eestis esines rohkem puitkerega Hollandi tüüpi tuulikuid.

Elektrienergia

1887 juulis ehitas Šoti akadeemik James Blyth oma suvemaja tagahoovi riidest tuuleturbiini ja kasutas sellest saadavat elektrit, et laadida akusid, mida oli vaja maja valgustamiseks. 1887.–1888. aasta talvel tootis USA leiutaja Charles Bush elektrit, ehitades tuulegeneraatori, mis varustas energiaga tema kodu ja laboratooriumi kuni 1900. aastani. 1890. ehitas Taani teadlane ja leiutaja Poul la Cour elektri tootmiseks tuuleturbiine, mida ta kasutas, et toota elektrolüüsi teel vesinikku ja hapnikku. La Cour oli esimene, kes avastas, et kiiresti pöörlevad ja vähemate rootoritega tuuleturbiinid olid kõige efektiivsemad tootmaks elektrit ning 1904 asutas ta Tuuleelektrikute Seltsi.
1920. aastate keskel hakkasid firmad nagu Parris-Dunn ja Jacobs Wind tootma ühe- kuni kolmekilovatiseid tuulegeneraatoreid, mis leidsid laialdast kasutust USA Suure tasandiku maapiirkondades. 1940. aastateks oli nõudlus elektri järele suurenenud ning elektrivõrkude ülesseadmine nendel aladel kaotas käibelt väikesed generaatorid.
1920. aastate keskel ehitas prantslane Georges Darrieus esimese vertikaalteljega tuuleturbiini ja 1931. aastal kasutati Nõukogude Liidu Jaltas tänapäeva horisontaaltuulegeneraatori 100 kW eelkäijat. 1956. aastal ehitas la Couri õpilane Johannes Juul Taanis Gedseris 200 kW kolme labaga turbiini, mis mõjutas paljude tulevaste turbiinide projekteerimist.
Tuulegeneraatoreid hakati suuremas mahus tootma 1970. aastatel, kui oli naftakriis. 1975. aastal rahastas USA energeetikaministeerium projekti arendamaks kasuliku ulatusega tuuleturbiine. NASA tuuleturbiinide projektiga ehitati 13 eksperimentaalset turbiini, mis rajasid teed tänapäeval kasutatavale tehnoloogiale. Sellest ajast on turbiinid kõvasti suurenenud (nt Enercon E-126) ja on suutelised tootma kuni 7 MW. Aastal 2018 tõusis mõnede turbiinide võimsus kuni 10 MW. Tuuleturbiinide tootmine on jõudnud mitmetesse riikidesse ja eeldatakse, et tuuleenergia kasutamine kasvab 21. sajandil üle maailma . Praeguse tehnoloogia baasil ei ole otstarbekas rajada tuulegeneraatoreid piirkondadesse, kus tuule keskmine kiirus on alla 6 meetri sekundis.
Suured tuulepargid võivad koosneda sadadest individuaalsetest elektrituulikutest, mis on ühendatud elektrivõrguga. Avamere elektrituulikud on võimelised ära kasutama seal tihedamini esinevaid tugevamaid tuuli kui maismaa omad ja nii muudavad need maastiku ilmet vähem, kuid ehituskulud on sellevõrra tunduvalt kõrgemad.

Tuuleenergia maailmas

Maailmas kasutatakse põhiliselt meres paiknevaid avamere tuuleparke, kuna mandri tuulisemad piirkonnad, kuhu oleks mõttekas suuremaid tuuleparke ehitada, on enamasti muude objektide all kinni. Kui leidukski ruumi, siis ainult väiksematele parkidele. Tuulikute üldvõimsus on tõusnud 3–5 MWni. Hoogsalt on edenenud ka väikeste 5–20 kW tuulikute arendamine ja kasutamine majapidamistes.
GWECi (Global Wind Energy Council) 2019. aasta aprillis avaldatud  aastaaruande andmeil oli maailma tuuleelektrijaamade koguvõimsus 2018. aasta lõpus 591 GW.
Tuuleparkide ja tuulikute installeeritud võimsus maailmas
aastatel 2001–2018
2018. aasta lõpuks oli maismaaelektrituulikute koguvõimsus kõige suurem Hiinas (206,8 GW), järgnesid USA (96,6 GW), Saksamaa (53,2 GW), India (35,1 GW), Hispaania (23,5 GW) ja Prantsusmaa (15,3 GW) ning avamereelektrituulikute koguvõimsus oli kõige suurem Suurbritannias (8,0 GW), Saksamaal (6,4 GW), Hiinas (4,6 GW), järgnesid Taani (1,3 GW) ja Belgia (1,2 GW). Kõigi tuuleelektrijaamade koguvõimsusest moodustasid esikümneriigid 87,5%. 
10 suurimat tuuleparkide installeeritud võimsusega riiki 
2018. aasta seisuga 
Kõige rohkem tuli neid 2018. aastal juurde Hiinas (23,0 GW), USA-s (7,6 GW) ja Saksamaal (2,4 GW). Aasias kasvas elektrituulikute koguvõimsus 26,7 GW, Euroopas 11,7 GW ja Põhja-Ameerika 11,9 GW.

Mõju keskkonnale

Tuuleenergia mõju keskkonnale on suhteliselt väike võrreldes traditsiooniliste energiatootmisallikatega. Olulisemateks mõjudeks on visuaalne ja mürareostus, samuti ulatuslike alade (sh loodusmaastike) hõivamine tehnorajatistega ning suhteliselt suur materjali ja energiakulu tuulikute rajamiseks ja hooldamiseks. Räägitud on ka negatiivsest mõjust lindudele, ainuüksi USA-s hukkub aastas tuuleparkide tõttu 20 000–37 000 lindu. Suurtel maismaa tuuleparkidel on täheldatud ka öist maapinna temperatuuri tõstev ja õhuniiskust muutev mõju. Tuuleenergia ei kasuta kütust ega erita õhureostust erinevalt fossiilkütustest. Energia, mis pannakse uue tuuleelektrijaama tootmisesse ja transporti, on võrdne energiaga, mida jaam toodab mõne kuuga.
Nagu teistelgi tehisehitistel, nii on ka tuuleturbiinide puhul teatatud lindude ja nahkhiirte surmadest. Ökoloogilise mõju ulatus võib olla oluline ja võib ka mitte olla, olenevalt konkreetsest olukorrast. Tuuleturbiine paigaldades ja kasutades püütakse ennetada metsaelustiku hukkumist ja kaitsta turbarabasid. 
Tuuleturbiinidele väga lähedal elavatelt inimestelt on kaebusi müra negatiivsuse kohta. Tuuleturbiinide rajamise plaanid on mitmel pool tekitanud tõsist vastuseisu nii kohalike elanike, kui ka kaugemal elavate kodanike seas, mistõttu on venima jäänud või suisa peatatud mitmed tuuleparkide rajamise plaanid.

Ehitus

Tänapäeval ehitatakse tuuleenergia kasutuselevõtuks seadmeid, mida nimetatakse tuuleturbiinideks. Moodsad tuuleturbiinid jaotatakse rõhtsa võlliga (horisontaalseteks) ja püstvõlliga (vertikaalseteks) turbiinideks. Püstvõlliga turbiini labad pöörlevad ümber vertikaalse telje, sarnaselt näiteks köögist tuntud käsimikseriga. Horisontaalne ehk propellerturbiin sarnaneb hiigelsuure lennukimootori tiivikuga. Pea kõik tänapäeval kasutusel olevad tuuleturbiinid (üle 99%) on horisontaalse teljega. Tüüpiline horisontaalvõlliga turbiin koosneb kahe või enama labaga tiivikust (rootorist), mis on ühendatud masinagondliga. Gondel on reeglina paigutatud posti otsa, mis on kinnitatud vundamendiplokile. Rootori labad pöörlevad vertikaalsel tasandil, gondel aga on võimeline pöörlema horisontaalsel tasandil. Turbiinigeneraatori pöörlemist horisontaalsel tasandil nimetatakse lengerdamiseks (inglise k yaw). Rootoritiiva ja rootori pöörlemistasandi vahelist nurka nimetatakse rootori sammunurgaks (inglise k pitch angle). Rootoritiiviku sammunurga muutmise abil on võimalik kontrollida rootoritiiviku pöörlemise kiirust.
Tuulegeneraatori teoreetilise maksimaalse võimsuse koefitsienti nimetatakse Saksa füüsiku Albert Betzi järgi (Göttingeni Aerodünaamika Instituut), kes selle 1919. aastal esimesena tuletas, Betzi limiidiks. Betzi limiidi järgi on tuuleturbiini maksimaalne kasutegur u 59,3%. See saavutatakse, kui tuulekiirus pärast rootorit on 1/3 tuulekiirusest enne rootorit. Vastavalt on tuulegeneraator kõige efektiivsem siis, kui omastab u 2/3 tuule kineetilisest energiast.

Tuuleturbiinide tüübid

Horisontaaltelje tuuleturbiinidel (HAWT) on torni tipus rotorvõll ja elektrigeneraator. HAWTe on kahte tüüpi: "upwind" ja "downwind". "Upwind" tüüpi on rohkem levinud, neil paiknevad labad vastu tuult. "Downwind" tüüpi turbiinil paiknevad labad teisel pool torni kust tuul puhub ja neil pole vaja mehhanismi mis hoiab labasi vastu tuult.
Horisontaaltelje tuuleturbiinide hulka kuulub ka tuulelääts, mis  koosneb ringstruktuurist, mis ümbritseb rootorit. See suurendab õhuvoolu läbi turbiini ja muudab turbiini vaiksemaks. Tuulelääts fokuseerib tuulejõu turbiini keskele sama moodi nagu suurendusklaas päikesekiiri.
Darrieus tuuleturbiin on vertikaaltelje tuuleturbiin(VAWT), millel on kumerad aerodünaamilised lõiketerad. Darrieuse turbiin võib pöörelda mitu korda kiiremini kui tuul mis tema vastu puhub, see muutab ta heaks elektri tootmisel. Darrieuse turbiinid ei ole ise käivituvad, neil on vaja väikest mootorit või siis kahte väikest savoniuse rootorit. Giromill on darrieus turbiini alamtüüp. Sellel on sirged vertikaalsed labad, mis on kinnitatud tsentraalsele tornile. See disain on odavam ja lihtsam ehitada kui originaal Darrieus, kuid on vähem efektiivne ja tal võib olla raskusi, et hoida püsivat pöörlemiskiirust.
Savonius on vertikaaltelje tuuleturbiin. Savoniuse turbiiniga pole vahet kust poolt tuul puhub, tehes nad ideaalseteks turbulentsete tuultega piirkondades nagu linnad, lisaks sellele on nad ka vaiksed. Kahjuks on savoniuse turbiinide efektiivsus elektri tootmisel ainult 15%. Nad pole väga head elektri tootmiseks kuna pöörlevad aeglaselt  aga suur pöördemoment muudab nad heaks vee pumpamises.
Palju erinevaid õhus olevaid turbiine on arenduses: õhupalliga hõljuvad turbiinid, ringi lendavad tuulelohetüüpi turbiinid ja köiestatud autogüroskoobid.  Nende eeliseks on kõrgatmosfääris olevate tugevate tuulte kasutamine ja puudub vajadus ehitada kallist torni.