Tuulivoimateknologia

Miten tuulivoimala toimii?

Tuuli syntyy, kun ilma liikkuu ilmamassojen lämpötila- ja paine-erojen seurauksena. Tuulen liike-energia voidaan muuntaa pyörimisliikkeeksi tuulivoimalan siipien avulla. Siivet pyörittävät generaattoriin kytkettyä akselia. Generaattorissa pyörimisenergia muutetaan sähköksi, joka johdetaan muuntajaan ja edelleen sähköverkkoon.

Rakenteeltaan nykyaikaiset tuulivoimalat perustuvat lentokonetekniikkaan. Suurin osa niistä on kolmilapaisia, vaaka-akselisia ja niiden roottorit kääntyvät tornissa tuulen mukaan.

Voimalan osat

Tuulivoimala koostuu lavoista, konehuoneesta (muun muassa generaattori ja vaihteisto), muuntajasta, tornista ja perustuksista. Teollisen kokoluokan voimalaitosten tornien korkeus vaihtelee 50 metristä noin 180 metriin. Tuulivoimaloiden koko on kasvanut viime vuosina huomattavasti, ja 2010-luvulla rakennettujen voimaloiden napakorkeus on 140–175 m. Roottorin halkaisijat vaihtelevat välillä 40–150 m. Tornit ovat yleensä putkimaisia terästorneja, jotka on kiinnitetty betonisiin tai teräsrakenteisiin perustuksiin.

Eri voimalaitosvalmistajien mallit poikkeavat jossain määrin toisistaan johtuen erilaisista teknisistä ratkaisuista. Suurin ulkoinen ero näkyy yleensä konehuoneen muodossa ja koossa mutta myös torneissa on eroja.

Kuva 1. Tuulivoimalan osat. Lähde: Motiva.

Tuulivoimalayksiköiden teho on kasvanut merkittävästi viime vuosina. Jo pystytetyt maatuulivoimalat ovat tyypillisimmin kokoluokkaa 1–3 megawattia (MW), mutta tällä hetkellä rakennettavien ja suunnitteilla olevien voimalaitosten teho on yleensä noin 4–6 megawattia. Suurimpien markkinoilla olevien maatuulivoimalaitosten teho on noin 8–10 MW ja merituulivoimalaitosten jo selvästi yli 10 MW.

Kuva 2. Tuulivoimalakoon kehitys. Lähde: Motiva.

Tuulivoima-alueella tai tuulipuistolla tarkoitetaan aluetta, jolla on useita toisiinsa liitettyjä voimaloita, jotka on kytketty kokonaisuutena sähköverkkoon. Voimalat sijoitetaan näillä alueilla useiden satojen metrien päähän toisistaan. Sijoitusetäisyys määräytyy usean tekijän, kuten turbiinin koon, voimaloiden lukumäärän ja voimaloiden sijoituskuvion perusteella. Tuulivoimaloiden välisten etäisyyksien on oltava noin viisi kertaa roottorin halkaisijan verran eli noin 600-1 000 metriä.

Kuva 3. 1 MW voimalaitoksen konehuone. Roottori liitetään voimayksikköön erikoisvalmisteisella 3-rivilaakerilla (1), joka siirtää haitalliset kuormitukset suoraan kantavaan putkirakenteeseen ohi planeettavaihteen ja generaattorin. Yksiportainen planeettavaihde (2) välittää voiman generaattorille (3) ja samalla kierrosluku nousee 5,71-kertaiseksi eli välille 44–146 rpm. Hitaasti pyörivä kestomagnetoitu generaattori tuottaa sähkön, joka siirretään kaapeleilla tornin alaosassa olevaan taajuusmuuttajaan. Tuulen suuntaa ja voimakkuutta mitataan lauhduttimen päällä olevilla mittareilla. Suuntatiedon perusteella käännetään tornin yläosa kääntömoottoreilla siten, että lavat ovat tuulta vastaan. Roottorin kierroslukua säädetään lapakulmien avulla. Jokaisessa lavassa on oma kääntömoottori (4). (lähde: WinWinD)

Käynnistyäkseen tuulivoimalaitos vaatii noin 3 m/s tuulen. Laitoksen teho lisääntyy nopeasti tuulen nopeuden kasvaessa. Voimalat saavuttavat ominaisuuksiensa mukaisesti nimellistehonsa, kun tuulennopeus on noin 10–15 metriä sekunnissa. Kun tuulen nopeus kasvaa 15–25 m/s tehoa joudutaan mahdollisesti rajoittamaan. Yleensä laitos pysäyttää itsensä yli 25–30 m/s tuulen nopeuksissa, jotta vältytään laitevaurioilta.

Laitokset rakennetaan automaattisiksi, joten työvoimaa tarvitaan lähinnä vikojen korjaukseen ja huoltoon. Tuulivoimalan käyttöikä on 20–30 vuotta, jonka aikana osia joudutaan vaihtamaan ja korjaamaan.

Lähteet:
Tuulessa on voimaa -esite. Motiva Oy ja OPET Finland yhteistyössä Suomen Tuulivoimayhdistys ry:n kanssa.

Suomen Tuulivoimayhdistys ry