Tuulivoimalaitos
Tuulivoimalan sähköntuotanto > Käytön optimointia

Pystyakelisilla tuulivoimaloilla on melko kehittymättömät tuulen suuntaan perustuvat järjestelmät, sillä ne toimivat samalla tavalla tuulen suunnasta riippumatta. Vaaka-akselisilla tuulivoimaloilla on automatiikka, jolla tuulivoimala suunnataan kohti tuulen tulosuuntaa ja suuntaamisella kasvatetaan voimalan hyötysuhdetta. Tuulen suunta määritetään sähköisellä tuuliviirillä ja sen nopeuden mittamiseen käytetään anemometria, jotka sijaitsevat vaaka-akselisen tuulivoimalaitoksen konehuoneen katolla tuuliturbiinin takana. Turbiinin pienentävä vaikutus ilmavirtaukseen otetaan laskennallisesti huomioon. Suunaamisen tekemiseen ei tarvita käsinohjausta, vaan se on täysin automatisoitu.
Sellaisella tuuliturbiinilla, jonka siivet on kiinnitetty kiinteään asentoon roottorin navalle, tuulen nopeuden kasvaminen kasvattaa myös turbiinin kierrosnopeutta. Turbiinin siipien muotoilu on kuitenkin sellainen, että suurilla tuulen nopeuksilla siipi alkaa sakata. Sakkaustilanteessa ilmavirtaan muodostuu turbulenssia, jolloin ilman virtaus häiriintyy eikä saa aikaan  pyörimisessa tarvittavaa väänömomenttia. Tämä suojelee tuuliturbiinia vaurioilta kovassa tuulessa. Myös sähkögeneraattorin kuorman lisääminen eli tehon nosto jarruttaa tuuliturbiinia. Puuskittaisessa tuulessa tuuliturbiinin pyörimisnopeus vaihtelee lyhyenkin ajan sisällä. Tuulivoimalan akselin jarrua ei voida käyttää, sillä turbiinin aiheuttama vääntömomentti on sille liian suuri. Kääntyväsiipisessä tuuliturbiinissa voidaan pyörimisnopeuteen vaikuttaa kääntämällä siipien lapakulmaa. Lapasäätöisellä turbiinilla voidaan vääntömomenttia säätää eri tuulenvoimakkuuksilla ja lapakulmaa kääntämällä voidaan kovallakin tuulella pysäyttää turbiini kokonaan.
Voimalan tuottaman sähköenergian teho riippuu tuulen voimakkuudesta. Liian hiljaisella tuulella ei tuulen voima riitä saattamaan tuuliturbia sähkötuotannon vaatimaan nopeuteen. Silloin pidetään voimalaitosta pysähdyksissä. Tuulivoimalan tuulen käynnistymisnopeus (engl. cut-in wind speed) on voimalatyypistä riippuen noin 3 metriä sekunnissa (m/s). Silloin alkaa voimalaitos tuottaa sähkövirtaa, joskin vielä hyvin pienellä teholla. Tuulen nopeuden kasvaessa kasvaa myös sähköntuoton teho. Tuulivoimaloilla on olemassa nimellisteho eli kapasiteetti, jota enempää se ei pystyy tuottamaan sähköenergiaa. Se saavutetaan yleensä nimellistuulennopeudella 12–16 m/s (engl. rated wind speed), joka on mallikohtainen raja-arvo. Vaikka tuulennopeus tästä kasvaisikin, säilyy voimalan tuottama sähköteho nimellistehossaan. Tuulennopeudella on kuitenkin yläraja, jotka kovemmalla tuulella ei voimalaa uskalla enää käyttää. Tämä sammutusnopeus (engl. cut-out wind speed) on mallista riippuen yleensä 20–25 m/s. Silloin lapasäätöisen voimalan siipiä käännetään tuulensuuntaisiksi niin, etteivät siivet enää pyöritä turbiinia myrskytuulesta huolimatta. Kiinteälapaisessa voimalassa käytetään sakkaussäätöä, jolloin siipien kärjissä olevia jarruja kääntämällä saadaan turbiinin pyöriminen hidastumaan.
Sähkögeneraattori ”tuntee” sähköverkossa olevan kuormituksen ”vastavääntönä” tai ”vastuksena” eli tuulivoimalaitos joutuu taistelemaan kantaverkosta tulevaa vastavääntöä vastaan. Jos kantaverkon kuormitus kevenee, alkaa tuulivoimalan turbiini pyöriä nopeammin, ja päin vastoin. Jos kantaverkko kaatuu eli sammuu, kasvaa turbiinin pyörimisnopeus pidäkkeettä. Tuulen puskaisuus aiheuttaa tuulivoimalan puolesta pyörimisnopeuden vaihtelua. On kuitenkin suotuisaa, että tuulivoimaa tuotetaan vakioisella pyörimisnopeudella, sillä generaattorin kierrosnopeus tulisi pysytellä tasaisena. Silloin myös generaattorin tuottaman vaihtosähkön taajuus pysyy tasaisena.
Tuuliturbiinin siivekkeitä kääntämällä voidaan vaikuttaa sekä pyörimisnopeuden että vääntömomentin suuruuteen. Sähköverkkon ja siihen syötettävän sähkön taajuudet tulisi olla samat ja taajuuksien tulisi olla samassa tahdissa, joten tuulennopeudesta huolimatta generaattorin pyörintänopeus tulisi olla vakaa. Puuskittaisessa tuulessa tuuliturbiinin pyörimisnopeus vaihtelee lyhyenkin ajan sisällä, mikä vaikeuttaa sähkönsyöttöä ilman siihen varautumista. Tuulivoimalat jaotellaankin varautumissrategian mukaan vakionopeuksisiin ja muuttuvanopeuksisiin voimaloihin.
Vakionopeuksisella tuulivoimalalla turbiinin pyörimisnopeus pyritään erilaisilla menetelmillä pitämään samana, vaikka tuulen nopeus muuttuisikin. Turbiinin pyörimisnopeus pysyy alhaisena, joka on yleensä noin 10–25 kierrosta minuutissa, mutta vaihdelaatikolla kasvatetaan sähkögeneraattorin pyörimisnopeus noin 1000–1500 kierrokseksi minuutissa. Vakiotaajuisen sähkövirran syöttäminen sähköverkkoon on helppoa, mutta samalla on tuulivoimalalla kyky tuottaa tehokkaasti sähköä vain tietyillä tuulen nopeuksilla. Tämän tyyppiset voimalat olivat yleisiä aiemmin, mutta niiden suosio on vähentynyt.
Muuttuvanopeuksisella tuulivoimalalla annetaan tuulen vaihtelevan nopeuden pyörittää turbiinia erilaisilla kierrosnopeuksilla. Silloin myös vaiheiston pyörittämän sähkögeneraattorin tuottaman sähkön taajuus muuttuu tuuliturbiinin kierrosnopeuden mukaisesti. Taajuus tahdistetaan sähköverkon taajuuden kanssa muuttamalla tuotettu sähkö konvertterilla ensin tasavirtasähköksi ja taas vaihtovirtasähköksi sähköverkon taajuudella. Muuttuvanopeuksinen voimala voi olla joko vaihteellinen voimala tai vaihteeton suoravetovoimala. Vaihteelliset muuttuvanopeuksiset voimalat ovat olleet suosittuja 2000-luvulla, mutta nyt ovat suoravetoiset voimalat yleistymässä. Niistä puuttuvat vikaherkät vaihdelaatikot ja ne ovat yksinkertaisempia huoltaa. Toisaalta, niiden tehokkuus on hieman edellisiä heikompi. Täysin muuttuvanopeuksisten voimaloiden rinnalla tehdään myös rajoitetusti muuttuvanopeuksisia voimaloita. Niillä on generaattorissa pyörimisnopeuteen vaikuttava säätölaite, jolla voidaan vakauttaa lyhytkestoisten tuulenpuuskien vaikutus pyörimisnopeuteen.