SMG 4500 Tuulivoima. Luentotiivistelmät

Transkriptio

1 SMG 4500 Tuulivoima Luentotiivistelmät

2 Kurssi ei valitettavasti seuraa yksittäistä oppikirjaa. Prujua ei ole. Rikkaat voivat hankkia kirjan Mukund R. Patel: Wind and Solar Power Systems Tentti perustuu luentoihin ja harjoituksiin. Suoritusvaatimus on tentti, kahdesta harkkatyöstä saa porkkanan

3 Synopsis Meteorologia, tuuli Tuulen teho ja energia Aerodynamiikka Turbiinin toiminta ja säätö Tuulivoimalan muiden osien toiminta Tuulivoimalan talous Ympäristövaikutukset

4 Kurssin sisältö ja tavoitteet Mistä tuuli saa alkunsa? Miten tuulta mitataan? Mitä erityistä on tuulessa sähköntuotantomuotona? Miten tuulivoimalan osat toimivat? Missä mielessä tuulivoima on ympäristöystävällistä? Mitä tuulisähkö maksaa?

5 Tuulivoimalan suunnittelu on monialaista (multi disciplinary). Yksi ihminen ei voi insinöröidä tuulivoimalaa. Yleiskuva ja termistön hallinta ovat tärkeitä, jotta eri alojen ja kansallisuuksien insinöörit voivat kommunikoida toisilleen.

6 Euroopan tuuliresurssit Missä päin Eurooppaa tuulee? Missä päin Eurooppaa on paljon tuulivoimaa?

7 Erilaisia tuulia Millaisissa paikoissa tuulee ja miksi? 1. Matalapainetuuli 2. Maa merituuli 3. Föhn tuuli 4. Orografiset tuulet 5. Katabaattinen tuuli 6. Suihkuvirtaukset 7. Syöksyvirtaukset

8 Matalapainetuuli Auringon säteily lämmittää maanpintaa Maanpinta lämmittää ilmaa Ilman tiheys vähenee, ilma kohoaa matalapaine Ympäriltä (korkeapaineesta) virtaa ilmaa matalapaineeseen tuuli Paras esimerkki ovat pasaatituulet (trade winds), jotka puhaltavat päiväntasaajan matalapaineeseen. Coriolis-voima kääntää pasaatit länteen.

9 Pasaati auttoi Kolumbusta ylittämään Atlantin Vastapasaatit palaavat lähempää napoja, n leveysasteen tienoilla. Vastapasaatit ovat kovin kuivia, vrt. suurten aavikkojen sijainti. Englantilainen meteorologi George Hadley arvasi pasaatien syyt 1735, sata vuotta ennen kuin Gustave Gaspard Coriolis esitti liikeyhtälöt pyörivässä koordinaatistossa. Hadleyn paperin nimi oli Concerning the Cause of the General Trade Winds. Siitä nimitys Hadley cell.

10 Maa merituuli Veden ominaislämpökapasiteetti on suurempi kuin esimerkiksi graniitin. Merenpinnasta lämpiää noin 10 metrin kerros, maanpinnasta vain 10 cm:n kerros. erenpinnan lämpökapasiteetti on 500 kertaa suurempi. Päivällä maa kuumenee nopeammin, matalapaine on maalla, tuulee mereltä maalle. Illalla maa jäähtyy nopeasti, meri ei, matalapaine merellä, tuulee maalta merelle.

11 λ (W / (m k)) C ( J / (kg K)) ( kg/m3 ) itti kivi

12 Föhn tuuli Föhn-tuuli eli lämmin laskutuuli syntyy, kun ilmavirtaus ylittää vuoriston Nouseva tuuli jäähtyy ja menettää kosteutta Kuiva ilma ylittää vuoriston huipun ja lähtee valumaan alamäkeen. Laakson matalapaine auttaa. Laskeva virtaus kuumenee adiabaattisesti, sillä ilmanpaine on suurempi alempana Tuuli on navakkaa, kuivaa ja lämmintä ( lumensyöjätuuli ) Tunnetaan monilla eri nimillä: Föhn-tuuli (Alpit) Chinook (Kalliovuoret) Santa Ana (Kalifornia) Helm Wind (Penniinit)

13 Suihkuvirtaus Yleensä ylätroposfäärissä (5 12km) Todella voimakas (50 70 m/s) S. tasaavat isojen matala ja korkeapainerintamien maanpäälliset virtaukset Joskus myös alatroposfäärissä, mutta hitaampina (15 30 m/s) Suihkuvirtaus katkoo puut keskeltä, mutta jättää maanpinnan rauhaan

14 Syöksyvirtaus Kuuropilven sadepisarat sulavat tai haihtuvat syöksyessään alas sitovat lämpöä ilma jäähtyy ja putoaa suoraan alas Pystyvirtaus kääntyy maanpinnassa kova tuuli, ukkospuuska

15 Inversiokerros Ilmakehässä on inversiokerros, jossa lämmin ilma makaa kylmän päällä Esim. savupiipusta nouseva savu jää jumiin inversiokerroksen alle kovalla pakkasella Inversiokerroksen yläpuolella tuulee kovasti Talvella inversiokerros laskee tunturinhuippujen alapuolelle Tunturit haluttuja tuulivoimapaikkoja

16 Orografinen tuuli Orografinen tuuli on sellainen, jonka syntyyn vaikuttaa ratkaisevasti maanpinnan muoto eli vuoret ja kukkulat Tuulivoiman kannalta otollisia paikkoja ovat kukkuloiden laet ja solat Altamont pass Kaliforniassa on luonnollinen sijainti yhdelle maailman suurimmista tuulipuistoista; siellä yhdistyvät maa merituuli, Föhn tuuli (Santa Ana) ja orografinen virtaus solan läpi

17 Tuuli ja maanpinta Tuulennopeus kasvaa suurin piirtein logaritmisesti korkeuden mukana Usein käytetään von Karmanin jakaumaa Pinnan rosoisuus (roughness) (talot, puut, mäennyppylät) aiheuttaa tuuleen turbulenssia

18 Tuulimittarit Kuppianemometri Toimii vastusperiaatteella Mittaa tuulen vauhtia Vastustoiminen propelli ei sovi energiantuotantoon + Halpa ja helppo käyttää

19 Kuumalanka anturi Virrallinen johdin, jossa I 2 R häviöitä Ilman virtaus jäähdyttää johdinta Jäähtymisestä päätellään konvektiivinen lämmönsiirtokerroin, josta päätellään tuulen vauhti

20 + hyvä resoluutio + nopea vaste + pienikokoinen kallis ei kestä likaa ei kestä sadetta suuntaherkkä ei sovi kenttäkäyttöön

21 Sonar anemometri Mittaa ultraäänen vaihesiirtoa (kolme lähetintä ja kolme mikkiä) + todellinen nopeusmittaus (myös suunta) + ei liikkuvia osia + nopea aikavaste kallis, hi fi vaikea käyttää Tukirakenteet häiritsevät virtausta

22 Lidar tuulimittari Nykyään voidaan tuulennopeutta eri korkeuksilla mitata Lidarilla (LIght Detection And Ranging) Laite lähettää ilmaan lasersäteen ja havainnoi takaisinsirontaa (backscattering) Takaisinsironneen pulssin taajuus muuttuu Dopplerilmiön johdosta > sirottajan vauhti voidaan päätellä Lidar mittaa kaukaa: mittaustornia ei enää tarvita!

23 Yleensä tuulen suunta mitataan ihan tuuliviirillä (wind vane) Oikeassa tuuliprojektissa mittauksia tehdään neljältä eri korkeudelta ja kahden vuoden ajan Lidar järjestelmässä ei tarvita mittaustornia ja profiilin saa suoraan korkeuden funktiona Tuulennopeus on kymmenen minuutin aikakeskiarvo (spektrissä kuoppa) Suomeen on aivan juuri tehty uusi tuuliatlas.