Tuulivoimalaitos

Noin 5 megawatin merituulivoimalaitos Belgian rannikolla vuonna 2008. Lähimmän voimalan malli on Windmills D4.

Tuulivoimalaitos eli tuulivoimala muuntaa tuulen liike-energiaa sähköenergiaksi. Tuulen etenevä liike muutetaan pyörivään akseliin kiinnitettyjen siivekkeiden eli tuuliturbiinin avulla pyörimisliikkeeksi, jolla pyöritetään akseliin kiinnitettyä sähkögeneraattoria. Akselin verkkainen pyörimisliike voidaan nopeuttaa vaihteiston avulla niin, että tuotetun sähkön vaihtojänniteen laatu tulee sopivaksi. Tuotettu sähkö johdetaan voimalasta taajuusmuuntajaan, jossa jännitteen taajuus tahdistetaan ja sen jännite nostetaan kantaverkkoon sopivaksi. Tuulivoimalaitoksia voidaan asentaa lähekkäin niin sanotuiksi tuulivoimapuistoiksi, joissa voi olla satojakin yksittäisiä tuulivoimaloita. Tuulivoimapuistoja löytyy sisämaassa, rannikolla ja merellä.

Pienet tuulivoimalaitokset voivat tuottaa sähköenergiaa yksityiseen käyttöön esimerkiksi lataamalla kesämökin akkuja. Keskisuuret tuulivoimalat voivat tuottaa energiaa paikalliseen käyttöön esimerkiksi kyläkunnalle tai yritykselle, mutta suotuisissa olosuhteissa sähköä voidaan myydä kantaverkon kautta sähkömarkkinoille. Suurimmat tuulivoimalat tuottavat energiaa vain myyntiin noudattaen sähkömarkkinoiden kysynnän ja tarjonnan tyydyttämiseen yhteisesti sovittuja sääntöjä.

Tuulivoimalla tuotetun sähköenergian määrä kasvaa koko ajan. Vuoteen 2019 mennessä oli rakennettu kapasiteetiltaan eli nimellisteholtaan noin 650 gigawattia tuulivoimaa, jota tuotti sadat tuhannet suuret tuulivoimalaitokset eri puolilla maailmaa. Suomessa tuulivoiman osuus sähköenergiasta oli 0,45 gigawattia vuonna 2013, 2,04 gigawattia vuonna 2017 ja 3,3 gigawattia vuonna 2021. Vuonna 2019 tuotettiin Suomessa tuulivoimalla lähes 6 000 terawattituntia sähköenergiaa, mikä oli 9 % Suomen sähköntuotannosta . Tuulivoima lisääntyi maailmalla vuonna 2019 noin 60 gigawattia ja koska kasvuvauhti jatkuu tulevina vuosina suurena, tulee tuulivoimasta tulevaisuudessa merkittävä energiamuoto.

Yleistä

Tuulivoima

Tuuli syntyy ilmakehässä auringon säteilyn lämmittäessä ilmaa eri alueilla epätasaisesti synnyttäen niillä lämpötila- ja paine-eroja. Lähinnä paine-erot pyrkivät tasoittumaan ja aiheuttavat ilmakehässä horisontaalisia ja vertikaalisia virtauksia. Virtauksien suuntaan vaikuttaa alueiden paine-erojen lisäksi maapallon pyöriminen. Maan- ja merenpinnan lähellä horisontaalinen virtaus koetaan tuulena, jota voidaan hyödyntää tuulivoimana.

Tuulivoimalaitoksien perustyypit

Kolme erityyppistä turbiiniratkaisua animaationa: vertikaalinen Savonius, vaaka-akselinen ja kolmisiipinen sekä vertikaalinen Darrieus.

Tuulivoimalaitokset voidaan luokitella turbiinin tyypin mukaan pääasiassa vaaka-akselisiin (aksiaalisiin) ja pystyakselisiin (vertikaalisiin). Vaaka-akselisella tuuliturbiinilla on pyörimisakseli vaakasuorassa ja sen siivet pyörivät tuulen suunnassa akselin navan ympäri. Vaaka-akselisten voimaloiden tuuliturbiineja voidaan kutsua lyhenteellä HAWT (engl. horisontal-axis wind tubine). Ne vievät varsin paljon tilaa, niissä käytetään yleisesti kolmisiipistä tuuliturbiinia ja tubiini on aina käännettävä kohti tuulta. Se on yleisin käytössä oleva tuulivoimaratkaisu. Pystyakelisella tuuliturbiinilla pyörimisakseli on pystysuorassa ja sen pystyasentoiset siivet pyörivät akselinsa ympäri. Pystyakselisten voimaloiden tuuliturbiineja voidaan kutsua lyhenteellä VAWT (engl. verical-axis wind tubine). Nämä voimalat ei vie kovin paljon tilaa eikä niitä tarvitse kääntää kohti tuulta. Ne ovat pienempiä, kuin vaaka-akseliset voimalat. On kehitetty muitakin tuuliturbiinityyppejä, jotka toimivat edellä kerrotusta poikkeavalla tavalla. Toinen tapa on jaotella tuulivoimalat maa- ja merituulivoimaloihin, sillä niiden rakenteet ovat hieman erilaiset. Kolmas tapa on jaotella ne vakionopeuksisiin ja muttuvanopeuksisiin tuulivoimaloihin.

Tuulivoimalaitoksen yleisrakenne

Siiven kiinnitys tuuliturbiinin nuppiin.

Perustuksen raudoitus ennen betonin valua.

Valun valmistuttua perustukseen kiinnitetään tornin alin osa..

Näkymä Vestaksen varastoalueen konehuoneita, tornin osia ja turbiinin nuppeja sisältävästä osastosta.

Tuulivoimalaitokset rakennetaan maalle tai merelle. Voimaloiden koon kasvaessa niiden tärkein ominaisuus on seisominen perustuksensa varassa. Sen tulee olla riittävän massivinen, jottei korkea voimalaitos ala huojumaan. Merellä voimalat rakennetaan merenpohjaan valetun peurustuksen varaan. On esitetty myös kelluvien voimalaitoksien rakentamista, mutta ne voivat jäädä pieniksi. Tuulen voima kasvaa korkeuden myötä, joten voimalaitokset kannattaa rakentaa korkeiksi. Pystyakselisia voimalaitoksia vaivaavat tuulen aiheuttaman vääntömomentin hallintavaikeudet ja tärinän aiheuttamat rasitukset sen rakenteisiin. Niiden pystyasentoa tuetaan monesti vaijereilla, mutta tästäkin huolimatta niiden koko on jäänyt pieneksi. Nykyiset vaaka-akseliset voimalat on voitu rakentaa yli 150 metriä korkeiksi niiden rakenteiden siitä kärsimättä. Vaaka-akselisten tuuliturbiinit pyörivät pystyasennossa, joten korkean voimalan torni voidaan rakentaa puolet lyhyemmäksi kuin pystyakselisella voimalalla. Tuuliturbiinin siivet eli lavat ovat taidokkaita rakentaa ja niitä pitäisi voida kääntää eri asentoihin tuulen voimakkuuden muuttuessa. Pystyakselisten voimaloiden siivet ovat joko suoria tai kaarevia eikä niiden asentoa tarvitse tuulen voimakkuuden vuoksi kääntää. Pystyakselisen voimalan sähkögeneraattori ja muut tuotannonohjaukseen liittyvät laitteet voidaan sijoittaa maan pinnalle, kun taas vaaka-akselisten voimaloiden vastaavat laitteet sijoitetaan tornin huipulla sijaitsevaan konehuoneeseen. Sen sijaan sähköverkkoon kytkeminen tehdään kaikissa voimaloissa maan pinnalla sijaitsevassa yksikössä.

Perustukset

Perustusten tarkoituksena on sekä estää tuulivoimalaitosta uppoamasta maahan että estää sen kallistuminen ja samalla myös sen kaatuminen. Perustusta suunnitellessa huomioidaan voimalaitoksen ympäristö ja maaston rakenne. Perustus voidaan tarvittaessa paaluttaa, jos maaperä on pehmeää. Suurin vaikutus on kuitenkin perustuksen suurella massalla, josta vaaka-akselisen voimalan kokonaismassasta on 70 prosenttia maan alla. Tuulivoimalaitoksen perustus voi olla halkaisijaltaan 30-metrinen ja ulottua 3–4 metrin syvyyteen. Se on voitu valmistaa yli tuhannesta kuutiometristä raudoitettua betonia. Suomessa on vuonna 2022 toiminnassa olevissa tuulivoimaloissa käytetty yli miljoona kuutiometriä betonia ja yli 145 000 tonnia terästä. Pystyakselisen voimalan perustus ei tarvitse olla yhtä massiivinen, jos pystyakselia tuetaan eri suuntiin jännitetyillä vaijereilla. Käytännössä vaijerit voivat olla suhteellisen ohuita, koska pystyakseliset voimalat ovat vaaka-akselisia merkittävästi pienempiä.

Torni tai masto

Pienet pystyakseliset tuulivoimalaitokset tarvitsevat lyhyen ja kapearakenteisen maston, jolla voimalan rakenteet tuetaan maahan ja jolla siipien tuottama momentti ohjataan tyvessä sijaitsevaan sähkögeneraattoriin. Suuret vaaka-akseliset tuulivoimalaitokset rakennetaan korkeiksi ja niiden pitkäsiipiset tuuliturbiinit vaativat vankan tornin, joka kestää tuulen aiheuttamat vääntömomentit ja kestää yläpuoliset raskaat rakenteet. Tornin pääasiallinen tehtävä on nostaa tuulitubiini mahdollisimman korkealle nopeamman tuulen ulottuville. Myös maaston muotojen aiheuttamat turbulenssit vähenevät korkeammalle noustessa.

Vaikka tuulivoimalaitoksen torni on korkea, tulee huoltohenkiläkunnan käyttää liikkumiseen tornin sisällä olevia tikkaita. Jos torni on putken sijasta ristikkorakenteinen, ovat tikkaat sään armoilla. Huoltotehtävät voivat vaatia laitteiden raskaiden osien vaihtamista eikä niitä voi kantaa mukanaan tikkaita ylös kiivetessä. Konehuoneen katolla on tätä varten huoltoluukku, josta konehuoneeseen voidaan toimittaa tarvikkeita nosturilla tai helikopterilla tuoden. Merellä toimivissa merituulivoimaloissa käytetään hankalassa merenkäynnissä usein helikopteria.

Konehuone eli naselli

Konehuone odottaa paikalleen nostoa.

Konehuoneen asennus pienoisnosturilla.

Pääakselin, vaihdelaatikon ja levujarrun muodostama kokonaisuus nostetaan paikalleen.

Näkymä Vestaksen konehuoneen sähkögeneraattorista.

Konehuone (myös naselli) erottuu vaaka-akselisessa voimalaitoksessa tornin yläpäässä sijaitsevana koppina, johon on kiinnitetty tuuliturbiini. Pystyakselisessa voimalassa konehuone on maassa tai maan alla. Konehuoneessa tuuliturbiinin hitaasti pyörittävän pääakselin pyörimisliike laakeroidaan kiinni konehuoneen jäykkään tukirakenteeseen. Pyörivän akselin liike johdetaan suoraan, tai vahdelaatikon välityksellä, sähkögeneraattorin akselille. Vaihdelaatikon tehtävänä on muuttaa pääakselin pyörimisnopeus sähkögeneraattorille sopivaan nopeuteen. Konehuoneen katolla tai maston huipulla sijaitsevat varoitusvalot lentoliikenteelle, tuulen nopuden mittarit eli anemometrit sekä tuulen suuntaa ilmaisevat tuuliviirit. Niiden antama tieto syötetään kontrolleriin, joka huolehtii tuulivoimalaitoksen automatiikasta. Automatiikan eräänä tehtävänä on kääntää vaaka-akselisen tuulivoimalaitoksen konehuone ja samalla sen tuuliturbiini kohti tuulta. Siihen käytetään tornissa olevaa kääntölaitteistoa. Automatiikka huolehtii usein myös kääntyväsiipisten voimaloiden siipien asennoista. Siipiä käännetään turbiinin nupissa sijaitsevilla kääntölaitteistoilla. Kun voimalaa huolletaan, eivät siivet saa pyöriä. Ne pysäytetään ensin sopivalla tavalla ja lopuksi pääakselilla kytketään seisontajarru päälle.

Sähkögeneraattori

Sähkögeneraattoreissa on kaksi pääkomponenttia: staattori, joka ei pyöri, ja roottori, jota vaihteistosta tuleva akseli pyörittää. Generaattoreina käytetään nykyään yleisesti joko epätahtigeneraattoria tai tahtigeneraattoria.

Epätahtigeneraattori on näistä yleisempi ja siitä käytetään myös nimityksiä induktiogeneraattori tai oikosulkugeneraattori. Sen etuja ovat edullisuus, yksinkertaisuus ja kestävyys. Huono puoli on se, että se tarvitsee reaktiivista magnetoimisvirtaa staattorin sähkömageetteihin, mikä saadaan aikaan kolmivaihevirralla. Ensiksi, reaktiivisen virran tehtävä on saattaa staattorissa pyörivä magneettikenttä samaksi roottorin pyörimistaajuuden kanssa. Toiseksi, staattorin magneettikenttä tulee olla hieman epätahdissa roottorin pyörimisliikkeeseen nähden, jotta induktiolla syntyvä sähkövirta olisi suurin mahdollinen. Tästä syystä generaattorista käytetään epätahti-nimitystä. Sähköenergia siirtyy roottorille ainaostaan induktioperiaatetta käyttämällä, mistä tulee sen induktio-nimitys. Ja kolmanneksi, roottorin käämitys on toteutettu alumiinitangoilla, jotka on oikosuljettu molemmista päistään oikosulkurenkailla. Tästä juontaa generaattorin oikosulku-nimitys.

Tahtigeneraattori on mekaanisesti mutkikaampi ja se on kalliimpi rakentaa kuin epätahtigeneraattori. Sen etuna on kuitenkin se, ettei se tarvitse sähköverkosta otettavaa staattorin magnetoivaa syöttövirtaa vaan se on järjestetty toisella tavalla. Kestomagneettitahtigeneraattorissa (engl. permanent magnet synchronous generator, PMSG) roottorissa pyörivät kestomagneetit indusoivat staattorin käämeissä tuotettavaa sähkövirtaa. Tällä generaattorityypillä on hyvä hyötysuhde, mutta sen kestomagneetit ovat kalliita. Lisäksi kestomagneettien magnetismi ei säily kuumassa, joten sitä on koko ajan jäähdytettävä. Toinen ratkaisu on ollut käyttää liukurengastahtigeneraattoria (engl. wound rotor synchronous generator, WRSG). Staattorin magneettikenttä saadaan aikaiseksi samaan akseliin kiinitetyn pienemmän sähkögeneraattorin avulla. Sen tuottama vaihtosähkövirta ensin tasasuunnataan ja sitten johdetaan liukurenkaiden ja liukuharjojen välityksellä roottorin käämitykseen. Roottorin käämit magnetoituvat ja magneettikenttä seuraa staattorin pyörivää magneettikenttää samassa tahdissa ja samalla taajuudella.

Tuuliturbiini

Pääartikkeli: Tuuliturbiini

Yleistä

Tuulivoiman historian aikana on pohdittu ja kokeiltu vaaka-akselisten tuuliturbiinien siipien eri lukumääriä. Yleinen käsitys on, ettei siipiä tule ainakaan olla parillinen lukumäärä, koska silloin jää kumpaankin puoliympyrän sektoriin saman verran siipiä. Tuuli puhaltaa maanpinnan tasolla korkealla nopeammin kuin matalalla. Kierroksen alaosassa kääntyvät siivet kohtaavat pienemmän tuulenpaineen kuin ylhäällä kääntyvät siivet. Kierroksen alaosaan sijoittuu tornivarjoksi kutsuttu ilmiö, jossa voimalan tornin aiheuttama tuuleen vastapainetta ja tuuli hidastuu. Kun siipi kääntyy tornin eteen, vähenee tuulen paine selvästi edellä kuvatuista kahdesta syystä johtuen. Kun turbiinissa on parillinen määrä siipiä, asettuu kaksi siipeä toistuvasti samanaikaisesti pystysuoraan asentoon, eli toinen siipi on ylhäällä kovassa tuulessa ja toinen alhaalla tornivarjossa. Tämä aiheuttaa turbiinin akselille epäsymmetrisen väännön, joka rasittaa akselin laakereita. Kysesitä vääntöä voidaan vähentää käyttämällä paritonta siipimäärää. Silloin ei pystysuorassa ole koskaan kahta siipeä. Kun alin siipi on tornivarjossa, on ylhäällä kaksi siipeä vinossa asennossa eivätkä ne ylety vielä aivan korkeimmalle. Siksi pariton siipimäärä on vakiinnuttanut asemaansa. Lisäksi partiton siipimäärä on vakiintunut kolmeen siipeen, vaikka useampi siipi parantaisi tuulivoiman hyötysuhdetta. Lisäsiipien määrä kasvattaa hyötysuhdetta kuitenkin vähemmän kuin mitä siipien lisäkustannukset kasvavat. Siivet ja niiden käyttökoneistot ovat tällä hetkellä kalliita valmistaa ja huoltaa, joten siipien lukumääräksi on vakiintunut kolme.

Tuuli aiheuttaa tuuliturbiinin siipiin vääntömomenttia, joka saa turbiinin pyörimään. Mitä suurempi on tuulen nopeus, sitä suuremmaksi kasvaa vääntömomentti ja pyörimisnopeus. Tämä siksi, että tuuliturbiinin siipiin muodostuu samanlainen nosto- ja vastusvoimailmiö kuin lentokoneen siivissä. Siiven eri puolille muodostuu nostavaa ja vastustavaa voimaa, joiden yhteisvaikutuksesta siipi nostaa lentokoneen ilmaan. Tuuliturbiinin tapauksessa siiven nosto ja vastusvoiman vaikutuksesta siipi kääntyy sivullepäin aiheuttaen akselia kiertävän vääntömomentin. Vaikutus on samalainen sekä vaaka-akselisilla että pystyakselisilla tuuliturbiineilla.

Vaaka-akselinen turbiini

Teollisessa tuulivoimatuotannossa käytetyt voimalat ovat yleensä vaaka-akselisia, joissa pyörii kolmisiipinen tuuliturbiini. Pienemmissä voimaloissa käytetään yleensä kaksi tai kolme siipeä. Jos tuulivoimaa tarvitaan myös heikolla tuulella, lisätään siipien lukumäärää ja parhaiten tässä onnistuu, kun lopulta on peitetty liki puolet siipien pyyhkäisyalasta. Vaaka-akselinen tuuliturbiini tulee aina kääntää kohti tuulta, jotta se toimisi tehokkaasti. Suurissa tuulivoimaloissa tornin kääntävät sähkömoottorit kääntävät turbiinin tuulta kohti, mutta pienimmissä voimaloissa käytetään tuulessa kääntyvää pyrstöä turbiinin suuntaamiseen. Tuulivoimalan tuotantotehoa kasvatetaan lähinnä rakentamalla pitkäsiipisiä turbiineja. Silloin kasvatetaan myös tornin pituutta, jotta yletytään korkella voimakkaammin puhaltaviin tuuliin. Turbiini on aikaisemmin saattanut sijaita konehuoneen takanakin, mutta nykyään se asennetaan konehuoneen etu- eli tuulen puolelle. Vaaka-akseliset voimalat sijoitetaan avoimeen maastoon, esimerkiksi peltoaukeille, mäkien huipulle, rannikolle ja merelle.

• 
  Nordex N100, 2,5 MW.
• 
  Enercon E-126, 7,6 MW.
• 
  Vestas V164, 8 MW.
• 
  Haliade-X (prototyyppi), 12 MW
• 
  Kaksilapainen turbiini, 1978, New Mexico, USA.
• 
  Nelilapainen pienvoimala.
• 
  Tuulirengas suuntaa virtauksen kohti lapoja.
• 
  Pieni 5 kilowatin voimala Evance R9000.
• 
  Poikkeuksellinen siipiratkaisu.
• 
  Perinteinen ratkaisu vesipumpun tuulivoimaksi.

Pystyakselinen turbiini

Teollisessa tuulivoimatuotannossa pystyakseliset ratkaisut ovat harvinaisia. Pienemmissä voimaloissa turbiinin siipirakenteessa on joko kuppimainen tai pystysiipinen rakenne. Voimala toimii samalla tavalla tuulen suunnasta riippumatta. Niitä käytetään sellaisissa kohteissa, jossa voimantuotanto halutaan suunnata alaspäin. Tällöin generaattorit ja muut tehonsäätöön vaikuttavat laitteet sijaitsevat maanpinnalla. Pystyakseliset voimalat voidaan sijoittaa asutuksen keskelle, rakennusten katoille ja esimerkiksi telemastoihin.

• 
  Suurin pystyakselinen tuuliturbiini, Quebec, Kanada, 2008
• 
  Yksi voimala tuulivoimapuistossa Bochumissa Saksassa
• 
• 
  Aeoluksen pistysiipinen voimala
• 
  Voimalan prototyyppi, 2014

Tuulivoimalan sähköntuotanto

Nimellisteho eli kapasiteetti

Maatuulessa tuulen nopeus kasvaa suuremmaksi, mitä korkeammalle mennään. Tämä johtuu maanpinnan epätasaisuudesta, puustosta ja rakennuskannasta. Tuulen sisältämä liike-energia on suoraan verrannollinen tuulen nopeuden kolmanteen potenssiin. Tämä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi kun tuulen nopeus kaksinkertaistuu niin tuulen liike-energia kahdeksan kertaistuu (eli $2^{3}=8$). Toisaalta voimalaitoksen siipien pyhkäisemä poikittaisala tuulen suuntaan nähden lisää talteen saatua energiaa. Pyyhkäisyyala on suoraan verrannollinen talteen saatuun energiamäärään. Kun esimerkiksi vaaka-akselisen tuulivoimalan tuuliturbiinin pyyhkäisemän ympyrän muotoisena alueen halkaisija kaksinkertaistuu, kasvaa pyyhkäisyala ja siten myös talteen saatava energia nelinkertaiseksi johtuen ympyrän hakaisijan ja pinta-alan välisestä suhteesta (eli $2^{2}=4$). Koska useiden tuulivoimaloiden rakentaminen maksaa paljon, on pyritty hankkimaan muutama suuri voimalaitos ennemmin kuin monta pienempää voimalaa. Tällöin saadaan tuulivoiman perustamiskustannukset pienemmiksi.

Voimalaitoksen tuuliturbiinin suurin mahdollinen hyötysuhde on noin 16/27 (eli 59,3 %), kuten Albert Betzn mukaan nimetty Betzin laki väittää. Sen mukaan turbiinin tuulesta ottama liike-energia hidastaa tuulen nopeutta niin paljon, että sen aiheuttama vastapaine alkaa haitata tulevan ilman virtausta turbiinin läpi. Todellisessa voimalaitoksessa syntyy hukkaenergiaa laakereissa, voimansiirrossa, sähkön lämpöhäviöissä ja muussa energian muunnoksessa. Modernit tuulivoimalaitokset yltävät noin 35–45 % hyötysuhteeseen.

Tuulivoimaloiden tehontuotto ilmoitetaan nimellistehona, joka voidaan nimetä myös voimalan kapasiteetiksi. Tuulivoimalaitoksen nimellisteholla tarkoitetaan suurinta tuotantotehoa, joka voidaan saavuttaa vaarantamatta voimalan pitkäaikaista toimintaa. Esimerkiksi Suomessa vuonna 2020 asennettujen tuulivoimalaitosten keskimääräinen napakorkeus lähestyi 150 metriä ja niiden keskimääräinen nimellisteho 4,5 megawattia. 2020-luvun alun suurimpia ovat Vestasin 9,5 megawatin tuulivoimalaitokset . Prototyyppiasteella on edetty 15 megawatin ja suunnitelmia on 16 megawatin laitoksista . Ylärajaa koon kasvulle ei tiedetä .

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.

Tanskalaisen tuulivoimalaitoksen Vestas V150 tehonkäyrä. Tuulen käynnistysnopeus riittää sähköntuotannon aloittamiseen, nimellistuulennopeus antaa jo täyden tuotantotehon ja pysähtymisnopeus saa tuulivoimalaitoksen pysähtymään automaattisesti. Voimala ei voi tuottaa sähköä nimellistehoaan enempää.

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.

Tuulennompeuden ja energiantuotannon suhde Lee Ranchin tuulivoimapuistossa. Histogrammi esittää mitattuja arvoja, kun taas käyrät ovat Weibull-jakauma tai Rayleigh-jakauma mitatuille keskiarvoille.

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.

Vuosituotanto

Tuulivoiman vuosituotanto on mahdollista määrittää mittaamalla tuulivoimalan hetkittäinen sähköntuotto koko vuoden ajalta. Koska esimerkiksi tuuliolosuhteet ja sähköverkon energiantarve vaihtelevat suuresti, tuotetaan sähköä kantaverkkoon vaihtelevasti. Tuotantomäärät vaihtelevat voimaloittain niiden nimellistehon, hyötysuhteen, korjausvelan, tuuliolosuhteiden, sijaintinsa ja monien muiden seikkojen mukaan. Esimerkiksi Suomessa tuotettiin vuonna 2017 tuulienergiaa 4,8 terawattituntia eli 4 800 gigawattituntia noin 150 tuulipuiston ja noin 700 tuulivoimalan avulla. Voimaloiden yhteenlaskettu nimellisteho oli 2 044 megawattia, joten jakamalla vuosituotanto nimellisteholla saadaan huippukäyttöajaksi 2 350 tuntia. Yksittäiselle voimalalle tämä tarkoittaisi 2 350 tunnin sähköntuotantoa sen nimellisteholla. Tuotantoaika vastaisi 27 % vuoden sisältämästä tuntimäärästä.

Elinkaari

Tuulivoimaloiden hautausmaa.

Toimintavarmuus ja huolto

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 jäätyminen: 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 erityisesti turbiinin siivet tuottavat päänvaivaa. Siivissä ei käytetä vaarallisia aineita, eivätkä ne ole ongelmajätettä, mutta niiden koko ja rakennusmateriaali tekevät kierrätyksestä hankalaa. Siiven 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 kaikkia kustannuksia. Lisäksi purkamisesta syntyvä jätemäärä saattaa ylittää kierrätysjärjestelmän kapasiteetin.

Tuulivoimapuisto

Tuulivoimapuisto Eislebenissä.

Pääartikkeli: Tuulivoimapuisto

Tuulivoimapuisto muodostuu lähekkäin sijoitetuista tuulivoimalaitoksista. Näiden sähköntuotanto ohjataan maakaapeleilla yhteiseen muuntamoon ja siitä edelleen sähköasemaan. Tuulivoimalassa tuotetun sähkön jännite vaihtelee valmistajan ja voimalan tyypin mukaan, mutta se on yleensä vain satoja voltteja. Muuntamossa jännite nostetaan yleensä 10–20 kilovolttiin, jotta sähkönsiirrossa ei kuluisi sähköä hukkaan. Pitkille matkoille tulee jännite nostaa vähintään 110 kilovoltin jännitteeseen, ellei jopa 400 kilovolttiin. Tämä tapahtuu tuulipuiston sähköasemalla. Tuulipuiston sähköasemalta on yleensä vielä matkaa kantaverkkoon, joten sieltä on rakennettava siirtolinja kantaverkon sähköasemalle.

Aiheesta muualla

• Tuulivoiman sähköntuotanto (ajantasainen tieto)
• Suomen Tuuliatlas (karttaliittymä)