Tuulivoimatekniikka

1、TuulivoimatekniikkaErkki HaapanenVersio 1.02 20.05.2004Erkki HaapanenTUULIVOIMALAN MRITELMTuulivoimala muuttaa tuulen liikeenergian mekaaniseksi tai shkenergiaksiTuulipuistoksi kutsutaan aluetta, jolla on useita toisiinsa liitettyj tuulivoimaloita, ja jotka kytkeytyvt yhten kokonaisuutena shkverkkoo

2、onErkki HaapanenTUULIVOIMALAN KOKOTuulivoimalan kokoa voidaan kuvatanimellistehollapyyhkisypintaalalla tai potkurin halkaisijallavuosituotollanapakorkeudellapainollaKoon merkitystuotto on suoraan verrannollinen pyyhkisypintaalaantuotto paranee napakorkeuden kasvaessaTuulivoimalan koon kasvu vv. 1980

3、 2002nimellistehovuosituottopyyhkisypintaalakorkeuspainoErkki HaapanenTUULIVOIMALOIDEN LUOKITTELUPERUSTEETKytttarkoitusRakenneLapalukuToimintaperiaateTehon st ja rajoitustapaTuulivoimalat voidaan luokitella hyvin monella tavalla. Luokitteluperusteena voi olla voimalan kytttarkoitus, toimintaperiaate

4、, erilaiset rakenneratkaisut jne. Seuraavassa on esimerkkej erilaisista luokittelutavoista.Erkki HaapanenTuulivoimalan koon kasvuErkki HaapanenKytttarkoituksen mukainen luokittelu, Kytttarkoituksen mukaanShkn tuotantoEnergian tuotanto voimaverkkoonTalouskohtainen energian tuotantoAkkujen latausVeden

5、 pumppausTalous ja kyttvesiKastelujrjestelmtMaaalueiden kuivausViljan jauhaminenLankkujen sahausErkki HaapanenRakennetyypin mukainen luokitusVaaka-akselisetetutuulipotkuritakatuulipotkuriPystyakselisetSavoniusDarreiusKuppiroottoriErkki HaapanenPystyroottoreitaPersialainen viljamyllyKytettyn. 600 - 9

6、00 luvuillaviljan jauhamieseenLhde: Robert Gasch. Windkraftanlagen,B.G. Teubner, StuttgartSavoniusroottoriKytt: Veden pumppausLhde: Gourir, D.Wind Power Plants, Theory and DesignPergamon Press GmbH, Frankfurt 1982DarreiusroottoriKytt shkn tuotantoLhde:Robert Gasch. Windkraftanlagen,B.G. Teubner, Stu

7、ttgartWindside-roottoriKytt: Akkujen latausLhde: Valmistajan esiteErkki HaapanenVaaka-akselisia tuulivoimaloitaOasis 3Valmistaja WindTech, USAKytt: Veden pumppausViljan jauhannassa kytettymyllytyyppiAkkujen latauksessakytettv pienvoimalaErkki HaapanenLapaluvun mukainen luokitusMonilapaiset (6 tai us

8、eampi)Kytt kaivopumppuinaNelilapainenViljan jauhaminenKolme yksi lapaaKytt energian tuotannossaMiksi kolme lapaa?Potkuri on pyrhdyssymmetrisensti tasapainossa Massahitausvoimat ovat tasapainossa kaikkien akseleiden suhteenVisuaalisesti miellyttvn nkinenVhemmn kuin kolme lapaa aiheuttaa tuuleen knnet

9、tess koneistoa rasittavaa trin, joka johtuu massahitausvoimien eroista vaaka ja pystyakselin suhteen.Tuuleen knnettess kaksi tai yksilapaisessa potkurissa knt sujuu kevyesti, kun lapa on pystyss, mutta estyy lhes kokonaan, kun lapa on vaakaasennossa. Tm on samanlainen ilmi kuin piruetissa, jossa esi

10、intyj pyrii hyvin nopeasti, kun kdet ovat vartalossa kiinni tai pyrintakselilla mutta pyriminen lhes pyshtyy, kun hn levitt ktens. Enemmn kuin kolme lapaa maksaa enemmn kuin kolme mutta ei anna enemp tuottoa.Erkki HaapanenToimintaperiaatteen mukainen luokitusPyrittv momentti syntyylavan nostovoiman

11、ansiosta kuten lentokoneen siivess Osittain nostovoiman ja vastuksen avulla Savonius, Windside ja Jaspirasiipien vlisest vastuserosta (Kuppiroottori)Erkki HaapanenVastuserolla toimivat voimalatTss tyypiss tuulivoimalan turbiini muodostuu pyrivst kehst, jonka akseli on tuulta vastaan kohtisuoraan. Ke

12、hll on kuppeja, siipi pusseja tai muita laitteita, joiden tarkoituksena on vastustaa mahdollisimman tehokkaasti tuulta pyrimiskehn toisella sivulla ja palata alkuasentoon tuulen ylpuolelle mahdollisimman huomaamattomasti ja vhn vastusta aiheuttaen. Turbiinin siipeen kohdistuva voima perustuu siiven

13、vastukseen tuulen ohittaessa sen ja voima suuntautuu myttuuleen. Turbiinin siiven vastuskerroin on suuri silloin, kun siipi kulkee myttuuleen ja pieni siiven palatessa vastatuuleen. Tuuli kohtaa turbiinin pinnan jyrkss kulmassa ja synnytt voiman, joka on sit suurempi mit isompi nopeusero turbiinin p

14、innan ja tuulen vlill vallitsee. Tst johtuu, ett turbiinin pyrimisliikkeen kehnopeus j aina pienemmksi kuin tuulen nopeus, sill tuulen nopeutta vastaavalla kehnopeudella ei en synny turbiinia kyttv voimaa ja pyritysmomenttia. Turbiinin palaava, tuulta vasten pyriv siipi puolestaan aiheuttaa vastusta

15、, joka johtuu suuresta suhteellisesta ilmanopeudesta vaikka vastuskerroin olisikin pieni. Tmn tyypin turbiinit pyrivt pienell nopeudella sek ovat teholtaan hyvin heikkoja. Ihannetapauksessa palaavan siipielementin vastus olisi nolla ja tuulen mukana kulkevan taas mahdollisimman suuri. Tm voimalatyyp

16、pi on innoittanut kautta historian keksijit ja kokeilijoita. Toimivia ratkaisuja tunnetaan jo tuhansien vuosien takaa ja aina vain uusia ehdotuksia tuntuu lytyvn. Toimintaperiaatteen huonona puolena on se, ett hytysuhde on parhaimmillaankin vain pari prosenttia, joka verrattuna muihin kuvattaviin ma

17、lleihin j todella mitttmksi. Mielenkiintoisen tapauksen tss ryhmss muodostaa ns. kuppianemometri, jota kytetn hyvin yleisesti tuulen nopeuden mittauksessa.Kuppianemometri:Nit on ilmestynyt tienvarsien tiesasemille jokaisen ihmeteltviksi. Kuppianemometri kytetn, koska se soveltuu hyvin ilman nopeuden

18、 mittaukseen sill killisetkn tuulen suunnanmuutokset eivt vaikuta sen nyttn. Nopeusmittauksessa pyritn hyvin pieneen akselikitkaan, joten anemometri ei tuota tehoa vaan pyrii mahdollisimman vapaasti seuraten herksti tuulen nopeuden muutoksia. Vapaasti pyriess pyrimisnopeus seuraa kohtalaisen tarkast

19、i tuulen nopeutta mys vaihtelevissa tuulissa. Erkki HaapanenAerodynaamisesti toimivat turbiinit Turbiinin siipeen kohdistuva voima syntyy ohi virtaavan ilman aiheuttamasta nostovoimasta, joka on kohtisuoraan virtausta vastaan. Voima on sit suurempi, mit nopeammin ilma virtaa siiven ohitse. Usein sii

20、ven oma pyrimisliike lis suhteellista nopeutta ilmavirtaan nhden. Tllaiset turbiinit pyrivt usein paljon suuremmalla kehnopeudella kuin vapaan ilman nopeus. Siipi toimii lentokoneen siiven tai purjeen tavoinSavonius-turbiiniSavonius-turbiini on suomalaisen Savoniuksen 1930-luvulla kehittm ja patento

21、ima pystyakselinen tuuliturbiini, jolla on kohtuullinen hytysuhde ja hyv vntmomentti alhaisilla kierroksilla. Se on riippumaton tuulen suunnan vaihtumisesta, mutta kynnistys- ja pyritysmomentti riippuvat turbiinin asennosta tuulen suhteen ja kynti nykii kierroksen aikana sill siiven eri asennoissa p

22、yritysmomentti vaihtelee. Nykimisen vhentmiseksi rakennetaan usein kaksi turbiinia pllekkin, keskenn 90 asteen kulmaan. Savonius-turbiinissa esiintyy mys varsin voimakkaana poikittaisvoima, joka rasittaa turbiinia ja rakenteita. Suurten voimalaitosten kohdalla Savonius-turbiinin massiivinen koko muo

23、dostuu ongelmaksi, sill sen paino tuotettua energiaa kohden nousee suureksi ja eptaloudelliseksi. Parhaimmillaan Savonius on siell. miss tarvitaan kohtuullisen pient tehoa ja pyrimisnopeutta kuten veden pumppauksessa. Yksinkertaisuutensa vuoksi se soveltuu hyvin itserakentajille. Savonius-turbiinin

24、suojaus myrskytilanteessa on trke sill turbiinin suuri pinta-ala aiheuttaa varsin suuria kuormituksia. Kovilla myrskyill rakenteen kestvyys voi olla uhattuna sill eptasainen kuormitus aiheuttaa rakenteeseen vrhtelyj sek vsytyst. Tuulen nopeuden kasvaessa turbiinin tehokerroin pienenee ja loiventaa v

25、ntmomentin kasvua, mik vhent generaattorin ylikuormitttumisvaaraa.Windside-turbiini Tuuliruuvi Windside-turbiini on Savonius-turbiinin kehitelm, jossa on poistettu Savoniuksessa esiintynyt kynnistysmomentin riippuvuus tuulen suunnasta ja kynnin eptasaisuuteen liittyneet ongelmat kiertmll turbiinia r

26、uuvin tavoin. Turbiini on suomalaisen Windside Oy:n patentoima. Windside Oy on kehittnyt mys generaattorin, joka kytettyn yhdess WS-turbiinin kanssa ei tarvitse erillist ylennysvaihdetta. Tll yhdistelmll saadaan shk mys hyvin pienill tuulen nopeuksilla, mik on trke varsinkin akkukytss. Keveit tuulia

27、 esiintyy varsin paljon ympri vuotta ja herkn laitteiston pienikin virrantuotto on akun kestvyyden kannalta edullisempaa kuin olla kokonaan ilman virtaa. Akun lataustilaa voidaan pit tll tavoin yll. Luonnollisesti akusta ei riit virtaa normaaliin kyttn pitkin tuulettomina jaksoina mutta mikli jrjest

28、elm kykenee antamaan edes sen verran virtaa, ett se korvaa akun itsepurkautumisen, niin akusto on aina kyttvalmiina ja latautuneena esimerkiksi viikonloppua varten kesmkill. Myrskytilanteessa WS-turbiini rasittuu vhemmmn kuin Savonius-turbiini, koska siihen ei kohdistu vrhtelyj aiheuttavia sysyksi k

29、uten Savoniuksessa. . Lisksi rakenne kest muotonsa ansiosta suuriakin kuormituksia. Erkki HaapanenPotkurikyttiset tuulivoimalatPotkurikyttist voimalaa kutsutaan mys vaaka-akseli-tyypiksi. Potkurin merkittvin etu on, ett se peitt omaan pinta-alaansa verrattuna suuren alan, ja kykenee tuottamaan raken

30、nepainoonsa nhden huomattavan paljon tehoa. Potkuri pyrii useimmiten pienehkll nopeudella ja siksi generaattorin ja potkurin vliin tarvitaan useimmiten ylennysvaihde. Mit suurempi potkuri on sit pienempi on pyrimisnopeus, sill potkurin krkinopeus halutaan rajoittaa lhinn melusyist alle melurajan, 70

31、 m/s. Potkurin akseli tulee suunnata aina vasten tuulta, jotta se tuottaisi mahdollisimman paljon tehoa. Suuntaus perustuu joko tuuliviiriperiaatteeseen tai tuulen vallitsevan suunnan mittaamiseen ja shk- tai hydraulimoottorilla tapahtuvaan suuntaamiseen. Potkuria knnettess kohti tuulta esiintyy kor

32、iolisvoima, joka pyrkii kiertmn potkurin akselia joko yls tai alas pin riippuen knnn suunnasta. Tm voima aiheuttaa etenkin kaksilapaista potkuria knnettess voimakasta trin, joka rasittaa potkuria ja sen akselia. Kolme- ja useampilapaisissa potkureissa koriolisvoimasta johtuvat hitausvoimat ovat tasa

33、painossa akselin suhteen eik tllaista trin esiinny. Tst syyst kytetnkin paljon kolmilapaisia potkureita. Kolmilapaisuus ei kuitenkaan est koriolisvoimien vaikuttamasta erikseen jokaiseen lapaan mutta kolmilapaisuus tasaa akseliin kohdistuvia kuormia.Hytysuhteeltaan potkurikyttinen voimala on saatavi

34、ssa varsin tehokkaaksi. Tm edellytt tietysti potkurin ominaisuuksien valintaa siten, ett se toimii optimaalisesti. Teoreettisesti potkurikyttisell voimalalla on kuitenkin parhaat mahdollisuudet pst lhimmksi ihanteellista arvoa. Potkurikyttisen voimalan suojaamiseksi myrskytilanteilta on tehtv riittv

35、n varmatoimiset suojamekanismit. Periaatteena pitisi olla vhintn kolme toisistaan riippumatonta, automaattisesti, ilman ulkopuolista apua toimivaa jrjestelm, jotka kykenevt sek rajoittamaan potkurin tuottamaa pyritysmomenttia ett pysyttmn potkurin tuulen nopeuden ylittess sallitun raja-arvon Erkki H

36、aapanenDarreius-turbiiniDarreius-turbiini on pystyakselin ympri pyriv taikinavatkaimen nkinen laite, jonka toimintaperiaate poikkeaa muista siin, ett se ei kynnisty ilman ulkopuolista apua vaan tarvitsee alkupyrityksen, jonka on annettava vhintin kolme kertaa tuulen nopeutta suurempi kehnopeus. Thn

37、kytetn joko shkmoottoria tai esimerkiksi Savonius-turbiinia, joka on kytketty samalle akselille. Turbiinin etuna on suuri pyrimisnopeus, joka helpottaa generaattori-vaihteiston rakentamista. Toinen kiistaton etu on se, ett koneisto voidaan rakentaa turbiinin akselin alaphn lhelle maan pintaa. Darrei

38、us-turbiinia ei en juurikaan kytet kaupallisissa sovellutuksissa eik se sovellu harrastajille paitsi todellisille Pelle Pelottomille, jotka haluavat saada mahdottomankin toimimaan. Turbiinilla pstn ihanteellisissa olosuhteissa potkuria vastaaviin hytysuhteisiin, joissain tapauksissa jopa parempaan.

39、Kytnnss ei ole kuitenkaan psty lhellekn potkurin kokonaishytysuhdetta. Suurimpina ongelmina Darreius-roottoreilla on ollut mekaaninen kestvyys sill turbiinin pyrimisen aikana siihen vaikuttavat voimat aiheuttavat erittin kovan vsytyskuormituksen.Erkki HaapanenTehon rajoitus/sttavan mukainen luokitus

40、SakkausrajoitettuKiinte lapakulma ja pyrimisnopeusMyrskypysytys tapahtuu erillisen krkijarrun avullaSakkausstKiinte pyrimisnopeus, muuttuva lapakulma = aktiivisakkausMyrskypysytys tapahtuu erillisen krkijarrun avulla tai lapakulmaa kntmllLapakulman stToimii sek kiintell ett muuttuvalla pyrimisnopeud

41、ellaKytetn optimoimaan tehoa toimittaessa alle nimellistuulen nopeuden sek rajoittamaan tehoa, kun tuulen nopeus on suurempi kuin nimellistuulen nopeus ja pysyttmn, kun tuulen nopeus ylitt myrskyrajan.Muuttuva pyrimisnopeusKytetn optimoimaan tehoa toimittaessa alle nimellistuulen nopeuden. Kytetn yl

42、eens yhdess lapakulmasdn kanssa, jolloin saadaan paras mahdollinen hytysuhde koko toimintaalueella.Ei voida juurikaan kytt sakkausrajoitetussa voimalassa. Erkki HaapanenLapakulmasdn toimintaLapakulmanstErkki HaapanenAktiivisakkauksen toimintaAktiivisakkausLepuutusjttreunakohtituultaErkki HaapanenMit

43、en tuulivoimalaa sdetnTehon rajoitusTuulen nopeuden kasvaessa on tarvetta rajoittaa teho koneiston suurimpaan sallimaan arvoon. Thn kytetn erilaisia tehonsttapoja, jotka toimivat aerodynaamisesti joko vhentmll lavan kantovoimaa (lapakulman st) tai lismll lavan vastusta (sakkausst).Tuulivoimalan myrs

44、kypysytysTuulivoimalalle joudutaan asettamaan turvallisuussyist suurin sallittu tuulennopeus, jonka jlkeen voimala on pysytettv. Pysytykseen kytetn aerodynaamista jarrutusta, joko erillist jarrua tai kntmll lapaa kohti tuulta siten, ettei pyrittv momenttia en synny.St- ja pysytysjrjestelmt saattavat

45、 olla samoja tai erillisi riippuen tuulivoimalan tyypist. Erkki HaapanenMyrskysuojauksen toteutusperiaatePysytys krkijarrullaSakkausrajoitettujen voimaloiden pysyttmiseksi tarvitaan tehokas aerodynaaminen jarru. Yleisin malli on kokonaan kntyv krkiosa, joka kntyy poikittain tuuleen silloin, kun voim

46、ala halutaan pysytt. Krkijarrun pituus on vain alle 10% lavan pituudesta. Silti yksikin jarru riitt pysyttmn koko voimalan. Jokaisen lavan krjess oleva jarru takaa pyshtymisen vaikka yksi tai jopa kaksi jarrua jisi toimimatta. Tm on katsottu tarpeelliseksi sen vuoksi, ett myrskytilanteessa mahdollin

47、en toimimattomuus saisi aikaan katastrofin ja johtaisi pahimmillaan koko voimalan hajoamiseeen. Krkijarrun ohjaus ja avautuminen perustuu usein keskipakovoimaan. Jarrujen liike on sidottu toisiinsa jarrukaapeleilla, joiden tehtvn on varmistaa,ett jarruvaikutus kohdistuu tasaisena kaikkiin lapoihin.

48、Luotettavuutensa vuoksi krkijarrusta on tullut yleisin kytetty ratkaisu kiintelapaisiin voimaloihin.Voimalan pysytys tapahtuu aerodynaamisella jarrullaKrkijarrun lisksi aerodynaamisia jarruja ovat esimerkiksi Lavan krkeen saranoitu vastuslevy, joka normaalisti on piilossa, mutta avautuu esimerkiksi

49、keskipakovoiman laukaisemana. Vastuslevy aiheuttaa voimakkaan kohinan auetessaan. Jrjestelm on arka jtymiselle ja likaantumiselle. Sit kytetn jossain mrin pieniss tuulivoimaloissa.Spoileri on lavan salon tuntumaan rakennettu levy, joka nousee yls jarrutettaessa. Usein levyn vaikutusta voidaan list t

50、ekemll rakenne sellaiseksi, ett spoilerin alta avautuu rako, josta tuulen puoleinen ilma psee lavan lpi alipaineen puolelle. Rako vhent tehokkaasti lavan nostovoimaa ja spoileri lis vastusta. Spoileri on erittin tehokas, mutta erittin arka jtymiselle eik sit juuri kytet tuulivoimaloissa.Tuulesta poi

51、s kntVoimala pysytetn kntmll potkurin keh kokonaan pois tuulesta. Tt tapaa kytetn vain pieniss voimaloissa, joiden potkurin halkaisija on alle 10 m. Hyrrvoimat kasvavat liian suuriksi, kun lavan pituus ja paino kasvavat. Tst seuraa knnn hidastuminen eik tehon rajoitus ehtisi toimia puuskatilanteessa

52、. Tm on oivallinen ratkaisu kiintelapaisille pienvoimaloille. Lapakulmasdll, lepuutusVoimalassa, jossa on lapakulman st, myrskypysytys toimii kuten normaali st. Lapakulman knt kohti tuulta jatketaan, kunnes lavan etureuna on kohtisuorassa tuulta vastaan ja voimala pyshtyy. Pyshtymisen jlkeiseen luki

53、tukseen kytetn mekaanista jarruaLevy- tai rumpujarruMekaanisella jarrulla voidaan vain auttaa aerodynaamisen jarrun toimintaa ja silloinkin jarrutuksen loppuosalla varmistamaan. ett lapa pyshtyy kokonaan. tappi reikn varmistus esimerkiksi huollon ajaksi on varmistus sille, ettei voimala pse vahingos

54、sa pyrhtmn, kun sille tehdn huoltoa tai muuten tyskennelln voimalan koneiston kanssa. Tappi on syyt muistaa ottaa reist pois ennen kynnistysyrityst.Erkki HaapanenKolmilapainen vaaka-akselinen etutuulipotkuriOn yleisin energiantuotannossa kytetty tyyppi ja taloudellisesti edullisinSill on suuri pyyhk

55、isypinta-ala, suurimmillaan lhes hehtaari ja tuotto on suoraan verrannollinen pyyhkisypinta-alaan.Potkurin pinta-ala suhteessa pyyhkisypinta-alaan on pieni (parikolme prosenttia) eli suuren pinta-alan kyttn tarvitaan minimaalinen mr materiaalia.Sill on erinomainen hytysuhde verrattuna muihin ratkais

56、uihinRakenteellisesti kevein ja luotettavin pitkaikaisessa kytssErkki HaapanenTUULIVOIMALAN SUORITUSARVOTTuulivoimalan tehon kaava Ihanteellinen tuulivoimalaTehokertoimen riippuvuus krkinopeussuhteesta , LTehokertoimen merkitysTehokyrTunnusluvutErkki HaapanenTuulivoimalan tehon kaavaP = Teho W = Ilm

57、an tiheys kg/m3v = tuulen nopeus m/s vapaassa virtauksessa tuulen nopeus hidastuu ennen potkuria ja viel sen jlkeenkin sit enemmn, mit enemmn tuulesta otetaan energiaaA =potkurin pyyhkisypintaala mCP =tehokerroin, joka riippuu tuulivoimalatyypista ja krkinopeudesta L =krkinopeussuhde eli potkurin kr

58、jen kehnopeuden suhde tuulen nopeuteen vapaassa virtauksessaTuulivoimalasta saadaan paras teho, kun se pyrii nopeasti eli krkinopeussuhde on korkea. Tst syyst energian tuotannossa kytetyiss voimaloissa on hyvin kapeat lavat ja mahdollisimman korkea krkinopeus.Erkki HaapanenIhanteellinen tuulivoimala

59、 Ihanteellinen tuulivoimala hidastaa tuulen nopeuden kahteen kolmasosaan sen vapaasta nopeudestaTehokerroin on tllin CP = 16/27 = 0,593, jota kutsutaan mys Betzin tehokertoimeksiTt ei ole kytnnss mahdollista saavuttaa, koska se edellyttisi virtauksen kitkatonta hidastumista ilman kiertym. Eli ei ole

60、 olemassa edes teoriassa tllaista mekanismia, joka toteuttaisi tmn ehdon.Krkinopeussuhde ei vaikuta ideaalivoimalan tehokertoimeenErkki HaapanenTehokertoimen riippuvuus krkinopeussuhteesta , LTehokertoimen avulla voidaan verrata erilaisten voimaloiden hytysuhdettaErkki HaapanenPrandtlin&Glauertin te