KUINKA TUULITURBIINIT TOIMIVAT?

Send

Ehkä olet nähnyt heidät ajaessasi maaseutua. Tai ehkä näit heidät aivan rannikon tuntumassa, horisontissa suurina pyörivien teriensä kanssa. Jälleen kerran olet ehkä nähnyt heidät jonkun katolla tai osana pienimuotoista kaupunkitoimintaa. Paikasta riippumatta, tuuliturbiineista ja tuulivoimalla on tulossa yhä yleisempiä piirteitä nykymaailmassa.

Suuri osa tästä liittyy ilmastonmuutoksen uhkaan, ilman pilaantumiseen ja haluan vieroittaa ihmiskunnan riippuvuus fossiilisista polttoaineista. Ja kun kyse on vaihtoehtoisesta ja uusiutuvasta energiasta, tuulivoiman odotetaan hallitsevan tulevaisuudessa markkinoiden toiseksi suurimman osan (aurinkoenergian jälkeen). Mutta kuinka tarkalleen tuuliturbiinit toimivat?

Kuvaus:

Ilmaturbiinit ovat laitteita, jotka kääntävät tuulen kineettisen energian ja ilmavirran muutokset sähköenergiaksi. Yleensä ne koostuvat seuraavista komponenteista: roottori, generaattori ja rakenteellinen tukikomponentti (jotka voivat olla joko tornin, roottorin kääntömekanismin tai molempien muodot).

Roottori koostuu tuulen energiaa kaappavista teristä ja akselista, joka muuntaa tuulienergian alhaisen nopeuden kiertoenergiaksi. Akseliin kytketty generaattori muuntaa hitaan pyörimisen suureksi sähköenergiaksi käyttämällä sarjaa magneetteja ja johdinta (joka yleensä koostuu kelatusta kuparijohdosta).

Kun magneetit pyörivät ympäri kuparilankaa, se tuottaa eron sähköisessä potentiaalissa, jolloin syntyy jännite ja sähkövirta. Viimeiseksi on rakenteellinen tukikomponentti, joka varmistaa, että turbiini seisoo joko riittävän korkealla korkeudella tuulenpaineen ja / tai kasvun optimaaliseksi havaitsemiseksi tuulen virtaussuunnassa.

Tuulivoimaloiden tyypit:

Tällä hetkellä tuuliturbiineja on kahta päätyyppiä - vaaka-akseliset tuuliturbiinit (HAWT) ja pystyakseliset tuuliturbiinit (VAWT). Kuten nimestä voi päätellä, vaakasuorissa tuuliturbiineissa on pääroottorin akseli ja sähkögeneraattori tornin yläosassa terien osoittaessa tuuleen. Turbiini sijoitetaan yleensä tukitornin vastatuuleen, koska torni todennäköisesti tuottaa turbulenssia sen takana.

Pystyakselisten turbiinien (jälleen kerran, kuten nimestä käy ilmi) pääroottorin akseli on järjestetty pystysuoraan. Tyypillisesti nämä ovat luonteeltaan pienempiä, eikä niitä tarvitse osoittaa tuulen suuntaan pyöriäkseen. Siten he pystyvät hyödyntämään tuulen suuntaa, joka vaihtelee.

Yleensä vaaka-akselisten tuuliturbiinien katsotaan olevan tehokkaampia ja ne voivat tuottaa enemmän tehoa. Vaikka pystysuuntainen malli tuottaa vähemmän sähköä, sen voidaan sijoittaa pienemmille korkeuksille ja se tarvitsee vähemmän komponenttien tapaa (erityisesti suuntausmekanismi). Tuuliturbiinit voidaan myös jakaa kolmeen yleiseen ryhmään suunnittelun perusteella, johon kuuluvat Towered-, Savonius- ja Darrieus-mallit.

Pyyhkäisymalli on HAWT: n tavanomaisin muoto, joka koostuu tornista (kuten nimestä voi päätellä) ja joukosta pitkiä siipiä, jotka istuvat tornin edessä (ja samansuuntaisesti). Savonis on VAWT-malli, joka riippuu muotoilluista teristä (kauhoista) tuulen ja spinin sieppaamiseksi. Ne ovat yleensä heikkohoitoisia, mutta niiden etuna on, että ne alkavat itse. Tämäntyyppiset turbiinit ovat usein osa katolla tapahtuvaa tuulitoimintaa tai asennettu merialuksiin.

Darrieus-malli, joka tunnetaan myös nimellä “Eggbeater” -turbiini, on nimetty mallin edelläkävijän ranskalaisen keksijän Georges Darrieuksen mukaan. Tässä VAWT-mallissa käytetään sarjaa pystysuoria teriä, jotka istuvat pystysuoran tuen suuntaisesti. Ne ovat yleensä alhaisen hyötysuhteen mukaisia, vaativat lisäroottorin kääntymisen aloittamiseksi, tuottavat suurta vääntömomenttia ja aiheuttavat korkean rasituksen tornille. Siksi niitä pidetään epäluotettavina mallien mennessä.

Kehityshistoria:

Tuulivoimaa on käytetty tuhansia vuosia purjeiden työntämiseen, tuulimyllyjen tuottamiseen tai vesipumppujen paineen tuottamiseen. Varhaisimmat tunnetut esimerkit ovat peräisin Keski-Aasiasta, missä muinaisessa Persiassa (Iranissa) käytetyn tuulimyllyn päivämäärät ovat olleet 500 - 900 CE. Teknologia alkoi näkyä Euroopassa keskiajalla, ja siitä tuli yhteinen piirre 1500-luvulla.

Sähkövoiman kehittyessä 1800-luvulle mennessä rakennettiin ensimmäiset tuulivoimalat, jotka pystyivät tuottamaan sähköä. Ensimmäisen asensi vuonna 1887 skotlantilainen akateeminen James Blyth valaisemaan loma-asuntoaan Marykirkissa, Skotlannissa. Vuonna 1888 amerikkalainen keksijä Charles F. Brush rakensi ensimmäisen automaattisen tuuliturbiinin kodinsa ohjaamiseksi Clevelandissa, Ohiossa.

1900-luvun alkupuolella tuuliturbiineista tuli tullut yleinen keino energialähteiden asettamiseen syrjäisillä alueilla (kuten maatilat). Vuonna 1941 ensimmäinen megawattitason tuuliturbiini asennettiin Vermontiin ja kiinnitettiin paikalliseen verkkoon. Vuonna 1951 Iso-Britannia asensi ensimmäisen sähköverkkoon kytketyn tuulivoimalansa Orkneysaarille.

1970-luvulle mennessä tuuliturbiinitekniikan tutkimus ja kehitys oli edennyt huomattavasti OPEC-kriisin ja ydinvoiman vastaisten mielenosoitusten ansiosta. Seuraavina vuosikymmeninä vaihtoehtoiselle energialle omistettuja yhdistyksiä ja edunvalvojia alkoi syntyä Länsi-Euroopan maissa ja Yhdysvalloissa. 1900-luvun viimeiseen vuosikymmeneen mennessä Intiassa ja Kiinassa tapahtui samanlaisia pyrkimyksiä kasvavan ilman pilaantumisen ja puhtaan energian kysynnän kasvun vuoksi.

Tuulivoima:

Tuulisähköä pidetään erittäin luotettavana ja tasaisena muihin uusiutuviin energialähteisiin verrattuna, koska tuuli on jatkuvaa vuodesta toiseen eikä vähene kysynnän ruuhka-aikoina. Alun perin tuulipuistojen rakentaminen oli kallis hanke. Äskettäisten parannusten ansiosta tuulivoima on alkanut asettaa huippuhintoja energian tukkumarkkinoilla maailmanlaajuisesti ja leikata fossiilisten polttoaineiden tuotannon ja tuoton tuloihin.

Energiaministeriön maaliskuussa 2015 antaman raportin mukaan tuulivoiman kasvu Yhdysvalloissa voisi johtaa jopa korkeammin koulutettuihin työpaikkoihin monissa luokissa. Asiakirja, jonka otsikko on “Tuulinäkö: Uusi aikakausi tuulivoimalle Yhdysvalloissa”, osoittaa, että vuoteen 2050 mennessä teollisuuden osuus voisi olla jopa 35 prosenttia Yhdysvaltojen sähköntuotannosta.

Lisäksi vuonna 2014 Global Wind Energy Council ja Greenpeace International kokoontuivat julkaisemaan raportin, jonka otsikko on ”Global Wind Energy Outlook 2014”. Raportissa todettiin, että maailmanlaajuisesti tuulivoima voisi tarjota jopa 25–30% maailman sähköstä vuoteen 2050 mennessä. Raportin kirjoittamishetkellä yli 90 maan kaupallisten laitosten kokonaiskapasiteetti oli 318 gigawattia (GW), mikä tuottaa noin 3,1% maailmanlaajuisesta tarjonnasta.

Tämä edustaa lähes 16-kertaista lisäystä adoptioasteessa vuodesta 2000, jolloin tuulivoiman osuus oli alle 0,2%. Toinen tapa katsoa sitä olisi sanoa, että tuulivoiman markkinaosuus on kaksinkertaistunut neljä kertaa alle 15 vuodessa. Tämä asettaa sen toiseksi vain aurinkovoiman kohdalla, joka kaksinkertaistui seitsemän kertaa saman ajanjakson aikana, mutta kulkee edelleen tuulta kokonaismarkkinaosuudestaan (noin 1 prosentissa vuoteen 2014 mennessä).

Haittojensa suhteen yksi jatkuvasti esiin nouseva kysymys on tuuliturbiinien vaikutus paikallisiin villieläimiin ja häiriöt, joita niiden läsnäolo aiheuttaa paikalliselle maisemalle. Erityiset sidosryhmät ja edunvalvojat ovat kuitenkin usein osoittaneet, että nämä huolet korottavat tuulivoimaa ja muita uusiutuvia energialähteitä.

Esimerkiksi kansallisen uusiutuvien energialähteiden laboratorion vuonna 2009 julkaisema tutkimus osoitti, että suurten tuulipuistojen rakentaminen häiritsee pysyvästi alle yhtä hehtaaria megawattia kohti ja väliaikaisesti häiriöitä on vähemmän kuin 3,5 hehtaaria megawattia kohti. Samassa tutkimuksessa todettiin, että vaikutukset lintujen ja lepakoiden villieläimiin ovat suhteellisen vähäisiä ja että samat päätelmät pätevät offshore-alustoille.

Kaikkialla maailmassa hallitukset ja paikalliset yhteisöt etsivät tuulivoimaa tyydyttääkseen energiatarpeensa. Nousevien polttoaineiden hintojen, kasvavien huolenaiheiden ilmastomuutoksista ja tekniikan parantamisen aikakaudella tämä ei ole tuskin yllättävää. Nykyisellä hyväksymisasteellaan se on todennäköisesti yksi suurimmista energialähteistä vuosisadan puoliväliin mennessä.

Nauti tästä videosta tuuliturbiineista NASAn Lewisin tutkimuskeskuksen suosituksesta:

Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita tuuliturbiineista ja tuulivoimasta täällä Space Magazine -lehdessä. Tässä on Mikä on vaihtoehtoinen energia ?, Mitä ovat fossiiliset polttoaineet? Mitkä ovat uusiutuvan energian tyypit ?, Meren tuulivoima (avaruuden avulla) ja voisiko maailma ajaa aurinko- ja tuulivoimalla?

Katso lisätietoja How Stuff Worksin artikkelista tuulivoiman historiasta ja mekaniikasta sekä NASA: n Greenspace-sivulta.

Tähtitieteen näyttelijöillä on myös joitain aiheeseen liittyviä jaksoja. Tässä on jakso 51: Maa ja osa 308: Ilmastomuutos.

Lähteet: