KUIDAS TUULETURBIINID TööTAVAD?

Send

Võib-olla olete neid maal läbi sõites näinud. Või äkki nägid sa neid otse ranniku ääres, silmitsi silmapiiril suurte ketravate labadega. Võib-olla olete jällegi näinud neid kellegi katusel või väikesemahulise linnaoperatsiooni osana. Olenemata asukohast muutuvad tuuleturbiinid ja tuuleenergia tänapäevases maailmas üha tavalisemaks tunnuseks.

Suur osa sellest on seotud kliimamuutuste ohu, õhusaaste ja sooviga võõrutada inimkonda sõltuvusest fossiilkütustest. Ja kui rääkida alternatiivsetest ja taastuvatest energiaallikatest, siis eeldatakse, et tuuleenergia moodustab tulevikus turu suuruselt teise osa (pärast päikeseenergiat). Kuid kuidas täpselt tuuleturbiinid töötavad?

Kirjeldus:

Õhuturbiinid on seadmed, mis muudavad tuule kineetilise energia ja õhuvoolu muutused elektrienergiaks. Üldiselt koosnevad need järgmistest komponentidest: rootor, generaator ja konstruktsiooni tugikomponent (mis võib esineda kas torni, rootori pöördemehhanismi või mõlema kujul).

Rootor koosneb labadest, mis hõivavad tuule energiat, ja võllist, mis muundab tuuleenergia madala pöörlemiskiiruse energiaks. Võlliga ühendatud generaator muundab magnetide ja juhi (mis tavaliselt koosneb mähitud vasktraadist) abil aeglase pöörlemise suureks elektrienergiaks.

Kui magnetid pöörlevad ümber vasktraadiga, tekitab see elektripotentsiaali erinevust, luues pinget ja elektrivoolu. Viimaseks on konstruktsiooniline tugikomponent, mis tagab, et turbiin seisab kas piisavalt kõrgel kõrgusel, et tuule rõhu muutusi ja / või tuule voolu suunas optimaalselt kinni hoida.

Tuuleturbiinide tüübid:

Praegu on kahte peamist tuulikutüüpi - horisontaalteljega tuuleturbiinid (HAWT) ja vertikaalteljega tuuleturbiinid (VAWT). Nagu nimest järeldada võiks, on horisontaalsetel tuulikutel torni ülaosas pearootori võll ja elektrigeneraator, mille labad on suunatud tuule poole. Turbiin asetseb tavaliselt selle tugitorni vastasküljel, kuna torn tekitab selle taga tõenäoliselt turbulentsi.

Vertikaalteljelistel turbiinidel (nagu ka nimest järeldub) on pearootori võll vertikaalselt paigutatud. Tavaliselt on need oma olemuselt väiksemad ja neid ei pea pöörlema tuule suunas. Seeläbi saavad nad ära kasutada suuna muutuva tuule eeliseid.

Üldiselt peetakse horisontaalteljega tuuleturbiine efektiivsemaks ja need võivad toota rohkem energiat. Ehkki vertikaalne mudel tekitab vähem elektrit, saab selle paigutada madalamatele kõrgustele ja see vajab vähem komponente (eriti pöördemehhanismi). Tuuleturbiinid võib ka nende konstruktsiooni järgi jagada kolmeks üldrühmaks, mis hõlmavad mudeleid Towered, Savonius ja Darrieus.

Vineeritud mudel on HAWT kõige tavapärasem vorm, mis koosneb tornist (nagu nimigi osutab) ja pikkade labade seeriast, mis istuvad torni ees (ja sellega paralleelselt). Savonis on VAWT-mudel, mis toetub tuule ja spinni hõivamiseks kontuuritud labadele (kühvel). Need on üldiselt vähe efektiivsed, kuid nende eeliseks on ise käivitamine. Seda tüüpi turbiinid on sageli katusetuule osa või paigaldatud merelaevadele.

Darrieuse mudel, tuntud ka kui “Eggbeateri” turbiin, on oma nime saanud disaini teerajajaks prantsuse leiutaja Georges Darrieuse järgi. Selles VAWT mudelis on rida vertikaalseid lõiketerasid, mis asuvad vertikaalse toega paralleelselt. Need on üldiselt madala kasuteguriga, vajavad pöörlemise alustamiseks täiendavat rootorit, suure pöördemomendi tootmist ja torni suurt koormust. Seetõttu peetakse neid disainilahenduste lähenedes ebausaldusväärseks.

Arengu ajalugu:

Tuuleenergiat on tuhandeid aastaid kasutatud purjede tõukamiseks, tuulikute jõustamiseks või veepumpade rõhu tekitamiseks. Varasemad teadaolevad näited pärinevad Kesk-Aasiast, kus muistses Pärsias (Iraanis) kasutatud tuulikud on dateeritud vahemikku 500–900 CE. Tehnoloogia hakkas Euroopas ilmuma keskajal ja sai 16. sajandiks ühiseks jooneks.

19. sajandiks ehitati elektrienergia arenguga esimesed elektrit tootvad tuulegeneraatorid. Esimese paigaldas 1887. aastal Šoti akadeemik James Blyth, et valgustada oma puhkemaja Šotimaal Marykirkis. 1888. aastal ehitas Ameerika leiutaja Charles F. Brush Ohio osariigis Clevelandis esimese automatiseeritud tuuleturbiini.

20. sajandi alguseks hakkasid tuuleturbiinid muutuma kaugetes piirkondades (näiteks talukohtades) asuvate kodude levinumaks toiteallikaks. 1941. aastal paigaldati Vermonti esimene megavatt-klassi tuuleturbiin, mis ühendati kohaliku kommunaalvõrguga. 1951. aastal paigaldas Ühendkuningriik Orkney saartele oma esimese kommunaalvõrguga ühendatud tuuleturbiini.

1970. aastateks edenes tuulegeneraatorite tehnoloogia uurimine ja arendamine tänu OPECi kriisile ja tuumaenergia vastu suunatud protestidele. Järgnevatel aastakümnetel hakkasid Lääne-Euroopa rahvastes ja Ameerika Ühendriikides tekkima alternatiivsele energiale pühendunud ühendused ja lobistid. 20. sajandi viimasel kümnendil ilmnesid Indias ja Hiinas sarnased jõupingutused kasvava õhusaaste ja kasvava nõudluse järele puhta energia järele.

Tuuleenergia:

Võrreldes muude taastuvenergia vormidega peetakse tuuleenergiat väga usaldusväärseks ja ühtlaseks, kuna tuul on aastast aastasse püsiv ega vähene nõudluse tipptundidel. Algselt oli tuuleparkide ehitamine kulukas ettevõtmine. Kuid tänu hiljutistele parandustele on tuuleenergia hakanud kogu maailmas energia hulgimüügiturgudel tipptasemel hinda määrama ja fossiilkütuste tööstuse tulusid ja kasumeid lõikama.

Energeetikaministeeriumi poolt 2015. aasta märtsis välja antud aruande kohaselt võib tuuleenergia kasv USA-s põhjustada paljudes kategooriates veelgi kõrgema kvalifikatsiooniga töökohti. Pealkirjaga „Tuulevisioon: tuuleenergia uus ajajärk Ameerika Ühendriikides” on dokumendis märgitud, et aastaks 2050 võiks tööstus anda kuni 35% USA elektritootmisest.

Lisaks tulid 2014. aastal kokku ülemaailmne tuuleenergia nõukogu ja Greenpeace International, et avaldada aruanne pealkirjaga “Global Wind Energy Outlook 2014”. Aruandes märgiti, et kogu maailmas võib tuuleenergia 2050. aastaks anda kuni 25–30% kogu maailmas toodetavast elektrienergiast. Aruande koostamise ajal oli enam kui 90 riigi kaubanduslike käitiste koguvõimsus 318 gigavatti (GW), mis tagab umbes 3,1% kogu tarnest.

See tähendab lapsendamise määra peaaegu kuusteist korda suuremat kasvu alates 2000. aastast, mil tuuleenergia moodustas vähem kui 0,2%. Teine võimalus seda vaadata oleks öelda, et tuuleenergia turuosa on vähem kui 15 aastaga kahekordistunud. See annab teisele kohale ainult päikeseenergia, mis kahekordistus sama aja jooksul seitse korda, kuid kogu turuosa osas jääb tuul alla (2014. aastal umbes 1%).

Puudustena on üheks pidevalt tõstatatud probleemiks tuulikute mõju kohalikule elusloodusele ja nende kohaloleku häirimine kohalikul maastikul. Tuuleenergia ja muude taastuvate energiaallikate diskrediteerimisega tegelevad erihuvigrupid ja lobistid on sageli näidanud, et need mured on veelgi suurenenud.

Näiteks leidis riikliku taastuvenergia labori avaldatud 2009. aasta uuring, et suuremahuliste tuuleparkide ehitamine häirib püsivalt vähem kui 1 aakrit megavati kohta ja ajutiselt on häiritud vähem kui 3,5 aakrit megavati kohta. Samas uuringus jõuti järeldusele, et mõju lindude ja nahkhiirte elusloodusele on suhteliselt väike ning samad järeldused kehtivad ka avamereplatvormide kohta.

Kogu maailmas otsivad valitsused ja kohalikud kogukonnad tuuleenergiat oma energiavajaduse rahuldamiseks. Tõusvate kütusehindade, kasvavate murede kliimamuutuste ja tehnoloogia täiustamise ajastul pole see vaevalt üllatav. Praeguse omaksvõtu kiiruse järgi on see sajandi keskpaigaks tõenäoliselt üks suurimaid energiaallikaid.

Ja nautige kindlasti seda videot tuulikute kohta NASA Lewise uurimiskeskuse viisakalt:

Oleme siin Space Magazine'is kirjutanud palju huvitavaid artikleid tuulikute ja tuuleenergia kohta. Siin on Mis on alternatiivne energia ?, Mis on fossiilkütused? Mis on taastuvenergia erinevad tüübid ?, Ookeani tuuleenergia (kosmose abiga) ning kas maailm võiks töötada päikese- ja tuuleenergiaga?

Lisateabe saamiseks lugege artiklit How Stuff Works tuuleenergia ajaloo ja mehaanika kohta ning NASA lehte Greenspace.

Astronoomiaosakonnal on ka mõned episoodid, mis on teemaga seotud. Siin on osa Episood 51: Maa ja jagu 308: Kliimamuutused.

Allikad: