Võid mõelda, kui palju elektrit tuuleturbiin tegelikult toodab. Üks maismaal asuv 2–3 megavatist tuuleturbiin suudab aastas toota umbes 6 miljonit kilovatt-tundi (kWh) elektrit. Sellest piisab ligikaudu 1 500 keskmise majapidamise varustamiseks [-3][-4]. GE hiiglaslik 13 MW mereturbiin Haliade-X näitab veelgi muljetavaldavamaid tulemusi – üks tiiviku pööre võib toita Suurbritannia majapidamist üle kahe päeva.
Tuuleturbiinide elektritoodang varieerub suuresti sõltuvalt nende suurusest, asukohast ja ilmastikutingimustest. Merel paiknevad turbiinid on tavaliselt efektiivsemad kui maismaal asuvad, ning keskmine mereturbiin suudab varustada rohkem kui 3 312 majapidamist. Tuuletalud koondavad mitmeid suuri turbiine ühte piirkonda ja suudavad toota muljetavaldavat elektrienergiat – mõnes rajatises ulatub aastane toodang kuni 300 000 MW-ni.
Käesolevas artiklis süveneme, kuidas tuuleturbiinid efektiivselt töötavad, kuidas nad muudavad tuule elektriks ning milles seisneb erinevus igapäevase ja aastase tootlikkuse vahel. Uurime erineva suurusega turbiinide võimalusi – alates kodustest lahendustest kuni tööstuslike hiiglasteni. Tuuleturbiinide tööpõhimõtted ja toodang on tänapäeval väga olulised. See teadmine on väärtuslik nii neile, kes kaaluvad investeerimist tuuleenergiasse, kui ka neile, kes soovivad paremini mõista taastuvenergia rolli muutuvas maailmas.
Nimivõimsus vs tegelik energiatoodang
Tuuleturbiini toodetud elektri kogus sõltub sellest, kui hästi mõistetakse erinevust nimivõimsuse ja tegeliku energiatoodangu vahel.
Mis on tuuleturbiini nimivõimsus?
Tuuleturbiini nimivõimsus näitab selle maksimaalset elektrivõimsust kilovattides (kW) või megavattides (MW). See näitaja vastab olukorrale, kus tuulekiirus jääb vahemikku 12–16 m/s ja tingimused on ideaalsed. Tootjad kasutavad seda näitajat sageli oma turbiinide kirjeldamiseks, kuid see võib olla eksitav tegeliku jõudluse osas.
Tuuleturbiinid ei tööta nagu traditsioonilised elektrijaamad. Nad saavutavad oma nimivõimsuse ainult siis, kui tuulekiirus ulatub õigele tasemele – tavaliselt umbes 10–12 m/s. Seega tuleks turbiine võrreldes vaadata kaugemale nimivõimsusest ja süveneda nende täielikesse võimsuskõveratesse.
Võimsuskõver ja käivitumiskiirus
Võimsuskõver näitab, kuidas turbiin erinevate tuulekiiruste juures toimib, andes realistlikuma ülevaate. Kõveral on neli peamist osa:
-
- Alla käivitumiskiiruse: Turbiin ei tooda elektrit enne, kui tuulekiirus ulatub 6–9 miili tunnis (mph).
- Käivitus- ja nimikiiruse vahel: Elektritoodang suureneb kiiresti vastavalt kuubilisele seosele tuulekiirusega.
- Nimikiirusel: Turbiin saavutab maksimaalse ehk nimivõimsuse.
- Üle seiskamiskiiruse: Turbiin peatub automaatselt ohutuse tagamiseks, kui tuulekiirus ületab 55 mph.
Käivituskiirus on oluline punkt, millest alates labad hakkavad pöörlema ja toodetakse elektrit. Erinevatel turbiinimudelitel on erinevad käivituskiirused, kuid need jäävad tavaliselt vahemikku 6–9 mph.
Miks nimivõimsus ei tähenda pidevat väljundit
Muljetavaldavad nimivõimsuse näitajad ei kajasta tegelikku tööd. Tegelik kasutegur (võimsustegur) ulatub maismaal umbes 23%-ni, rannikul 28%-ni ja merel 43%-ni. Seda seetõttu, et ideaalsed tuuleolud ei kesta kaua.
Tuulekiirus ja elektritootmine on seotud mittelineaarselt. Kui tuulekiirus kahekordistub, suureneb toodang kaheksakordselt. Seetõttu mõjutavad väikesedki muutused tuules märkimisväärselt väljundit. Tippvajadus elektrile ei kattu alati parimate tuuleoludega.
Eksperdid soovitavad vaadata võimsustegurit, mis näitab tegeliku toodangu suhet maksimaalsesse võimalikku toodangusse nimivõimsuse põhjal. USA tuuleturbiinide keskmine võimsustegur jääb vahemikku 32–34%.
Kuidas tuulekiirus ja kõrgus mõjutavad elektritootmist
Tuuleturbiini toodetud elektri hulk sõltub oluliselt turbiini kõrguse ja tuulekiiruse suhtest.
Tuulekiirus suureneb kõrgusega
Mida kõrgemale maapinnast minna, seda kiiremini tuul puhub – seda nähtust nimetatakse tuulesihvaks (wind shear). See tekib seetõttu, et maapinna objektid nagu taimestik, hooned ja pinnavormid tekitavad hõõrdumist, mis aeglustab õhu liikumist. Kõrgemal liigub õhk takistusteta ja kiiremini.
Tuulesihv järgib kindlaid matemaatilisi mustreid, mida kirjeldavad logaritmiline ja võimsusseaduse profiil. Maastiku karedus kujundab vertikaalse tuuleprofiili. Siledad pinnad nagu avatud vesi või tasane rohumaa loovad sujuvama sihvikõvera. Linnad ja metsad põhjustavad järsemaid kiirusekasve kõrguse suurenemisel.
Rootori kõrguse mõju toodangule
Rootori kõrgus – kaugus maapinnast rootori keskpunktini – on ajas märkimisväärselt kasvanud. Maismaa tuuleturbiinide keskmine rootori kõrgus on alates 1998–1999. aastast suurenenud 83%. Tänapäeva turbiinide keskmine kõrgus oli 2023. aastal 103,4 meetrit. Mereturbiinide puhul oodatakse tõusu 100 meetrilt 2016. aastal kuni umbes 150 meetrini 2035. aastaks.
Need kõrguse tõusud mõjutavad elektritootmist oluliselt. Tuuleenergia suureneb tuulekiiruse kuubiga – kui tuulekiirus kahekordistub, kasvab toodang kaheksakordselt. USA Riikliku Taastuvenergia Labori uuring näitas, et rootori kõrguse tõstmine 80 meetrilt 120 meetrile suurendas toodangut 10–15%. Iga 10-meetrine kõrguse lisamine võib parandada toodangut 2,5% võrra.
Tuulekaardid ja asukohavalik
Õige asukoha valik on ülioluline tuuleturbiini elektritootmise seisukohalt. Tuulekaardid näitavad olulisi andmeid erinevatel kõrgustel (10 m, 50 m, 100 m, 150 m, 200 m). Kommertsiaalselt tasuvad kohad algavad keskmise aastatuulekiirusega 6,5 m/s 80 meetri kõrgusel.
Arendajad kasutavad digitaalseid tuulekaarte, mis kuvavad korraga nii tuuleressursse kui ka elektrivõrgu taristut. Iga potentsiaalne asukoht vajab enne paigaldamist 2–3 aastat andmekogumist. Keerulise reljeefiga alad võivad vajada ühte meteoroloogilist mõõtepunkti iga 3–5 turbiini kohta. Ühtlasema maastikuga piirkonnad saavad hakkama väiksema mõõtepunkte arvuga.
Energiatoodangu arvutamine: päevane, kuine ja aastane
Tuuleturbiini toodangut mõõdetakse erinevatel ajaperioodidel. Tuulemustrid ja turbiini tehnilised omadused aitavad määrata realistlikke tootlikkuse ootusi.
Kui palju elektrit toodab tuuleturbiin päevas?
Tuuleolud muutuvad päeva jooksul, mõjutades päevast tootmist. Arvutus tehakse korrutades igale tuulekiirusele vastava väljundi selle kestvusega. Näiteks turbiin, mis toodab 6 m/s juures 24,7 kW ja töötab sel kiirusel 4 tundi, toodab 98,8 kWh.
Tüüpiline päev muutuvate tuulekiirustega võib anda järgmised tulemused:
-
- 6 m/s 4 tundi = 98,8 kWh
- 8 m/s 8 tundi = 469,6 kWh
- 12 m/s 5 tundi = 473,5 kWh
- 15 m/s 4 tundi = 376,8 kWh
- 16 m/s 3 tundi = 278,7 kWh
Kokku umbes 1 697,4 kWh ühes päevas.
Kui palju elektrit toodab tuuleturbiin aastas?
Aastane toodang annab parema ülevaate turbiini jõudlusest kui üksik päev. Enamus maismaa 2–3 MW turbiine toodavad aastas umbes 6 miljonit kWh. Sellest piisab ligikaudu 1 500 kodu jaoks.
Nimipõhise aastase toodangu (Rated Annual Energy) standard mõõdab aastatoodangut keskmise tuulekiiruse 5 m/s (11,2 mph) juures. Esmaseks hinnanguks kasutatakse järgmist valemit:
AEO = 0,01328 × D² × V³
AEO tähendab aastast toodangut (kWh/aasta), D tähistab rootori läbimõõtu (jalgades), ja V on keskmine aastatuulekiirus (mph).
Toodangu hindamine võimsusteguri abil
Kiireim viis realistliku toodangu prognoosimiseks on kasutada võimsustegurit. See protsent näitab, kui tõhusalt turbiin töötab võrreldes selle nimivõimsusega.
Võimsustegur = tegelik toodang / maksimaalne võimalik toodang
95 kW turbiini maksimaalne võimalik aastane toodang on 832 200 kWh (95 kW × 8 760 tundi). Kui tegelik toodang on 250 000 kWh, on võimsustegur 30%.
USA tuuleturbiinide keskmised võimsustegurid on 32–34%. Aastatel 2013–2021 rajatud projektid jõudsid 40%-ni. Mereturbiinide uued mudelid ületavad juba 60% võimsusteguri taseme.
Kuidas tuuleturbiin toodab elektrit
Tuuleturbiinid muudavad liikuva õhu kineetilise energia elektrienergiaks läbi mehaaniliste ja elektriliste protsesside.
Protsess algab, kui tuul tabab turbiini labasid. Need labad on aerodünaamiliselt kujundatud nagu lennuki tiivad või kopteri rootorid. Õhuvool tekitab rõhkude erinevuse laba eri külgedel. Tõste- ja takistusjõudude koosmõjul hakkab rootor pöörlema, kusjuures tõstejõud on tugevam.
Keskne rumm ühendab labad ja moodustab rootorikomplekti, mis muundab tuule kineetilise energia mehaaniliseks pöörlemiseks. See liikumine kandub edasi võllile, mis asub gondlis – labade taga asuvas kastikujulises korpuses.
Mehaaniline energia liigub edasi kahel viisil. Traditsioonilistes süsteemides ühendatakse võll käigukastiga, mis suurendab labade aeglase pöörlemise (5–25 p/min) kiirust generaatori jaoks vajalikule 1 000–2 000 p/min tasemele. Kaasaegsetes otseajamiga turbiinides puudub käigukast ja generaatorid töötavad vahemikus 5–2 000 p/min.
Magnetid ja vaskmähised generaatoris loovad liikumisel üksteise suhtes elektromagnetilise induktsiooni, mille tulemusel tekib elektrivool. See põhimõte kehtib kogu elektritootmise juures – vool tekib, kui mehaaniline pöörlemine toimub magnetväljas.
Toores elektrienergia juhitakse mööda kaableid läbi torni trafoni. See oluline komponent kohandab pingetaseme vastavaks riikliku elektrivõrgu nõuetele. Suuremahulised tuulepargid ühendavad mitu turbiini alajaama kaudu enne võrku suunamist.
Arvutisüsteemid jälgivad tuuleolusid ja kohandavad turbiini suunda parima tootlikkuse saavutamiseks. Enamik turbiine alustab elektritootmist 10 km/h juures ja lülituvad automaatselt välja, kui tuulekiirus ületab 90 km/h.
Tüüpilised turbiinisuurused ja toodang – näited
Tuuleturbiine toodetakse erineva suurusega vastavalt vajadustele. Alljärgnevad näited näitavad tüüpilist toodangut eri suurusega turbiinide puhul tavatingimustes.
6 kW koduturbiini toodang
Koduturbiinid on hea viis taastuvenergia saamiseks eramutele ja väiksematele kinnistutele. Freen’i 6kW turbiin toodab keskmise tuulekiiruse 6–7 m/s juures aastas 9 000–13 000 kWh. Sellest piisab umbes 75% tavalise majapidamise vajaduste katmiseks.
15 kW turbiini toodang
Suuremad 15kW turbiinid sobivad paremini suurematele kinnistutele või väikestele ettevõtetele. Freen’i 15kW mudel annab aastas 28 000–70 600 kWh, sõltuvalt asukohast. Sellest piisab mitme kodu varustamiseks.
1 MW turbiini toodang
Suured kommertstuulepargid kasutavad 1MW turbiine. Tüüpiline 1MW tuuleturbiin toodab aastas umbes 3 miljonit kWh elektrit.
Kui turbiin töötab kogu aeg täisvõimsusel, toodab see tunnis 1 MWh energiat. Tegelik võimsustegur jääb tavaliselt vahemikku 25–40%. Seega on aastane tootmine keskmiselt 2,2–3,5 miljonit kWh, võrreldes teoreetilise maksimumiga 8 760 MWh.
Päevane ja aastane elektritoodang
Tuuleturbiinide elektritoodang varieerub ajas. Võimekus on märkimisväärne – näiteks püstitas maailma suurim tuuleturbiin 2023. aasta septembris rekordi. Taifuuniga Kagu-Hiinas tootis see muljetavaldavad 384,1 MWh elektrit vaid ühe päevaga – piisav, et katta 170 000 majapidamise vajadus.
Tuuleenergia globaalne aastane toodang ulatub 434 miljardi kWh-ni. Erinevad turbiinidisainid toodavad väga erinevas koguses elektrit iga päev. Horisontaalteljelised tuuleturbiinid (HAWT) toodavad päevas umbes 26,1 MWh. Väikesed Savoniuse mudelid toodavad umbes 172 kWh päevas, samas kui vaiksemad Darrieus-tüüpi turbiinid annavad 230–11 300 kWh olenevalt suurusest.
Euroopa tuuleturbiinide efektiivsus paraneb pidevalt. Tüüpiline 2,5–3 MW maismaa turbiin toodab üle 6 miljoni kWh aastas – piisav 1 500 ELi kodu varustamiseks. Mereturbiinid on veelgi tõhusamad – 3,6 MW mudel suudab toita üle 3 312 majapidamise.
Suured alad aitavad vähendada tuuleenergia kõikumisi. Üksik tuulepark võib näha tunnis kuni 60% võimsuse muutusi, kuid jaotatud parkide korral langeb see alla 10% kogu võimsusest.
Ilmastikutingimustel on oluline roll toodangus. Uuringud näitavad, et AEP võib varieeruda 1,4–4,0% sõltuvalt atmosfääritingimustest. Lääne-Põhja-Ameerika turbiinid tootsid 15% rohkem stabiilse atmosfääri korral. Uuringud Kaljumäestikus leidsid, et ebastabiilse õhuga toodeti 10 m/s tuulekiirusel 87 kW rohkem elektrit.
Tuuleturbiinid töötavad 70–85% ajast, kuid toodavad vaid 24% oma maksimaalsest võimsusest. Suurbritannias töötab üle 11 400 tuuleturbiini – 8 800 maismaal ja 2 600 merel. Koos toodavad need aastas piisavalt elektrit, et katta umbes 18 miljoni kodu vajadus.
Kui palju majapidamisi suudab tuuleturbiin varustada?
See, kui palju kodusid üks tuuleturbiin suudab varustada, sõltub mitmest tegurist, mis ulatuvad kaugemale pelgast võimsusest.
Energiakasutus kodudes on riigiti väga erinev. Briti majapidamised tarbivad aastas keskmiselt 3 731 kWh. USA majapidamised tarbivad peaaegu kolm korda rohkem – 10 632 kWh aastas. Need suured erinevused mõjutavad oluliselt turbiinide katvust.
Tüüpiline maismaa 2–3 MW turbiin toodab umbes 6 miljonit kWh aastas. Sellest piisab ligikaudu 1 500 Euroopa majapidamisele. Mereturbiinid on veelgi tõhusamad – 3,6 MW mudel võib toita üle 3 300 kodu.
Kodude arvu arvutamiseks kasutatakse järgmist valemit:
Majapidamiste arv = (Aastane toodang × võimsustegur) ÷ keskmine majapidamise aastane tarbimine
Turbiini suurus mõjutab, kui palju kodusid see varustada suudab:
-
- Väikesed 10 kW turbiinid varustavad ühte kodu või väiketalust
- Keskklassi 100 kW kogukonnaturbiinid varustavad 25–30 majapidamist
- Tööstuslikud 2 MW turbiinid katavad umbes 500–600 kodu vajadused
Tuuleenergia katab nüüd 7% maailma elektrivajadusest. Taani edulugu näitab tuuleenergia tõelist potentsiaali – tugeva tuulega päevadel toodetakse enam kui 100% riigi elektrivajadusest. See tõestab, et tuuleenergia suudab varustada mitte ainult üksikuid maju, vaid ka tervet riiki.
Tegurid, mis mõjutavad tuuleturbiini toodangut
Tuuleturbiini toodangut mõjutavad mitmed tegurid lisaks tuulekiirusele ja tehnilistele näitajatele. Keskkond mängib olulist rolli turbiini eluea jooksul.
Toodang muutub koos temperatuuriga. Külmem õhk on tihedam ja avaldab labadele suuremat survet. Toodang kasvab ligikaudu 1% iga 3°C languse kohta. Kuid väga madalad temperatuurid võivad käivitada automaatse seiskumise, et kaitsta mehhanismi.
Aastaajad toovad ennustatavaid kõikumisi. Talvel on tuul tugevam ja õhk tihedam – see suurendab toodangut. Suvel on toodang madalam just siis, kui nõudlus on suurim. See tekitab tühimiku pakkumise ja nõudluse vahel.
Lähedalasuvad turbiinid mõjutavad üksteist. Allatuule turbiinid toodavad kuni 40% vähem kui eespool asuvad. Seepärast tuleb turbiinid paigutada üksteisest 5–10 rootori läbimõõdu kaugusele.
Mõnikord piirab elektrivõrk turbiinide tööd. Operaatorid peavad vähendama toodangut, kui elektrit on liiga palju või kui ülekandevõimsus on piiratud, isegi kui tuuleolud on head.
Tuuleturbiinid + hübriidsüsteemid
Hübriidsüsteemid, mis ühendavad tuuleturbiine teiste energiatehnoloogiatega, mängivad taastuvenergia arengus olulist rolli. Need lahendused aitavad tuuleenergia muutlikkust tasakaalustada ja suurendavad töökindlust.
Tuule- ja päikeseenergia süsteemid täiendavad teineteist. Tuuleturbiinid toodavad rohkem öösel ja talvel, samas kui päikesepaneelid töötavad paremini päeval ja suvel. See loomulik tasakaal tagab stabiilse väljundi kogu aasta vältel. Kombineeritud süsteemid suurendavad kasutustegurit 20–35% pealt 40–60%-ni.
Akusalvestid koos tuuleturbiinidega on saanud võtmelahenduseks. Süsteem salvestab liigset energiat tugeva tuulega ja vabastab seda tuulevaikuse ajal. See on eriti kasulik, kui elektrit tuleb tarnida tipptarbimise ajal.
Hübriidsüsteemid muudavad tuuleenergia majanduslikult tasuvamaks, lahendades katkestustega seotud probleeme. Erinevate allikate ühendamine loob usaldusväärsema elektrivarustuse kui üksikturbiin. See võimaldab taastuvenergial paremini konkureerida tavapäraste allikatega.
