Taustaa
Tuulivoimala on kone, joka muuntaa tuulen liike-energian pyöriväksi mekaaniseksi energiaksi, jota käytetään työn tekemiseen. Kehittyneemmissä malleissa pyörimisenergia muutetaan generaattorin avulla sähköksi, joka on energian monipuolisin muoto.
Tuhansien vuosien ajan ihmiset ovat käyttäneet tuulimyllyjä veden pumppaamiseen tai viljan jauhamiseen. Vielä 1900-luvulla amerikkalaisissa kodeissa ja karjatiloilla käytettiin kokonaan metallista valmistettuja korkeita, siroja, monivanteisia tuulimyllyjä pumppaamaan vettä talon vesijohtoverkkoon tai karjan juottokaukaloon. Ensimmäisen maailmansodan jälkeen ryhdyttiin kehittämään tuulivoimaloita, jotka voisivat tuottaa sähköä. Marcellus Jacobs keksi vuonna 1927 prototyypin, joka pystyi tuottamaan virtaa radiolle ja muutamalle lampulle mutta ei juuri muulle. Kun sähkön kysyntä myöhemmin kasvoi, Jacobsin pienet ja riittämättömät tuuliturbiinit jäivät pois käytöstä.
Ensimmäisen Yhdysvalloissa rakennetun suuren mittakaavan tuuliturbiinin suunnitteli Palmer Cosslett Putnam vuonna 1934; hän sai sen valmiiksi vuonna 1941. Kone oli valtava. Sen torni oli 36,6 jaardia (33,5 metriä) korkea, ja sen kahden ruostumattomasta teräksestä valmistetun lavan halkaisija oli 58 jaardia (53 metriä). Putnamin tuuliturbiini pystyi tuottamaan 1 250 kilowattia sähköä, mikä riittäisi pienen kaupungin tarpeisiin. Se kuitenkin hylättiin vuonna 1945 mekaanisen vian vuoksi.
1970-luvun öljynvientikiellon myötä Yhdysvallat alkoi jälleen kerran pohtia mahdollisuutta tuottaa halpaa sähköä tuulivoimaloilla. Vuonna 1975 Mod-O:n prototyyppi oli toiminnassa. Se oli 100 kilowatin turbiini, jossa oli kaksi 21 metrin (19 metrin) lapa. Prototyyppejä seurasi lisää (Mod-OA, Mod-1, Mod-2 jne.), joista jokainen oli edeltäjäänsä suurempi ja tehokkaampi. Tällä hetkellä Yhdysvaltain energiaministeriön tavoitteena on ylittää 3 200 kilowatin teho konetta kohti.
Tuulivoimaloista on olemassa monia erilaisia malleja, joista silmiinpistävin on pystyakselinen Darrieus, joka on kananmunan hakkaajan muotoinen. Kaupallisten valmistajien eniten tukema malli on kuitenkin vaaka-akselinen turbiini, jonka teho on noin 100 kilowattia ja jonka kolme lapa on enintään 33 jaardia (30 metriä) pitkä. Kolmen lavan tuuliturbiinit pyörivät tasaisemmin ja ne on helpompi tasapainottaa kuin kahden lavan turbiinit. Vaikka suuremmat tuuliturbiinit tuottavat enemmän energiaa, pienemmät mallit kärsivät harvemmin suurista mekaanisista vioista, joten niiden ylläpito on taloudellisempaa.
Tuulipuistoja on syntynyt eri puolille Yhdysvaltoja, erityisesti Kaliforniaan. Tuulipuistot ovat valtavia tuuliturbiiniryhmiä, jotka on sijoitettu suotuisille tuulentuotantoalueille. Suuri määrä toisiinsa kytkettyjä tuulivoimaloita on tarpeen, jotta voidaan tuottaa riittävästi sähköä huomattavan väestön tarpeisiin. Tällä hetkellä 17 000 tuulivoimalaa useiden tuulivoimayhtiöiden omistamissa tuulipuistoissa tuottaa vuosittain 3,7 miljardia kilowattituntia sähköä, mikä riittää tyydyttämään 500 000 kodin energiantarpeen.
Raaka-aineet
Tuulivoimala koostuu kolmesta perusosasta: tornista, konepellistä ja roottorin siivistä. Torni on joko sähkötornien kaltainen teräsristikkotorni tai teräsputkinen torni, jossa on sisäpuoliset tikkaat hyttiin.
Seuraavaksi asennetaan lasikuitukotelo. Sen sisäiset osat – päävetoakseli, vaihdelaatikko sekä lapojen kallistus- ja kallistussäätimet – kootaan ja asennetaan tehtaalla perusrunkoon. Sen jälkeen ohjaamokuori ruuvataan laitteiden ympärille. Työmaalla konepelti nostetaan valmiiseen torniin ja pultataan paikalleen.
Useimmissa torneissa ei ole vaijereita eli tukemiseen käytettäviä köysiä, ja useimmat tornit on valmistettu teräksestä, joka on suojapinnoitettu sinkkiseoksella, vaikka jotkin tornit maalataankin. Tyypillisen amerikkalaisvalmisteisen turbiinin torni on noin 80 jalkaa korkea ja painaa noin 19 000 kiloa.
Konepelti on vahva, ontto kuori, joka sisältää tuuliturbiinin sisäiset toiminnot. Tavallisesti lasikuidusta valmistettu konepelti sisältää pääkäyttöakselin ja vaihteiston. Se sisältää myös lapojen korkeussäädön, joka on hydraulinen järjestelmä, joka säätelee lapojen kulmaa, ja yaw-ajon, joka säätelee turbiinin asentoa tuuleen nähden. Generaattori ja elektroniset ohjauslaitteet ovat vakiovarusteita, joiden pääkomponentit ovat terästä ja kuparia. Tyypillinen nykyisen turbiinin hytti painaa noin 22 000 kiloa.
Materiaalien käyttö on monipuolisinta ja uusia materiaaleja kokeillaan eniten lapojen valmistuksessa. Vaikka kaupallisten tuuliturbiinien lapojen pääasiallisin materiaali on lasikuitu, jossa on ontto ydin, muita käytettyjä materiaaleja ovat kevyt puu ja alumiini. Puiset lavat ovat massiivisia, mutta useimmat lavat koostuvat kuoresta, joka ympäröi ydintä, joka on joko ontto tai täytetty kevyellä aineella, kuten vaahtomuovilla, hunajakennolla tai balsapuulla. Tyypillinen lasikuituterä on noin 15 metriä pitkä ja painaa noin 2 500 kiloa.
Tuulivoimaloihin kuuluu myös hyötykotelo, joka muuntaa tuulienergian sähköksi ja joka sijaitsee tornin juurella. Erilaiset kaapelit yhdistävät hyötykäyttökotelon tuulivoimalan konepeltiin, kun taas toiset kaapelit yhdistävät koko tuulivoimalan läheisiin voimaloihin ja muuntajaan.
Valmistusprosessi
Ennen kuin voidaan harkita yksittäisten tuuliturbiinien rakentamista, valmistajien on määriteltävä sopiva alue tuulipuistojen sijoittamista varten. Tuulen on oltava tasaista, ja sen nopeuden on oltava säännöllisesti yli 15,5 mailia tunnissa (25 kilometriä tunnissa). Jos tuulet ovat voimakkaampia tiettyinä vuodenaikoina, on suotavaa, että ne ovat suurimmillaan suurimman sähkönkäytön aikana. Esimerkiksi Kalifornian Altamont Passissa, jossa sijaitsee maailman suurin tuulipuisto, tuulen nopeus on korkeimmillaan kesällä, kun kysyntä on suurta. Joillakin Uuden-Englannin alueilla, joilla tuulipuistoja harkitaan, tuuli on voimakkainta talvella, jolloin
Lämmitys lisää sähköenergian kulutusta. Tuulipuistot toimivat parhaiten avoimilla, hieman kumpuilevilla alueilla, joita ympäröivät vuoret. Näitä alueita suositaan, koska tuuliturbiinit voidaan sijoittaa harjanteille, jolloin puut ja rakennukset eivät estä niitä, ja vuoret keskittävät ilmavirtauksen luoden luonnollisen tuulitunnelin, jossa tuulee voimakkaammin ja nopeammin. Tuulipuistot on myös sijoitettava lähelle sähkölinjoja, jotta sähkön siirto paikalliseen voimalaitokseen olisi helpompaa.
Rakennuspaikan valmistelu
- 1 Kaikkialla, minne tuulipuisto rakennetaan, tiet leikataan osien kuljettamista varten. Jokaisella tuulivoimalan sijoituspaikalla maa tasoitetaan ja alustan alue tasoitetaan. Tämän jälkeen maahan asennetaan betoniperustus, jonka jälkeen asennetaan maakaapelit. Nämä kaapelit yhdistävät tuulivoimalat toisiinsa sarjaan ja yhdistävät kaikki tuulivoimalat myös kauko-ohjauskeskukseen, jossa tuulipuistoa valvotaan ja sähkö lähetetään sähköyhtiölle.
Tornin pystyttäminen
- 2 Vaikka tornin teräsosat valmistetaan muualla tehtaassa, ne kootaan yleensä paikan päällä. Osat ruuvataan yhteen ennen pystytystä, ja torni pidetään vaakatasossa pystytykseen asti. Nosturi nostaa tornin paikoilleen, kaikki pultit kiristetään ja vakaus testataan sen valmistuttua.
Konepelti
- 3 Lasikuituinen konepelti, kuten torni, valmistetaan tehtaalla. Toisin kuin torni, se kootaan kuitenkin myös tehtaalla. Sen sisäiset osat – päävetoakseli, vaihdelaatikko sekä lapojen nousu- ja kallistussäädöt – kootaan ja asennetaan sitten perusrunkoon. Kotelo pultataan
Kunkin tuulivoimalan sähkökotelo ja tuulipuiston sähköinen viestintäjärjestelmä asennetaan samaan aikaan, kun tuulivoimalan kotelo ja lavat asennetaan. Kaapelit kulkevat tuulivoimalan konepelliltä sähkökeskukseen ja sähkökeskuksesta kauko-ohjauskeskukseen.laitteiden ympärillä. Työmaalla kuori nostetaan valmiiseen torniin ja pultataan paikalleen.
Pyörivät lavat
- 4 Alumiiniset lavat luodaan pulttaamalla alumiinilevyjä yhteen, kun taas puiset lavat veistetään niin, että niistä muodostuu aerodynaaminen potkuri, joka on poikkileikkaukseltaan samanlainen kuin lentokoneen siipi.
- 5 Ylivoimaisesti eniten lapoja muodostetaan kuitenkin lasikuidusta. Lasikuidun valmistus on työlästä. Ensin valmistetaan muotti, joka on simpukankuoren kaltainen kaksiosainen, mutta kuitenkin lavan muotoinen. Seuraavaksi muotin sisäpinnoille levitetään lasikuituhartsikomposiittiseos, ja muotti suljetaan. Tämän jälkeen lasikuituseoksen on kuivuttava useita tunteja, ja sen aikana muotin sisällä oleva ilmatäytteinen rakko auttaa terää säilyttämään muotonsa. Kun lasikuitumassa on kuivunut, muotti avataan ja rakko poistetaan. Terän lopulliseen valmisteluun kuuluu puhdistus, hionta, molempien puolikkaiden tiivistäminen ja maalaus.
- 6 Lavat kiinnitetään yleensä ruuveilla hyttiin sen jälkeen, kun se on asetettu torniin. Koska kokoonpano on helpompaa suorittaa maassa, toisinaan kolmiosaiseen terään pultataan kaksi terää ennen tornin nostamista ja kolmas terä pultataan paikalleen sen jälkeen, kun torni on asetettu paikalleen.
Ohjausjärjestelmien asennus
- 7 Kunkin tuulivoimalan kytkentäkotelo ja tuulipuiston sähköinen tiedonsiirtojärjestelmä asennetaan samaan aikaan, kun tuulivoimalan ohjauskehikko ja lavat sijoitetaan. Kaapelit kulkevat konepelliltä kytkentäkoteloon ja kytkentäkotelosta kauko-ohjauskeskukseen.
Laadunvalvonta
Toisin kuin useimmissa valmistusprosesseissa, tuulivoimaloiden tuotannossa laadunvalvonta on hyvin vähäistä. Koska tuulivoimaloiden massatuotanto on melko uutta, standardeja ei ole asetettu. Sekä hallitus että valmistajat pyrkivät nyt toteuttamaan toimia tällä alalla.
Vaikka käytössä olevien tuuliturbiinien luotetaan toimivan 90 prosenttia ajasta, niissä esiintyy edelleen monia rakenteellisia vikoja, erityisesti lapojen osalta. Halkeamia ilmenee joskus pian valmistuksen jälkeen. Kohdistus- ja kokoonpanovirheistä johtuvat mekaaniset viat ovat yleisiä. Sähköiset anturit vikaantuvat usein virtapiikkien vuoksi. Muut kuin hydrauliset jarrut ovat yleensä luotettavia, mutta hydrauliset jarrujärjestelmät aiheuttavat usein ongelmia. Suunnitelmissa on käyttää olemassa olevaa tekniikkaa näiden ongelmien ratkaisemiseksi.
Tuulivoimaloilla on säännölliset huoltosuunnitelmat vikojen minimoimiseksi. Ne tarkastetaan kolmen kuukauden välein, ja kuuden kuukauden välein on tarkoitus tehdä suuri huoltotarkastus. Tähän kuuluu yleensä liikkuvien osien voitelu ja vaihteiston öljytason tarkastus. Työntekijä voi myös testata sähköjärjestelmän paikan päällä ja huomata mahdolliset generaattoriin tai kytkentöihin liittyvät ongelmat.
Ympäristöhyödyt ja -haitat
Tuulivoimala, joka tuottaa sähköä ehtymättömistä tuulista, ei aiheuta saasteita. Vertailun vuoksi hiili, öljy ja maakaasu tuottavat yhdestä kahteen kiloa hiilidioksidia (päästö, joka edistää kasvihuoneilmiötä ja ilmaston lämpenemistä) tuotettua kilowattituntia kohden. Kun tuulienergiaa käytetään sähkötarpeisiin, riippuvuus fossiilisista polttoaineista vähenee. Tuulivoimaloiden nykyinen vuotuinen sähköntuotanto (3,7 miljardia kilowattituntia) vastaa neljää miljoonaa tynnyriä öljyä tai miljoonaa tonnia hiiltä.
Tuulivoimalat eivät ole täysin vapaita ympäristöhaitoista. Monet ihmiset pitävät niitä epäesteettisinä, varsinkin kun valtavia tuulivoimaloita rakennetaan koskemattomien erämaa-alueiden läheisyyteen. Lintujen tappoja on dokumentoitu, ja vilisevät lavat tuottavat melko paljon melua. Näitä vaikutuksia pyritään vähentämään muun muassa valitsemalla sijoituspaikkoja, jotka eivät sijaitse erämaa-alueiden tai lintujen muuttoreittien läheisyydessä, ja tutkimalla keinoja melun vähentämiseksi.
Tulevaisuus
Tuulivoimaloiden tulevaisuus voi vain parantua. Tuulivoiman potentiaali on suurelta osin hyödyntämättä. Yhdysvaltain energiaministeriö arvioi, että vuoteen 1995 mennessä voidaan saavuttaa kymmenkertainen määrä sähköä nykyiseen verrattuna. Vuoteen 2005 mennessä seitsemänkymmenkertainen tuotanto on mahdollista. Jos tämä toteutuu, tuulivoimaloiden osuus Yhdysvaltojen sähköntuotannosta olisi 10 prosenttia.
Nyt tehdään tutkimusta tuulivoimavarojen tuntemuksen lisäämiseksi. Tällöin testataan yhä useampia alueita, jotta tuulivoimaloita voitaisiin sijoittaa sinne, missä tuuli on luotettavaa ja voimakasta. Suunnitelmissa on lisätä koneen käyttöikää viidestä vuodesta 20-30 vuoteen, parantaa lapojen hyötysuhdetta, tarjota parempia ohjauslaitteita, kehittää käyttövoimajärjestelmiä, jotka kestävät pidempään, ja mahdollistaa parempi ylijännitesuojaus ja maadoitus. Yhdysvaltain energiaministeriö on hiljattain laatinut aikataulun uusimman tutkimuksen toteuttamiseksi, jotta voidaan rakentaa tuulivoimaloita, joiden hyötysuhde on nykyistä parempi. (Ihanteellisen tuuliturbiinin hyötysuhde on 59,3 prosenttia. Toisin sanoen 59,3 prosenttia tuulen energiasta voidaan ottaa talteen. Todellisessa käytössä olevien turbiinien hyötysuhde on noin 30 prosenttia). Yhdysvaltain energiaministeriö on myös tehnyt kolmen yrityksen kanssa sopimuksen siitä, että ne tutkivat tapoja vähentää mekaanisia vikoja. Tämä hanke alkoi keväällä 1992 ja ulottuu vuosisadan loppuun.
Tuulivoimalat yleistyvät tulevina vuosina. Maailman suurin tuuliturbiinien valmistaja, U.S. Windpower, suunnittelee laajentavansa 420 megawatin kapasiteetista (4 200 konetta) 800 megawattiin (8 000 konetta) vuoteen 1995 mennessä. Vuoteen 2000 mennessä se aikoo tuottaa 2 000 megawattia (20 000 konetta). Myös muut tuuliturbiinien valmistajat aikovat lisätä tuotantomääriä. Useista teollisuusmaista koostuvat kansainväliset komiteat ovat kokoontuneet keskustelemaan tuuliturbiinien mahdollisuuksista. Kehitysmaita pyritään myös varustamaan pienillä tuulivoimaloilla, jotka muistuttavat Marcellus Jacobsin 1920-luvulla rakentamia tuulivoimaloita. Tanska, joka tuottaa jo 70-80 prosenttia Euroopan tuulivoimasta, kehittää suunnitelmia tuulivoimaloiden valmistuksen laajentamiseksi. Vuosisadan vaihteessa pitäisi olla luvassa oikein sijoitettuja, tehokkaita, kestäviä ja lukuisia tuulivoimaloita.
– Rose Secrest