Tuntuu siltä, että joka viikko esitellään uusi tuuligeneraattori-innovaatio, joskus teknologiablogeissa, joskus televisiopätkissä, kerran jopa TED-talkissa. Ne kaikki väittävät olevansa parempia kuin meille tutuimmat ikoniset kolmilapaiset vaaka-akseliset tuuliturbiinit. Mikä on siis tehokkain malli tuulienergian talteenottoon? Jos kumpaankin malliin kohdistuisi vakioitu tuulilähde ja kussakin mallissa olisi sama pinta-ala (lapojen, aerokelojen tai muiden komponenttien osalta), mikä tuottaisi eniten sähköä samassa ajassa?
Lyhyt vastaus
Nykyaikainen vaaka-akselinen, kolmilapainen tuuliturbiini tuottaisi eniten sähköä. Vaihtoehtoisten tekniikoiden väitteisiin paremmasta suorituskyvystä, joihin liittyy investointipyyntöjä, on suhtauduttava erittäin epäilevästi.
Pitkä vastaus
Tuulivoiman potentiaalinen enimmäistuotanto määräytyy Betzin lain mukaan (tunnetaan myös nimellä Betzin raja). Betz laski, että maksimiteho, joka voidaan saada tuulesta, on 59,3 % sen kokonaisenergiasta.
Kolmelapaiset vaaka-akseliset tuuliturbiinit
Pystysuorat-akseliset tuuliturbiinit, joissa on aerodynaamiset lavat
Kaapeloitu, Lentävät tuuligeneraattorit (tällä hetkellä vain prototyypit ja renderöinnit)
Horizontal-eri tyyppiset tuuligeneraattorit, joiden lavat eivät sisällä aerodynaamista komponenttia
Pystysuuntainen- tai suihkumoottoreita, joissa on suuret suppilot, kartiot, joissa on männät (Saphonian ) tai korkkiruuvit
Tornit, jotka käyttävät passiivista auringonlämmitystä pohjan ympärillä luodakseen voimakkaat tuulet, jotka virtaavat tornia ylöspäin ohi tornin sisällä pyörivien tuuliturbiinien lapojen
Millainen on heidän sijoituksensa?
Tänä päivänä sähköä tuottaa yli 300 000 kolmilapaista vaaka-akselista hyötytuulivoimalaa. Ne ovat voittava tuotantomuoto, koska ne ovat tehokkaimpia. Syyt on helppo selittää:
Aerodynaamiset lavat lisäävät nostoon liittyvän voiman komponentin, joka ajaa lavan nopeammin. Tämä on merkittävä etu tuulimyllyihin verrattuna, olivatpa ne sitten vaaka- tai pystyakselisia. Mikä tahansa jopa asianmukaisesti suunniteltu tuuliturbiini, jossa on aerodynaamiset lavat, tuottaa aina enemmän sähköä kuin paras generaattori, jossa ei ole aerodynaamista nostetta energian talteenoton komponenttina.
Kolmelapaisen rakenteen lavat lentävät aina puhtaan ilman läpi. Edellisen lavan läpikulun aiheuttama turbulenssi on kulkeutunut myötätuuleen, kun seuraava lapa ohittaa saman kohdan. Pystyakseliset tuuliturbiinit, riippumatta siitä, ovatko ne lapa- vai pelkkää vetoa käyttäviä, lentävät huomattavan osan ajasta turbulenttisen ilman läpi. Puhdas ilma antaa kolmilapaisille HAWT-tuulivoimaloille huomattavan edun.
Kolmalapaisen rakenteen lavat ovat aina optimaalisessa kulmassa vastaantulevaan tuuleen nähden. Aerodynaamisesti siivekkäät pystyakseliset tuuliturbiinit muuttavat lapojensa kulmaa vastaantulevaan tuuleen nähden jatkuvasti pyöriessään, ja vain osa parhaistakin malleista on optimaalisessa kulmassa tiettynä ajankohtana. HAWT-tuulivoimaloiden lapojen suuntaaminen vastaantulevaan ilmaan vaatii vähäpätöisen määrän energiaa tähän etuun verrattuna. Savonius-tuuligeneraattorit (jotka on nimetty suomalaisen insinöörin mukaan, joka loi yleisen muunnoksen vuonna 1922) ovat vieläkin huonompia, sillä ne keräävät tuulta koverassa osassa puolet pinta-alastaan ja hylkäävät tuulta kuperassa osassa, mistä aiheutuu vetovastusta ja ylimääräistä turbulenssia toisella puolella pinta-alasta. (Analysoin erään pienyrityksen mahdollista investointia mikrotuotantokykyyn ja huomasin, että keksijä oli luonut viisi ”innovaatiota” Savoniuksen peruslähtökohdan ympärille, jotka veivät sen halvasta, vähäiseen kastelukäyttöön riittävästä energiantuotantomuodosta erittäin kalliiksi, vähäiseen kastelukäyttöön riittäväksi energiantuotantomuodoksi). Kontekstin vuoksi tässä on vanhasta muovitynnyristä ja romupuusta tehty kustannustehokas Savonius-kastelutuulimylly.
Kolmen siiven tuulimylly skaalautuu hyvin. Yksi suurimmista eduista on se, että erittäin korkeaan torniin voidaan asentaa erittäin suuri lapasarja ja kerätä paljon tuulta sen kohdan yläpuolella, jossa tuuli hidastuu kosketuksesta maahan.
Monia ”innovatiivisia” malleja on ehdotettu, joissa käytetään jonkinlaista Venturi-ilmiötä yhdessä turbiinien roottoreiden kanssa, mutta perustavanlaatuisena ongelmana on se, että riittävän tuulen keräämiseksi ulkokuori on skaalattava niin suureksi, että painosta ja materiaalikustannuksista tulee mahdottomia. Ulkokuoren on oltava vähintään halkaisijan neliön suuruinen ja todennäköisesti suurempi. 3 MW:n tuuliturbiini, jonka lavat ovat 80 metriä pitkät, voi ottaa talteen osan 20 096 neliömetrin ilmamäärän energiasta. Tämän mittakaavan Venturi-kuoren ympärysmitta olisi 251,2 metriä, sen olisi todennäköisesti oltava vähintään 10 metriä leveä, ennen kuin havaittavia vaikutuksia alkaisi syntyä, ja se painaisi valtavasti.
Muut ”innovatiiviset” suunnitelmat lennättävät tuulta kerääviä laitteita jollain tavalla – ilmalaivan kuorella varustettuja turbiinien siipiä, turbiinien kanssa varustettuja kehikoita, turbiinien kanssa varustettuja leijoja – tuuleen, joka puhaltaa tasaisempaan tuuleen ja on korkeammalla maanpinnasta. Ongelmana on, että nämä törmäävät jatkuvasti mittakaavan rajoihin. Ilmalaivan kuorellisella tuuligeneraattorilla alkaa olla jäykkyysongelmia jo kauan ennen kuin se pääsee yleishyödylliseen tuotantoon. Lentävät leijat, joissa on lavat, alkavat vaatia massiivisia ja hyvin pitkiä kaapeleita, jotta ne kestävät voimat. Yleensä nämä prototyypit ovat hyvin mielenkiintoisia eivätkä koskaan tule markkinoille. Kaikki ne alkavat vaatia massiivisia maa-asennuksia, joissa on poikkeuksellisen suuret vinssit, kun halutaan yleishyödyllisen tuotannon tasoa. Kun aletaan ajatella laivanhawserin vahvuustasoja kerrottuna kilometrien pituisilla kaapeleilla, aletaan ymmärtää, että pelkkä kaapelin paino ja kustannukset tulevat kohtuuttomiksi millään käyttökelpoisella sähköntuotantotasolla.
Kolmen terän voimalaitokset vain istuvat samassa paikassa ison pylvään päällä, kun ne tuottavat sähköä. Tämä on erittäin tehokasta, mikä on yksi syy siihen, että ne maksavat rakentamiseen käytetyn energian takaisin nopeammin kuin mikään muu sähköntuotantomuoto. Eräs tuulipuisto Australiassa tuotti vuoden aikana 302 kertaa enemmän sähköä kuin mitä niiden käynnistämiseen, jarruttamiseen ja kääntämiseen käytettiin. Vertaa tätä lentävän tuuliturbiinin vaatimuksiin, joka on raahattava paikalle, kun tuuli ei puhalla, käynnistettävä, kun tuuli alkaa, ja jonka raskas, mahdollisesti kilometrien pituinen kaapeli on säädettävä säännöllisesti tuotannon maksimoimiseksi.
Oheinen kaavio on E. Hau. 2006 ilmestyneestä kirjasta Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Saksa. 2006. Tämä ei ollut vielä tuolloinkaan mikään uusi uutinen, vaan vain itsestään selvä toteamus, joka tulisi sisällyttää oppikirjoihin.
Aurinkotuulivoiman torni, jossa on turbiinien lavat, on lähimpänä mielenkiintoista tekniikkaa, mutta sen huoltoa ei kuitenkaan koskaan tutkita. Turbiineja kuvitellaan usein pinottavan 3-7 tai useampia vaakasuoraan tornin pituussuunnassa. Vaihtoehtoisesti paljon pienemmät turbiinit on sijoitettu tornin juuren ympärille laajasta lasirakenteesta johtaviin tunneleihin. Ne toimivat erittäin kuumassa tuulessa, joka on todennäköisesti 45 celsiusastetta tai korkeampi ja jonka nopeus on 50 km/h tai korkeampi. Laite on käytännössä konvektiouuni, joka paistaisi ihmisen lyhyessä ajassa. Työskentely tornin sisällä edellyttäisi jäähdytyspukuja ja hengityslaitteita, jos se olisi tuulennopeuden vuoksi ylipäätään mahdollista. Turbiinin pään tai lapojen irrottaminen tornista niiden huoltamiseksi olisi poikkeuksellinen työ. Tuulensyötön sulkeminen edellyttäisi porttien sulkemista halkaisijaltaan viiden kilometrin säteellä.
Katsokaa aiheeseen liittyvää postaustani Sijoita huolella; tuulienergian ”innovaatiot” ovat harvoin kosheria kysymyksiä, joita kannattaa kysyä mistä tahansa innovatiivisesta tuulivoimatuotannosta, varsinkin jos joku pyytää sinua sijoittamaan siihen rahaa.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Miksi pystyakseliset tuulivoimalat eivät ole suositumpia?
Ovatko ilmatuulivoimalat uskottava halvan energian lähde?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
Tuulivoimalat maksavat takaisin ympäristöön kohdistuvan ’velan’ kokonaisuudessaan alle kuudessa kuukaudessa
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
Paul Gipe’n erinomaista materiaalia tuulivoimatuotannon taloustieteellisistä näkökohdista,
