Tuuliturbiini

Tuuliturbiini on kone, jolla tuulen eli virtaavan ilman liike-energiaa muutetaan turbiinin akselin pyörimisenergiaksi eli mekaaniseksi energiaksi. Akseli pyörittää edelleen sähköä tuottavaa generaattoria ja tuottaa tuulivoimaksi kutsuttavaa sähköä. Mikäli energia käytetään suoraan esimerkiksi jauhinkivien pyöritykseen, käytetään laitteesta nimitystä tuulimylly.

Usein tuuliturbiinista puhuttaessa tarkoitetaan koko tuulivoimalaitosta eli tuulivoimalaa, johon turbiinin lisäksi kuuluu muun muassa generaattori, vaihteisto, masto ja perustukset.

Yleisimmän tuuliturbiinimallin rakenne on aksiaalinen, eli siinä ilma virtaa akselin suuntaisesti. Myös radiaalisia tuuliturbiineja valmistetaan, mutta ne soveltuvat lähinnä pienille tehoille, korkeintaan noin 25 kW.

Tuuliturbiinin suurin teoriassa mahdollinen hyötysuhde on 16/27 (eli noin 59,3 %), kuten Albert Betzin vuonna 1919 muotoilema Betzin laki osoittaa. 

Tuulivoimalaitoksia asennetaan yleensä lähekkäin niin sanotuiksi tuulipuistoiksi, joissa voi olla jopa satoja yksittäisiä tuuliturbiineja. Tuuliturbiinit eivät vaikuta toistensa toimintaan, kun ne sijoitetaan 5 kertaa potkurin pyörimiskehän halkaisijan päähän toisistaan. Tuulipuistoja on maalla, rannikolla ja merellä.

Koko 
Useiden pienten tuuliturbiinien sijaan pyritään rakentamaan vähän, mutta suurempia tuuliturbiineja. Näin ei tarvita yhtä paljon kalliita torneja, perustuksia, pystytysoperaatioita ja kaapeleita. Erityisesti avomerelle sijoitettavissa voimaloissa on tärkeää vähentää turbiinien määrää suhteessa tuotettavan sähkön määrään. 

Suomessa vuonna 2020 asennettujen tuulivoimalaitosten keskimääräinen napakorkeus lähestyy 150:ä metriä ja niiden keskimääräinen nimellisteho on noin 4,5 MW.

Maailman suurimpia tuotantokäyttöön otettuja tuulivoimalaitoksia ovat MHI Vestasin 9,5 megawatin turbiinit . Prototyyppiasteella on edetty 15 MW:n laitoksiin. Suunnitelmia 22 MW:n laitoksista on esitelty. Ylärajaa koon kasvulle ei tiedetä. 

Useat tekijät kuitenkin hillitsevät tuuliturbiinien koon kasvua. Suurempien roottoreiden suurempi paino lisää vedosta ja puristuksesta koituvaa rasitusta, jonka lapa kokee kiertonsa aikana. Tätä ongelmaa helpottavat kevyemmät, hiilikuidusta valmistetut osat, mutta silloin esteeksi voivat muodostua materiaalin saatavuus ja hinta. Uudet komposiittimateriaalit voivat auttaa tasapainottamaan materiaalin ominaisuudet ja kustannukset. 

Kokoa rajoittaa myös muiden osien kestävyys: erityisesti vaihteistot vioittuvat herkästi ja suurempien vaihteistojen korjaaminen on vielä tavallistakin kalliimpaa. Tämän vuoksi on kehitetty tuuliturbiinimalleja, joissa ei ole vaihteistoa ollenkaan. 

Suurempien turbiinien pystyttäminen edellyttää suotuisampia sääoloja, joiden odottelu kasvattaa asennuskustannuksia. 

Suurempien osien kuljettaminen edellyttää suurempien kuljetusalusten ja nostureiden rakentamista. Potkurinlavat voisivat olla suurempiakin kuin junilla ja rekoilla on mahdollista kuljettaa, mutta lapojen pilkkominen osiin tekisi niistä monimutkaisempia ja raskaampia. Siten maalle rakennettavien turbiinien koon yläraja on se, mikä voidaan kuljettaa kokonaisena perille.

Tuulivoimalaitoksen tekniikka 

Tuulivoimalaitoksen rakentamisessa suuri tekninen haaste on se, että tuulen sisältämä energia on verrannollinen tuulen nopeuden kolmanteen potenssiin. Käytännössä tämä johtaa sellaisiin ratkaisuihin, että tuulivoimalaitos rakennetaan toimimaan vain tietyllä tuulennopeusalueella. Toisin sanoen se ei tuota sähköä pienellä ja pysäytetään hyvin suurella tuulennopeudella. 

Toinen ongelma on tuulen nopeuden tasaisuus. Tuotettavan vaihtosähkön täytyy olla verkon vaatimassa taajuudessa, joten huolimatta tuulennopeuden vaihteluista tuuliturbiinin pyörintänopeuden täytyy olla vakaa. Tämän vuoksi pyörintänopeutta säädetään tuuliturbiinin lapojen kulmaa muuttamalla. Myös generaattorin kuorman lisääminen eli tehon nosto jarruttaa turbiinia. Kun tuuliturbiinin lavat ovat kymmeniä metrejä pitkiä, ei sitä voi pyörittää kovin nopeasti ilman, että kiihtyvyys rikkoisi lavat. Vaikka tuulivoimalaitoksissa käytettävät generaattorit ovat tyypillisesti moninapaisia ja sen vuoksi hitaasti pyöriviä, joudutaan käyttämään vaihteistoja, joilla turbiinin akselin pyörintänopeus nostetaan riittävän suureksi generaattorille. Vaihtoehto vakionopeudella pyörivälle tuulivoimalalle on ratkaisu, jossa vaihtovirtageneraattorin tuottama sähkö muutetaan taajuusmuuttajalla verkkotaajuiseksi. Tällöin roottorin pyörimisnopeus ja generaattorin tuottaman sähkön taajuus voivat vaihdella.

Potkurityyppistä tuuliturbiinia käännetään tuulen suuntaan tuotannon maksimoimiseksi. Tätä varten mitataan niin tuulensuuntaa kuin tuulennopeutta. Nopeuden mittamiseen käytetään anemometria. Turbiinikoneistoa käännetään suuntauslaitteistolla.

Perustukset 
Tuulivoimalan massasta 70 prosenttia on maan alla. Yksittäisen voimalan perustus voi olla halkaisijaltaan 30-metrinen ja ulottua 3–4 metrin syvyyteen. Se saattaa koostua tuhannesta kuutiosta raudoitettua betonia. Suomessa vuonna 2022 pyöriviin tuulivoimaloihin on käytetty yli miljoona kuutiota betonia ja yli 145 000 tonnia terästä. Jos toteutuisi se skenaario, jonka mukaan vuonna 2050 maatuulivoiman osuus Suomen sähköntuotannosta olisi 70 % eli noin 120 terawattituntia, silloin niiden perustusten rakentamiseen kuluisi kahdeksan miljoonaa kuutiota betonia ja miljardi kiloa terästä.

Roottori 
Nykyiset turbiinit ovat teholtaan alle 10 MW:n kokoluokkaa, mutta suunnitteilla olevien jopa 20 MW:n turbiinien roottorin kärjen nopeus voi olla jopa 90 m/s eli 324 km/h.

Suurikokoinen roottori tasoittaa tuulen nopeuden vaihtelua.

Lapojen määrä 
Mitä enemmän roottorissa on lapoja, sitä enemmän lavat keräävät tuulta ja sitä suuremmalla voimalla roottori kääntää generaattoria. Turbiinin teho ei kuitenkaan riipu pelkästään voimasta, vaan teho on roottoria kääntävän voiman ja roottorin pyörimisnopeuden yhteisvaikutus. Kun roottori pyörii nopeasti, kukin lapa kohtaa ilmassa edellisen lavan aiheuttamat ilmanpyörteet, jotka heikentävät nostovoimaa. Ilmanpyörteiden välttämiseksi monilapaisen roottorin täytyy pyöriä harvalapaista hitaammin. Siten lapojen määrän kasvu ei aina kasvata turbiinin tehoa. Monilapaiset roottorit ovat kuitenkin hyödyllisiä silloin, kun tuuli on heikkoa. Niitä on käytetty esimerkiksi maatilojen tuulimyllyissä, joilla on pumpattu vettä loppukesän heikoissa tuulissa.

Suomen oloissa lapojen lukumäärän kasvattaminen neljään tai viiteen saattaisi kasvattaa turbiinin tuottaman energian määrää. Se ei kuitenkaan olisi kustannustehokasta. Voimala on sitä halvempi, mitä vähemmän sen roottorissa on lapoja.

Voisikin luulla, että lapojen määrän lisäämisen sijaan niiden määrää kannattaisi pikemminkin pyrkiä vähentämään. Mutta esimerkiksi yksilapaisen roottorin liike on epävakaata. Voimalan tornin kohdalla tuuli heikkenee, mitä sanotaan tornivarjoksi. Tornivarjo vääntää lapaa sivuun radaltaan ja aiheuttaa mekaanisia rasituksia roottorissa ja voimansiirrossa.

Yksilapainen roottori vääntyy erityisen voimakkaasti. Toinen lapa tasapainottaa liikettä, mutta silloinkin tornivarjossa oleva lapa vastaanottaa heikkoa tuulta, kun samalla hetkellä ylin lapa vastaanottaa vahvaa tuulta, ja jälleen roottori vääntyy. Kolmilapaisen roottorin tapauksessa yhden lavan ollessa tornivarjossa kaksi muuta eivät ole kaikkein kovimman tuulen kohdalla, ja kun yksi lapa on huipulla kovimmassa tuulessa, eivät kaksi muuta ole tornivarjossa. Näin roottorin vääntyminen pysyy kurissa. Viisilapainen roottori olisi vielä kolmilapaistakin tasapainoisempi, mutta vain vähän, ja samalla se olisi niin paljon kalliimpi, ettei tästä pienestä hyödystä enää kannata maksaa niin suuria summia. Neli- tai viisilapaisen voimalan olisi myös oltava rakenteeltaan vahvempaa ja kalliimpaa tekoa. Siten tuuliturbiinien roottorit ovat yleensä kolmilapaisia.

Jotta yksilapainen roottori voisi tuottaa yhtä paljon energiaa kuin kolmilapainen, pitäisi sen pyöriä kolminkertaisella nopeudella. Korkeampi nopeus tuottaa enemmän kitkahäviötä, eli kyse on ilmiöstä, jossa ilmavirtauksen liike-energia muuttuu lämmöksi. Kitkahäviön vuoksi hitaammin pyörivä monilapainen roottori tuottaa samoissa oloissa hiukan enemmän energiaa kuin nopeammin pyörivä yksilapainen. Pyörimisnopeuden kasvaessa kasvaisi myös roottorin synnyttämä melu. 

1990-luvun alkuun mennessä kaksi yritystä oli yrittänyt markkinoida yksilapaisia tuuliturbiineja, mutta molemmat luopuivat hankkeistaan.

Lavan rakenne 
Lavat on valmistettu pääasiassa lujitemuovista tai lasikuituvahvisteista polyesterista. Komposiitista valmistetun kuoren sisällä on usein kevyttä balsapuuta. Vuonna 2021 rakennetun laitoksen lapa painaa keskimäärin 15 000 kiloa. 

Lapa on kohdistettava ilmavirtaan sopivalla tavalla. Liian loivassa kulmassa lavan keräämä nostovoima jää pienemmäksi kuin ihannetapauksessa olisi mahdollista saada ja tuulen voimaa haaskataan turhaan. Jyrkemmässä kulmassa nostovoima kasvaa, kunnes liian jyrkässä kulmassa ilmavirtaus irtoaa lavan pinnasta ja nostovoima menetetään kokonaan (sakkaus). 

Tarkkaan ottaen lapaa ei kohdisteta tuuleen, vaan virtaukseen, joka syntyy tuulen ja roottorin pyörimisliikkeen yhteisvaikutuksena. Roottorin pyöriminen kääntää ilmavirtausta sivuun tuulen suunnasta. 

Kun roottori pyörii, sen lavan juuri liikkuu hitaammin kuin lavan kärki. Niinpä lavan kärki synnyttää voimakkaamman ilmavirtauksen kuin lavan juuri. Jotta lapa kuitenkin kohdistuisi virtaukseen oikein lavan joka kohdassa, lapaan on muotoiltu kierre. Lapa on juuresta jyrkkä ja kärjestä loiva.

Tehonsäätö 
Vaikka kova tuuli on eduksi tuulivoiman tuotannolle, kaikkein kovimmat tuulet vaatisivat paljon tavallista vahvempia ja kalliimpia rakenteita. Kuitenkin sellaisia tuulia esiintyy vain harvoin. Niinpä tuulivoimalan suunnittelijat jättävät suosiolla kaikkein voimakkaimmat tuulet käyttämättä. On useita menetelmiä, joiden avulla voimala voi päästää kovimmat tuulet koskemattomina ohitseen:

Passiivinen sakkaussäätö tarkoittaa, että pysyvään kulmaan asennetun lavan muoto suunnitellaan niin, että tuulen nopeuden kasvaessa tietyn rajan yli lapa menettää nostovoimansa eli sakkaa, ja voimala lopettaa sähkön tuotannon.

Lapakulman säätö tarkoittaa, että lapoja käännellään parempaan asentoon suhteessa kiihtyvään tuuleen. Tietyllä tuulen nopeudella saavutetaan suunniteltu yläraja, jonka jälkeen lavan asentoa aletaan säätää loivemmaksi niin, että voimalan tuotto pysyy samalla tasolla, vaikka tuulen nopeus edelleen kiihtyy. Lopulta tuulen noustessa myrskyksi voimala sammutetaan kokonaan. Tässä menetelmässä on se ongelma, että tuuli saattaa muuttua nopeammin kuin lapa ehtii säätyä.

Aktiivinen sakkaussäätö on edellisten yhdistelmä. Tuulen noustessa lavan asentoa säädetään sopivammaksi samaan tapaan kuin lapakulman säädössä, mutta liian kovassa tuulessa lapaa käännetäänkin huonompaan asentoon, jyrkemmäksi, kohti sakkauspistettä, jotta sakkaus tapahtuisi halutulla hetkellä. Näin tuotto laitoksen ylärajan tuntumassa pysyy tasaisempana kuin lapakulman säädössä. Aktiivinen sakkaussäätö edellyttää sitä, että lavan kierre ei ole joka kohdassa optimaalinen, vaan lapa rakennetaan tyvestään jyrkemmäksi, jotta lavan asentoa kääntämällä voidaan hallita sitä, miten suuri osa lavasta kulloinkin on sakkaustilassa.

Toimintavarmuus 
2000-luvulla Suomen tuulivoimalat ovat olleet käyttökunnossa 90–96 % käyttöajastaan.

Yksittäistä tuulivoimalaa huolletaan yleensä puolen vuoden välein, ja huoltoihin kuluu yhteensä noin 20 tuntia vuodessa turbiinia kohden.

Suunnittelemattomiin käyttökatkoihin eli häiriöihin kuluu vuosittain 100–200 tuntia vuodessa laitosta kohden. Häiriöitä voi aiheutua esimerkiksi jäätymisestä: voimansiirtoöljyt saattavat kangistua, jäätä voi kertyä lämmittämättömiin lapoihin tai tuulimittarit saattavat jumiutua tavalla, joka pysäyttää koko voimalan.

Varsinaisia vikoja, jotka eivät korjaannu pelkällä uudelleenkäynnistyksellä, aiheutuu erityisesti lapakulman säätömekanismien ja vaihdelaatikkojen, mutta myös hydrauliikan ja tehoelektroniikan ongelmista.

Käyttöiän loppu 
Voimala puretaan yleensä 25–30 vuoden iässä. Tällöin potkurin lavat tuottavat päänvaivaa. Lavoissa ei käytetä vaarallista ainetta, eivätkä ne ole ongelmajätettä, mutta niiden koko ja materiaali tekevät kierrätyksestä hankalaa. Lavan materiaalista pystytään hyödyntämään lähes 90 prosenttia sementin valmistuksessa. Lapojen sisältämä balsapuu voidaan leikata irti ja käyttää esimerkiksi eristemattojen valmistukseen.

Vuoteen 2022 mennessä Suomessa on purettu 45 tuulivoimalaa ja niiden perustus on jätetty paikoilleen kaikissa paitsi yhdessä tapauksessa. Betoni ei aiheuta luonnolle merkittävää haittaa, mutta teräksestä saattaa tihkua ruostetta pohjavesiin. Perustuksiin käytetty suuri määrä betonia ja terästä olisi mahdollista käyttää uudelleen. Perustusten purkamiseen suhtaudutaan eri maissa eri tavalla. Esimerkiksi Tanskassa perustusta on purettava metrin syvyyteen asti. Ranskassa perustusta on purettava paikasta riippuen 0,4–2 metrin syvyyteen. Italiassa vaaditaan perustusten täydellistä purkamista ja maa-alueen ennallistamista. Samoin Saksassa perustukset on purettava kokonaan, mutta ohjeistusta tulkitaan tapauskohtaisesti.

Tuulivoimahankkeiden alussa tuulivoimayhtiöt perustavat rahaston tai vakuuden, jolla purkamisesta syntyvät kustannukset on tarkoitus kattaa. Nämä vakuudet eivät kuitenkaan ole missään maassa niin korkeat, että ne riittäisivät kattamaan purkamisen kustannukset.

Lisäksi purkamisesta syntyvä jätemäärä saattaa ylittää kierrätysjärjestelmän kapasiteetin.

Katso myös
 Darrieus-roottori
 Savonius-roottori
 Windside-roottori
 Luettelo tuuliturbiinien valmistajista
 Korkealla toimiva tuulivoima
 Vestas HVK 10

Lähteet

Aiheesta muualla 

Suomen tuuliatlas: Tuulivoimalan mitoitus 

Voimalaitos