Elektrituulik

Allikas: Energiatalgud

Energiatehnoloogiad.png

Elektrituulikuks nimetatakse mõiste kontekstis tuuleturbiinist, ajamist, generaatorist, juhtimissüsteemist ja tornist koosnevat süsteem, mis muundab tuule kineetilise energia elektrienergiaks. Mitmest elektrituulikust ning elektrituulikuid omavahel ja neid liitumispunktiga ühendavatest seadmetest, ehitistest ning rajatistest koosnevat elektrijaama nimetatakse tuulepargiks. [1]


Peaartikkel: Energiatehnoloogiad;
Seotud artikkel: Tuuleenergia ressurss; Energiaressursid;


Üldist

Tuule kasutamine energiakandjana on ajalooliselt üks vanimaid tehnoloogiaid ning olnud paljuski kasutusel tuuleveskitena ja purjede jõul liikuva laevatranspordi näol kuni tööstusliku revolutsioonini 19. sajandil. Esimene elektrit tootev tuulik ehitati 1891 Taani leiutaja Poul la Cour poolt. Atmosfäärinähtusena on tuul meie piirkonnas kapriisne, kuid sagedane ning õnneks mitte liiga tugev. Need omadused mõjutavad ka tuule kasutamist energiakandjana. Nii tuulikute kui tuulegeneraatorite puhul on kõige olulisemaks teguriks tuule kiirus – kiiruse kasvades kaks korda suureneb muundatava energia hulk kaheksa korda. Selleks, et püüda kiiremat tuult, on lihtsaim võimalus tõsta tuult püüdev tiivik kõrgemale, kuna tänu pinnavormidest põhjustatud turbulentside vähenemisele puhub ülemistes õhukihtides tugevam ja stabiilsem tuul. Seetõttu moodustavad mastid koos generaatori ja tiivikuga ühtse koosluse. [2]

Tuulegeneraatorite summaarne tootmisvõimsus on aastakümnete jooksul üleilmselt kasvanud stabiilses tempos, küündides 2012. a. lõpuks 282 587 MW-ni, millest 47,9% paikneb kahes juhtivas riigis: Hiinas ja USAs. Euroopa Liidus on juhtival kohal Saksamaa, mille võimsus on üle 32 MW, mis annab talle globaalses konkurentsis kolmanda koha (11,1% maailma tuulikutest paikneb seal). Eestisse paigaldatud tootmisvõimsusi ning tuulejaamade poolt toodetud elektrienergiat kirjeldab joonis 2 [2]

Ülevaade Eesti tingimustest

Tuul on Eesti jaoks vägagi oluline taastuvenergia liik, mida energia tootmiseks kasutada. Seni on tuuleenergia tootmisesse taastuvenergia sektori siseselt investeeritud kõige rohkem vahendeid. 2005 a. algusest hoogustus tuulikute rajamine ning 2013. aasta lõpuks on töös 130 elektrituulikut, mille võimsuseks on erinevatel andmetel kuni 279,9 MW (tuuleelektrijaamad Eestis on kujutatud joonisel 1). [3]

2013 a. oli tuuleenergia seisukohalt küllaltki vaikne. Lisandus vaid kaks tuuleparki koguvõimsusega 10,5 MW:

a) Ojaküla tuulepark Lääne-Virumaal - 6,9 MW;
b) Nasva tuulik II Saaremaal - 3,6 MW.

Ent siiski toimus 2013 a. Paldiski tuulepargi avamisüritus. Paldiski tuulepark jaguneb kaheks, millest pool kuulub Eesti energiale ning pool Nelja Energiale. Nelja Energia on ühtlasti ka suurimaks tuuleenergia tootjaks Baltikumis.

2013. aastal installeeriti Elektrilevi võrku seni rekordilised 150,6 kW. Kokku lisandus 15 väiketuulikut, nendest enim 10 kW-seid tuulikuid. 2013. aastal tootsid elektrituulikud kokku Eesti Tuuleenergia Assotsiatsiooni hinnangul 515 GWh energiat.

Elektrituulik - tööpõhimõte ja ülesehitus

Tööpõhimõte

Elektrituulikute lihtsustatud tööpõhimõtteks on rakendada liikuva õhu energiat ning muuta see elektrienergiaks. Enamikul tuulikutel on kolm aerodünaamilise ehitusega laba, millest tuul liigub üle ning tiivik hakkab pöörlema. Gondli keres asub aeglaselt pöörlev võll, käigukast (või aeglaselt pöörlev generaator), kiirelt pöörlev võll ning generaator. Pöörlevad labad panevad aeglaselt pöörleva võlli pöörlema ning seda kiirusel 30 - 60 pööret minutis. Aeglaselt pöörlev võll on kiirelt pöörleva võlliga hammasratasühenduse abil ühendatud. Need tõstavad kiirelt pöörleva võlli pöörlemiskiiruse 1000 kuni 1800 pöördeni minutis. Kiirelt pöörlev võll paneb käima elektrienergiat tootva generaatori, mille väljundvõimsus suunatakse transformaatorisse, mis muundab selle laiemas elektrivõrgus kasutatavale pingele vastavaks. [4]

Elektrituulikute puhul on neli olulisimat faktorit, mis määravad turbiini toodetava elektrienergia koguse [4]:

1) Võimsus - elektrituulikute võimsus jääb vahemikku 250 W kuni 7 MW. Keskmise elektrituuliku võimsus on 2,5 MW;
2) Tuule kiirus - tugevamad tuuled toodavad rohkem energiat. Elektrituulikud toodavad energiat, kui tuule kiirus on 4–30 m/s;
3) Labade raadius - mida suurem on labade raadius, seda rohkem energiat on võimalik toota. Labapikkuse kahekordistamine võib tagada lausa neli korda suurema tootlikkuse;
4) Õhutihedus - merepinnast allpool asuvates paikades on õhurõhk kõrgem ning seetõttu on säärased kohad tuulikute kasutamiseks soodsamad. Merepinnast kõrgemal asuvates paikades on õhurõhk madalam ning seetõttu on need tuulikute kasutamiseks vähemsoodsad.

Ülesehitus

Tüüpiline elektrituulik koosneb kuni 8000 erinevast osast. Käesolevalt on kirjeldatud sellist elektrituulikut, millel on labad 45,3 meetri pikkused ning tuuliku torni pikkuseks on 100 m. Järgnevalt on toodud elektrituuliku osad [4]:

a) torn - tornide pikkused varieeruvad 40-meetristest enam kui 100-meetristeni välja, mis on tavaliselt valmistatud sorditerasest – odavamaks alternatiiviks on sõrestik- või betoontornid;
b) tiivikulabad - kuni 60 meetri pikkuseni ulatuda võivad labad on toodetud spetsiaalselt selleks loodud vormides ning nende koostises kasutatakse liitmaterjale, enamasti klaaskiu ja epoksüvaigu segusid. Epoksüvaigu asemel võib koostematerjaliks olla ka polüester ning süsinikkiud, mis lisavad labadele vastupidavust ja jäikust;
c) tiivikurumm - malmist valmistatud tiivikurumm hoiab labad pöörlemise ajal õiges asendis;
d) tiivikulaagrid - ühed tuuliku paljudest erinevatest laagritest, mis aitavad sellel tuule erinevatele tekitatud jõududele ja koormustele vastu pidada;
e) peavõll - kannab tiiviku pöörlemisel tekkiva jõu üle käigukastile;
f) turbiini alus - tuuliku alus peab olema piisavalt vastupidav, et kõiki tuuliku mehhanisme toetada, olemata aga seejuures ise liiga raske;
g) käigukast - hammasrattad suurendavad mitmes etapis tiivikuvõlli madalat pöörlemiskiirust, et saavutada generaatori tööks vajalik kiire pöörlemiskiirus;
h) generaator - muundab mehaanilise energia elektrienergiaks. Kasutusel on nii sünkroonsed kui ka asünkroonsed generaatorid;
i) lengerdussüsteem - mehhanism, mis pöörab gondlit nii, et see tuule suuna muutumisel samuti asendit muudab;
j) sammusüsteem - reguleerib labade kaldenurka, et puhuvat tuult maksimaalselt ära kasutada;
k) võimsusmuundur - muundab generaatori toodetud alalisvoolu elektrivõrgule edastatavaks vahelduvvooluks;
l) transformaator - muundab tuuliku toodetud elektrienergia kõrgepingeenergiaks, mida elektrivõrgus kasutada saab;
m) pidurdussüsteem - ketaspidurid peatavad vajadusel tuuliku liikumise;
n) gondli kere - tuuliku mehhanisme katab kerge klaaskiust kest;
o) kaablid - ühendavad tuulepargi üksikuid tuulikuid elektrialajaamaga;
p) kruvid - hoiavad paigal põhikomponente ning peavad suutma taluda ülisuuri koormusi.

Elektrituulikute tüübid

Järgnevalt antakse ülevaade Euroopas kasutusel olevatest väiketuulikutest, mida on võimalik kasutada linnatingimustes. Kajastatakse tuulikuid, mida on mingites riikides juba paigaldatud ning mille kohta on olemas andmed sellistes tingimustes töötamisel. Samuti on Euroopa Komisjoni toel koostatud ka väiketuulikute kataloog[5], kust leiab laiema valiku tuulikuid ja nende tehnilisi parameetreid. Laiemalt saab tuulikud jagada kahte kategooriasse [6]:

1) horisontaalse teljega tuulikud;
2) vertikaalse teljega tuulikud.

Üldiselt on nimetatud tuulikutüüpide ehitusepoolsed erinevused nii mastides kui ka võllides. Jaotus toimub jõuvõlli konstruktsiooni alusel. Samas leidub ka erilahendusega tuulikutüüpe, mida otseselt ei saa liigitada kumbagi kategooriasse.[6][7]

Horisontaalteljega tuulikud

Horisontaalteljega tuulikud ehk ka horisontaalvõlliga tuulikud on tuulikutüüpidest kõige levinumad kõikides tuulikute võimsusklassides. Suuremad tuulepargid ja tuulikud on ehitatud just sellise tehnoloogiaga. Põhjuseks on, et antud konstruktsiooni kasutegur kineetilise energia muundamisel on osutunud efektiivseimaks Vastavalt maksimaalvõimsuse väärtuse kasuteguri väärtusnäitajad on väiketuulikutel [7]:

a) horisontaalteljega tuulikud: 20 - 35%;
b) vertikaalteljega tuulikud: 5 - 20%.

Horisontaalteljega tuulikutel on palju erinevaid lahendusi. Rootorite ehitus võib olla lahendatud ühe labaga, kahe labaga, kolme labaga või isegi rohkemate labadega. On passiivseid rootorid, mis pööravad end saba abil, passiivsed rootorid, mis pööravad end sabarootori abil ning vastutuult seisvad rootorid automaatse elektroonilise tuulde pööramise süsteemiga. Kõige levinumaks rootoritüübiks on kolmelabaline kiirekäiguline tuulik. Kirjeldatud tuulikut illustreerib joonis 3. [7]

Vertikaalteljega tuulikud (H-rootor)

Giromill ehk H-rootoriga tuulik on Darrieus tüüpi tuulik derivaat, mille sirgeid labasid hoiavad peavõlli küljes horisontaalsed talad. H-rootoril on palju variatsioone, näiteks võib tuua ühena neist Cycloturbine-i, mis on H-rootori erilahendus. Cycloturbine-i labad pöörlevad tänu spetsiaalsele mehhanismile ümber püstise telje. See võimaldab muuta rootori labade kohtumisnurka, muutes pöörlemise efektiivsemaks ning ühtlasemaks. [7]

Samuti on veel ka spiraalne H-rootor, mis tänu oma spiraalsetele labadele võimaldab suhteliselt ühtlast käiku. Samuti välditakse sellisel meetodil ohtlikke pöörlemismomendiga tekkivaid pulsatsioone. Üks selline on püstitatud Tartusse Ahhaa keskuse ette, mille aastane tootlikkus on küll marginaalne (700 kWh/a, tuulekiirusel 5 m/s). Illustreerivalt on kirjeldatud tüüpi tuulik toodud joonisel 4. [7]

Vertikaalteljega tuulikud (Savonius)

Savoniuse tüüpi vertikaalteljega tuulikute, ehk teisisõnu ka S-tüüpi rootoriga tuulikute leiutajaks oli S.J. Savonius. Savoniuse tüüpi tuulikud töötavad kasutades ära õhutakistust - tuuliku anumatüüpi labad püüavad tuult selliselt, et see surub tuuliku laba pöörlema. Savoniuse tuulikutel on üldjuhul kaks kuni kolm laba. Vastavalt disaini eripäradele pöörleb seda tüüpi tuulik suhteliselt aeglaselt, kuid teisalt on võimeline arendama suurt momenti. Vastavalt tööpõhimõttele kasutades õhutakistust, suuda sellist tüüpi tuuliku labad saavutada kunagi tuulekiirusest suuremad pöörlemiskiirust, mis paraku muudab nad suhteliselt ebaefektiivseks. Just sellisel põhjusel ei leia sellised tuulikud kasutust suurtes tuuleelektrijaamades. Vaatamata ebatõhususele suurtes tootmismahtudes, on sellised tuulikud atraktiivsed kasutamaks linnatingimustes. Savoniuse tuulikute kasuks räägib suhteliselt vaikne töötamine, lihtne ehitus ja väiksesed mõõtmed. Illustratiivselt on Savoniuse tüüpi elektrituulik esitatud joonisel 5 [6][7]

Võrreldes suurte tuulikutega, ei vaja Savoniuse tuulikud suuri tuulekiiruseid tööle hakkamiseks, mistõttu sobivad nad ideaalselt linnatingimustesse, kus esinevad muutlikud tuulesuunad ja- kiirused ning turbulentsid. Savoniuse tuulikute arendatav võimsus ja toodetav energia peaks olema sobilik käitama enamusi väikesevõimsuselisi koduseadmeid nagu: elektriväravad, välisvalgustus või veepumbad. [6]

Vertikaalteljega tuulikud (Darrieus)

Antud tuulikutüüp on välja töötatud Prantsuse inseneri G. Darrieuse. Darrieuse tüüpi tuulikud põhinevad aerodünaamilise kandepinnaga labadel (airfoil) ning kasutavad pöörlemisel õhutakistuse asemel tõstejõudu. Sarnaselt Savoniuse tüüpi tuulikutele ei vaja ka Darrieuse tüüpi tuulikud eraldi mehhanismi pööramaks seda tuulesuunda ning samuti on võimalik seda tüüpi tuulikuid paigaldada maismaad ligi, kuna nad on võimelised töötama võrdlemisi muutlikes tuuleoludes. Erinevalt Savoniuse tuulikust, on Darrieuse tuulik tulenevalt teisest tööpõhimõttest võimeline pöörlema kiiremini kui tuulekiirus, mistõttu on sel ka suurem kasutegur. Darrieuse tüüpi tuulikute kasutegur ulatub 75%-ni horisontaalse teljega tuuliku omast, kui samal ajal Savoniuse tuulikul on sama näitaja kõigest 25%. Darrieuse tüüpi tuulikud pole võmelised ise pöörlema hakkama - neil on vajadus täiendavale välismõjule, milleks võib olla näiteks elektrimootor, mistõttu pole nad jällegi kasutatavad suurtes tuuleelektrijaamades. Samuti on problemaatilised asjaolud suurtest tuulekiirustest põhjustatud mehaaniliste painetega ning vigastustega mastile, samuti ka keeruline generaatori mehaaniliste osade vahetus/parandus. Seda tüüpi tuulikud on tundlikumad turbulentsile kui Savoniuse tüüpi tuulikud. Illustratiivselt on Darrieuse tüüpi elektrituulikud kujutatud joonisel 6. [6][7]

Investeeringumahukus

Järgnevalt tuvustatakse investeeringumahukust selliste tuulikute puhul, mille kohta on erinevatel allikatel kasutada vajalikud andmed. Arvestada selle juures tuleb seda, et arvutused on ligikaudsed, kuna täiendavate kulude arvestamine sõltub paljudest asjaoludest ning samuti hindade tendentsist ajas muutuda. Indikatsioonina on toodud joonisel 7 ning joonisel 8 investeeringukulude orienteeruv jagunemine erinevate tuuliku süsteemiosade vahel suhtarvuna. Ära peab märkima, et investeeringukulude jagunemine sõltub ka sellest, kas tuulik paigaldatakse katusele või maapinnale. [6]

Investeeringukuludesse arvestatakse järgnevalt loeteluna toodud artiklid [6]:

a) väiketuuliku täielik installeerimine;
b) projekteerimine;
c) ohutusmeetmed;
d) seiresüsteemid;
e) tugikonstruktsioonid;
f) transport ja paigaldus;
g) katsetused ja vastavustunnistused.

Täiendavad lisakulud võivad tekkida seoses asukoha valikuga, tasuvusarvutuste ning tugevusarvutuste tegemiseks (nt. olemasolevatele hoonetele paigaldamisel), erinevate lubade saamiseks ning projekti juhtimiseks. Orienteeruvaks ülevaateks on tabelis 1 toodud ligikaudsed kulud ühe võimsusühiku kohta (kW). [6]

Toetused

Toetusi taastuvate energiaallikate kasutuselevõtuks, energiasektori efektiivsemaks muutmiseks ning sisemaise varustuskindluse/võimsuse piisavuse tagamiseks jagatakse Elektrituruseaduse §59 alusel. [8]

Toetusi makstakse elektrienergia eest, mis on toodetud taastuvatest energiaallikatest, koostootmise režiimil biomassist või tõhusa koostootmise režiimil. Alates 2013 aastast on toetused ette nähtud ka põlevkivil töötava tootmisseadme netovõimsuse kasutatavuse eest. Vastavalt Elektrituruseadusele maksab toetused välja põhivõrguettevõtja - Elering. [8]

Käesolevalt alates 2013 aastast on tuuleenergia kasutamisel toetuse määr 0,0537 €/kWh. [8]

Samuti jagatakse toetusi tuult energiaallikana kasutava elektritootja investeeringule ning sellekohased nõuded sätestab Rohelise investeerimisskeemi „Tuult energiaallikana kasutava elektritootja investeeringute toetus” tingimused ja kord.

Väiketuulikute tasuvus

Tasuvuse indikatiivseks illustreerimiseks on aluseks 2011 a. Eesti Nord Pool Spot hinnapiirkonna keskmine elektrituru hind (43,35 €/MWh) ning hetkel kehtiv taastuvenergiatoetus (53,7 €/MWh). Tasuvusarvutused on koostatud allika andmetel kahe erineva koguse juures. Tulemused on kajastatud tabelis 2

RSS uudisvoog

Joonis 3. Horisontaalteljega elektrituulik[11]
Horisontaalne tuulik.jpg
Joonis 4. H-rootoriga elektrituulik[12]
H-tüüpi tuulik.jpg
Joonis 5. Savoniuse tüüpi elektrituulik[13]
Savoniuse tüüpi tuulik.jpg
Joonis 6. Darrieuse tüüpi elektrituulik[14]
Darrieuse tüüpi tuulik.JPG

Viited

  1. Majandus- ja Kommunikatsiooniministeerium. Eesti elektrimajanduse arengukava 2008 - 2018.
  2. 2,0 2,1 Muiste, M., Veskimägi, J. Hea Uus Linn OÜ. Tuule ja päikeseenergia kasutamine Tartu linnas.
  3. Eesti Taastuvenergia Koda. Taastuvenergia aastaraamat 2013.
  4. 4,0 4,1 4,2 Eesti Tuuleenergia Assotsiatsioon. Kuidas elektrituulik töötab?.
  5. Euroopa Komisjon. Catalogue of European Urban Wind Turbine Manufacturers.
  6. 6,00 6,01 6,02 6,03 6,04 6,05 6,06 6,07 6,08 6,09 6,10 6,11 Rosin, A., Link, S., Drovtar, I. Energia lokaalse tootmise analüüs büroohoonele Taastuvenergialahendused.
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 Grün, O.W. Tallinna Tehnikakõrgkool. Väiketuulikud Eestis.
  8. 8,0 8,1 8,2 Elering. Taastuvenergia toetus. (23.10.2014)
  9. Elering AS. Eesti elektrisüsteemi tarbimisnõudluse rahuldamiseks vajaliku tootmisvaru hinnang. 2014.
  10. Statistikaamet. KE032: Elektrijaamade võimsus ja toodang. (21.10.2015)
  11. Eesti Tuuleenergia Assotsiatsioon. Horisontaalteljega elektrituulik. (23.10.2014)
  12. DIYTrade. H-rootoriga elektrituulik. (23.10.2014)
  13. Basis Africa. Savonius tüüpi elektrituulik. (23.10.2014)
  14. Bright Hub. Darrieuse tüüpi elektrituulik. (23.10.2014)


Täiendavat lugemist

Aasta Kategooria Pealkiri
2014 Aruanne Varustuskindluse töögrupi lõppraport
2014 Aruanne WEC-Eesti Varustuskindluse/Energiajulgeoleku töökoosoleku (30.04.2014) kokkuvõte
2014 Ettekanne Varustuskindlus ja energiajulgeolek
2012 Ülevaade OSPA. Vedelkütusevarud
2013 Aruanne Eesti elektrisüsteemi varustuskindluse aruanne 2013
2012 Aruanne Eesti elektrisüsteemi varustuskindluse aruanne 2012
2012 Aruanne Aruanne elektri- ja gaasiturust Eestis. Tallinn 2012.
2014 Aruanne Elering. Eesti elektrisüsteemi varustuskindluse aruanne 2014. 2014
2015 Aruanne Eesti elektrisüsteemi varustuskindluse aruanne 2015
2013 Aruanne Eesti Arengufond. Elektrivõrgu tänane olukord. Võimalikud arengustsenaariumid. 2013
2011 Pressimaterjal ENTSO-E. ENTSO-E missioon
2013 Aruanne Konkurentsiamet. Aruanne elektri- ja gaasiturust Eestis. Tallinn 2013.
2013 Veebileht Riigi Teataja. Võrgueeskiri.
- Kataloog Euroopa elektrituulikute tootjate kataloog
2014 Lõputöö Väiketuulikud Eestis
2012 Ettekanne Tuuleenergia ühistu – ise toodame, tarbime ja müüme elektrit teistelegi
2008 Uuring Taastuvenergeetilise ressursi (eelkõige tuuleenergia) kasutamise prioriteetsed suunad
2013 Aruanne Energia lokaalse tootmise analüüs büroohoonele - taastuvenergialahendused
- Arengukava Elektrimajanduse arengukava aastani 2018
2014 Aastaraamat Taastuvenergia aastaraamat 2013
2014 Ülevaade Wind in power - 2013 European statistics
2013 Aruanne Tuule ja päikeseenergia kasutamine Tartu linnas
- Infomaterjal Kuidas elektrituulik töötab?
2007 Ettekanne Eesti energiatehnoloogiate arendusstrateegia eeluuring
2007 Aruanne Energiatoodete maksustamise uuring
2014 Ettekanne Euroopa energiapoliitika valikud. Kas Euroopal on üldse valikut
2014 Ettekanne Eesti uus energiapoliitika. Konkurentsivõimeline taastuvenergia Eestis
2014 Ettekanne Eesti energiapoliitika mõju riigi konkurentsivõimele
2014 Ettekanne Eesti põlevkivienergeetika tulevik
2014 Ettekanne Eesti energiamajanduse arengukava aastani 2030
2014 Aruanne Väiketuulikute mõju lindudele ja nahkhiirtele
2013 Aruanne Hanila ja Noarootsi valdades tuuleparkide mürataseme mõõtmine
2014 Aastaraamat Taastuvenergia aastaraamat 2014


Kontaktvõrgustik

Kontaktvõrgustik on koostamisel. Kui soovite artikli kontaktvõrgustikuga liituda, võtke ühendust artikli teemahalduriga.


On Teil ettepanekuid, kuidas "ELEKTRITUULIK" artiklit täiendada? Leidsite infot, mis ei ole enam ajakohane või vajab täpsustamist? Võtke ühendust artikli "ELEKTRITUULIK" teemahalduriga MARGUS ALTEMENT e-aadressil margus.altement@arengufond.ee või avaldage arvamust selle artikli ARUTELU all.

Personaalsed tööriistad
Energiatalgud Energiaühistud
Nimeruumid

Variandid
vaatamisi
Toimingud
Tööriistad