Tuulegeneraatorite pöörlemiskiirus sõltub mitmest tegurist. Need muutujad selgitavad, miks turbiinid töötavad erinevalt ja miks labade otsad võivad ulatuda kiirusteni kuni 320 km/h.
Tuulekiirus: Kuidas erinevad tuulekiirused mõjutavad turbiinide pöörlemist
Tuulekiirus mõjutab otseselt turbiinide pöörlemiskiirust. Suuremastaabilised tuulegeneraatorid vajavad elektri tootmiseks minimaalset algkiirust (cut-in) 3–4,5 m/s. Pöörlemiskiirus kasvab koos tuule kiirenemisega kuni turbiin saavutab oma nimikiiruse – tänapäevaste seadmete puhul on see tavaliselt 11–16 m/s.
Tugev tuul võib turbiine kahjustada, mistõttu on neil pidurisüsteemid. Enamik kommertsturbiine lülitub automaatselt välja, kui tuulekiirus ületab nn peatuskiiruse (cut-out), mis on umbes 25–29 m/s. Insenerid optimeerivad iga turbiini jõudluskõvera vastavalt seosele tuulekiiruse ja pöörlemise vahel.
Turbiini suurus: Suurte ja väikeste turbiinide võrdlus
Turbiini suurus mõjutab oluliselt pöörlemiskiirust. Üllatuslikult pöörlevad suured turbiinid aeglasemalt kui väiksemad. Väikesed majapidamises kasutatavad turbiinid (1–10 kW) pöörlevad tavaliselt 200–400 p/min, samas kui suuremad elektrivõrku ühendatud turbiinid (2–5 MW) töötavad vaid 10–20 p/min.
Suuremad turbiinid kompenseerivad aeglasemat pöörlemist pikemate labadega, mis püüavad rohkem tuult. Suurem pühitud pindala võimaldab neil aeglasemast pöörlemisest hoolimata toota rohkem energiat.
Freen turbiinid on kompaktsed, kuid pöörlevad aeglasemalt kui tavapärased väikesed turbiinid. Aeglane pöörlemine suurendab ohutust, vähendab müra ja pikendab tööiga, muutes need sobivaks paigaldamiseks kodude, aedade, talude ja elamurajoonide lähedusse. Tänu aeglasele pöörlemisele Freen turbiinid ohustavad vähem ka linde ning loovad minimaalset visuaalset häiringut, suurendades nende sobivust tundlikes keskkondades.
Labade pikkus ja pöörlemiskiirus
Labade pikkus on võtmetegur, mis määrab tuuleturbiini pöörlemiskiiruse. Füüsikaliselt on loogiline: pikemad labad peavad pöörlema aeglasemalt, et nende otste kiirus ei muutuks ohtlikuks.
Seda seetõttu, et laba ots liigub ühe pöördega palju pikema maa kui laba keskosad. Kaasaegsetel turbiinidel võivad labad olla üle 60 meetri pikad, seega isegi 15 p/min pöörlemiskiirusel liiguvad nende otsad peaaegu 320 km/h.
Insenerid piiravad pöörlemiskiirust järgmiste probleemide vältimiseks:
-
- Tsentrifugaaljõududest tingitud konstruktsioonikahjustused
- Liigne müratase
- Suurem oht lindudele ja nahkhiirtele
- Materjali kiiremini kulumine ja väsimus
Labade kuju järgib täiustatud aerodünaamilisi põhimõtteid, et püüda energiat tõhusalt ning hoida pöörlemiskiirus sobival tasemel turbiini suuruse ja asukoha jaoks.
Kui kiiresti tuuleturbiinid pöörlevad?
Tuuleturbiinide pöörlemiskiirus sõltub nende konstruktsioonist, suurusest ja eesmärgist. Suured turbiinid pöörlevad üllatavalt aeglaselt võrreldes väiksematega, kuid toodavad siiski tohutult energiat.
Pöörlemiskiirust mõõdetakse pöörete arvuga minutis (p/min). See erineb labaotsade liikumiskiirusest, mida väljendatakse km/h või m/s. Mõistmaks, kuidas turbiinid töötavad, tuleb arvestada mõlemat.
Suured turbiinid pöörlevad tavaliselt 10–20 p/min, kuid nende pikkade labade otsad liiguvad kuni 274 km/h. Näiteks 100-meetrise rootori puhul ja 15 p/min juures ulatub labaotsa kiirus 170 mph ehk 274 km/h.
Väikesed majapidamises kasutatavad turbiinid pöörlevad palju kiiremini: 50–500 p/min või isegi rohkem, kuid nende labade otsakiirus jääb väiksemaks.
Pöörlemiskiiruse määramisel tuleb arvestada:
-
- Mehaaniline koormus suureneb pöörlemiskiiruse kasvades
- Müra suureneb märgatavalt suurema kiirusega
- Tõhusus eeldab labade optimeeritud disaini kindla kiirusvahemiku jaoks
- Ajamikäigud peavad aeglase pöörlemise muundama elektritootmiseks sobivaks kiiruseks
Kaasaegsed turbiinid kasutavad muutuva kiirusega töötamist – mitte fikseeritud p/min. See võimaldab neil kohandada pöörlemist vastavalt hetke tuuleoludele, suurendades energiatootmise tõhusust ja ohutust. Optimaalsel tuulekiirusel saavutavad labad nn nimikiiruse, mis tagab maksimaalse väljundi.
Tuulegeneraatorite pöörlemiskiirust mõjutavad tegurid
Tuulegeneraatorid pöörlevad erineva kiirusega sõltuvalt mitmest tegurist. Need muutujad selgitavad, miks mõned turbiinid töötavad erinevalt ja miks labade otsad võivad ulatuda kuni 320 km/h.
Tuulekiirus: kuidas erinevad tuulekiirused mõjutavad pöörlemist
Tuulekiirus määrab otseselt turbiini pöörlemiskiiruse. Suuremastaabilised turbiinid vajavad elektritootmiseks minimaalset algkiirust 3–4,5 m/s. Tuulekiiruse kasvades kiireneb pöörlemine, kuni saavutatakse nimikiirus – tavaliselt 11–16 m/s.
Kui tuul muutub liiga tugevaks, võib see turbiini kahjustada. Seepärast kasutavad need seadmed pidurisüsteeme. Kui tuulekiirus ületab 25–29 m/s, lülituvad enamik kommertsturbiine automaatselt välja. Insenerid kohandavad iga mudeli võimsuskõverat vastavalt nendele parameetritele.
Turbiini suurus: suured vs väikesed turbiinid
Turbiini suurus määrab selle pöörlemiskiiruse. Suured turbiinid pöörlevad aeglasemalt kui väikesed. Väikesed (1–10 kW) koduturbiinid pöörlevad tavaliselt kiirusel 200–400 p/min, samas kui suure võimsusega seadmed (2–5 MW) vaid 10–20 p/min.
Pikemad labad võimaldavad aeglasemal pöörlemisel siiski suuremat energiasaaki tänu suuremale pühitud alale.
Labade pikkus ja pöörlemine
Labade pikkus on võtmetegur pöörlemiskiiruse määramisel. Pikemad labad liiguvad ühe pöördega pikema vahemaa, mistõttu nende kiirus peab jääma ohutusse vahemikku.
Näiteks 60+ meetri pikkused labad pöörlevad vaid 15 p/min, kuid nende otsad liiguvad peaaegu 320 km/h.
Suuremate turbiinide pöörlemiskiirust piiratakse järgmiste probleemide vältimiseks:
-
- Tsentrifugaalkoormusest tingitud konstruktsioonikahjustused
- Suurenenud müratase
- Rohkem lindude ja nahkhiirte hukku
- Materjalide kiirem väsimine
Labade kuju on disainitud vastavalt aerodünaamilistele põhimõtetele, et tagada efektiivne energiapüük sobiva pöörlemiskiiruse juures.
Kui kiiresti pöörlevad labade otsad?
Vormel-1 autod tunduvad kiired, kuid tuuleturbiinide labade otsad saavutavad sarnaseid või suuremaid kiirusi, isegi kui rootor liigub aeglaselt. Mida kaugemal labast, seda suurem distants tuleb igal pöördel läbida.
Tänapäeva suuremahuliste turbiinide labade otsad saavutavad 240–320 km/h normaalse töö ajal. Mõned mudelid jõuavad isegi 320 km/h tippkiirusel – kiiremini kui võidusõiduautod.
Labaotsa kiirus arvutatakse järgmiselt:
Vihje kiirus = (π × Diameeter × p/min) ÷ 60
Näiteks 120-meetrise rootori ja 15 p/min korral: (3,14159 × 120 × 15) ÷ 60 = 94,2 m/s ehk ~210 mph (~338 km/h)
Need kiirused tekitavad mitmeid tehnilisi väljakutseid: müra, erosioon vihma ja tolmuosakeste tõttu, ning tohutu tsentrifugaalne pinge. Lahenduseks on kerged, kuid vastupidavad komposiitmaterjalid, spetsiaalsed kattekihid ja labade kaitsed. Paljud turbiinid piiravad teadlikult oma maksimumkiirust u. 320 km/h.
Väikesed koduturbiinid pöörlevad kiiremini, kuid nende labade otsakiirus jääb madalamaks tänu lühematele labadele – näiteks 2 m labad ja 300 p/min annavad ~113 km/h.
Kas tuuleturbiinid saavad pöörata mõlemas suunas?
Kaasaegsed turbiinid kasutavad keerulisi suunamissüsteeme, kuid enamik kommertsturbiine pöörleb ainult ühes suunas, erinevalt muudest pöörlevatest seadmetest.
Tuule suunamise mehhanism
Horisontaalteljelised turbiinid (HAWT) pöörlevad vaid ühes suunas – tavaliselt päripäeva, kui vaadata vastutuult. See optimeerib labade aerodünaamikat, generaatori tõhusust ja konstruktsiooni. Yaw-mehhanism pöörab gondlit tuule suunas, et tagada maksimaalne energiatootlikkus.
See pööramine toimub elektriliste või hüdrauliliste mootorite abil ning võtab täis 360° pöördeks tavaliselt 10–15 minutit. Turbiin toodab sel ajal siiski elektrit, kuigi vähenenud tõhususega.
Vertikaalteljelised väikesed turbiinid
Vertikaalteljelised tuuleturbiinid (VAWT), näiteks Darrieus ja Savonius tüüpi, töötavad erinevalt: labad pöörlevad ümber vertikaalse telje ning saavad kasutada tuult igast suunast ilma ümberpööramist vajamata.
Nad pöörlevad ühe suuna suhtes, olenemata tuule suunamuutustest. See omadus muudab need sobivaks linnakeskkonda ja muude keeruliste tuuleoludega piirkondadesse.
Tuuleturbiinid suudavad seega tuult püüda kas suunamise (HAWT) või mitmesuunalise disaini kaudu (VAWT) ning säilitavad pöörlemise suuna.
Mis juhtub, kui tuuleturbiin pöörleb liiga kiiresti?
Liigne pöörlemiskiirus võib tuuleturbiine tõsiselt kahjustada. Seetõttu on neil arenenud turvasüsteemid, mis väldivad ülekiirusest tingitud rikkeid. Tormised ilmastikutingimused ja tugevad tuuleiilid võivad sundida turbiine tööle üle lubatud piiride.
Liigse kiiruse ohud ja turvasüsteemid (väljalõige kiirus)
Tootjad varustavad turbiinid mitmete kaitsemehhanismidega, et vältida ohtlikke olukordi. Peamine neist on nn cut-out kiirus – tavaliselt umbes 25 m/s. Kui see piir ületatakse, lülitub turbiin automaatselt välja, sest kahjustuste oht ületab võimalikku energiatulu.
Enamik suuremõõdulisi turbiine kasutab kolme tüüpi pidurisüsteeme:
-
- Aerodünaamiline pidurdamine – Labade kaldenurka muudetakse, et vähendada tõstejõudu ja pöörata need tuule eest kõrvale
- Mekaanilised ketaspidurid – Töötavad nagu autodel ja peatavad rootori hädaolukorras füüsiliselt
- Yaw-süsteem – Pöörab turbiini eemale tuule suunast, et vähendada konstruktsioonile mõjuvaid jõude
Tark juhtimissüsteem jälgib pöörlemiskiirust reaalajas ja aktiveerib kiiresti kaitsemeetmed, kui kiirus ületab lubatud piiri.
Kuidas tuuleturbiin pöörlema hakkab?
Tuulegeneraatorid käivituvad erinevalt autodest – neil pole süütesüsteemi, vaid nad sõltuvad looduslikest jõududest.
Tuule käivitumise protsess madalatel tuulekiirustel
Turbiin hakkab pöörlema, kui tuul saavutab nn algkiiruse (cut-in). Tavaliselt on see 4–5 m/s. Alla selle jäädes on tiivik „sulgasendis” ega liigu.
Kui gondli anemomeeter tuvastab piisava ja stabiilse tuule, algatatakse käivitusseeria: vabastatakse rootori ja yaw-süsteemi pidurid, labade kaldenurk viiakse optimaalsele nullkraadisele asendile ning tuul hakkab rootorit pöörama.
Süsteem peab ületama mitmed takistused:
-
- Generaatori elektromagnetiline vastupanu
- Laagrite ja ülekandesüsteemi mehaaniline hõõrdumine
- Rootori inerts
Juhtimissüsteem jälgib pidevalt tuulekiirust, suunda, rootori pöörlemist ja alamseadmete tööd, et tagada ohutus.
Käivitusmehhanismid ja minimaalsed tuulekiirused
Igal turbiinitüübil on erinevad miinimumnõuded. Kommertsturbiinid vajavad üldiselt 4–5 m/s. Mõned täiustatud koduturbiinid hakkavad pöörlema juba 2 m/s juures, kuid toodavad siis vähe energiat.
Kodused süsteemid töötavad kõige paremini 4,5–7 m/s pideva tuule korral. Horisontaalteljelised väikesed turbiinid vajavad paigalduskohti, kus aastakeskmine tuulekiirus ületab 5 m/s.
Insenerid keskenduvad eriti käivitusraskuste lahendamisele – eriti vertikaalteljeliste turbiinide (VAWT) puhul, mis ei suuda end ise madala tuulega pöörlema panna. Uued disainilahendused (nt painduvad labade otsad või sekundaarsed rootorid) aitavad seda probleemi leevendada.
Kui turbiin saavutab miinimumkiiruse, ühendub generaator elektrivõrguga ja hakkab tootma elektrit. Pöörlemiskiirus tõuseb seejärel järk-järgult.
Miks kiirus ei tähenda alati rohkem energiat
Seos tuulekiiruse ja energiatootmise vahel ei ole lineaarne. Tuuleturbiinid töötavad optimaalses vahemikus, kus saavutatakse parim tasakaal tõhususe ja ohutuse vahel.
Võimsuskõvera selgitus
Võimsuskõver näitab, kuidas tuulekiirus seondub turbiini väljundvõimsusega. Graafik algab algkiirusest (cut-in), mis on tavaliselt 4–5 m/s. See on minimaalne kiirus, mis suudab ületada hõõrde- ja inertsijõud ning toota elektrit.
Pärast seda kasvab väljund kiiresti – sageli vastavalt tuulekiiruse kuubile. See kasv jätkub kuni nimikiiruseni (12–15 m/s), kus saavutatakse maksimaalne võimsus.
Peale nimikiiruse tootmine ei kasva – labade kaldenurka muudetakse automaatselt, et hoida tootmine stabiilsena ja mitte koormata mehhanismi üle.
Ohutuspiirid ja katkestamispunktid
Turbiinidesse on sisse ehitatud cut-out süsteemid, mis lülitavad seadme välja, kui tuul ületab 25 m/s. See hoiab ära komponentide kahjustamise.
Kaitsemehhanismid sisaldavad:
-
- Labade sulgemine (feathering)
- Mekaanilised pidurid
- Täielik väljalülitusprotokoll
Kuigi turbiinid toodavad elektrit 70–85% ajast, saavutatakse aastane tootlikkus vaid 24% maksimaalsest (merel ~41%) – põhjuseks on tuulekiiruste muutlikkus.
Aeglaselt pöörlevad tuuleturbiinid
Aeglasel pöörlemisel põhinevad disainipõhimõtted toovad tuuleenergia sektorisse rea eeliseid. Kaasaegsed mudelid näitavad, kuidas vähem kiirust võib tähendada rohkem stabiilsust ja väiksemat mõju.
Freen-20
Freen-20 on murranguline vertikaalteljeline tuuleturbiin. See Eesti toode pöörleb maksimaalselt vaid 108 p/min, mis on oluliselt aeglasem kui teistel sarnastel mudelitel. See toodab 20 kW energiat ja tõestab, et aeglane pöörlemine võib olla tõhus.
Sellel on Darrieus tüüpi rootor üheksa labaga, mis on jaotatud kolme tiivapaarina. Disain tagab madala mürataseme – 45 dB 100 meetri kaugusel. Sobib ideaalselt elamupiirkondadesse.
Freen-20 aeglane pöörlemine aitab paremini kaitsta loodust – see on oluline argument taastuvenergia keskkonnamõjude vähendamisel.
Freen-6
Freen-6 järgib sama disainifilosoofiat väiksemas vormis, tootes 6 kW. Töötab tuulekiirustel alates 3,5 m/s kuni 17 m/s. See näitab, kui hästi töötab aeglane pöörlemine ka väiksemas mastaabis.
Need aeglaselt pöörlevad turbiinid on vaiksemad, ohutumad loodusele ja stabiilsemad – kiirus ei ole alati energia saladus.
