Nurkkalan tuulivoimalan suunnittelu ja rakentaminen Raportti 5kW tuulivoimalan suunnittelu- ja rakennusprojektista

Juha-Pekka Laitinen Nurkkalan tuulivoimalan suunnittelu ja rakentaminen Raportti 5kW tuulivoimalan suunnittelu- ja rakennusprojektista Opinnäytetyö Sähkötekniikan koulutusohjelma Huhtikuu 2008

KUVAILULEHTI Opinnäytetyön päivämäärä 25.4.2008 Tekijä(t) Juha-Pekka Laitinen Koulutusohjelma ja suuntautuminen Sähkötekniikan koulutusohjelma Sähkövoimatekniikka Nimeke Nurkkalan tuulivoimalan suunnittelu ja rakentaminen Raportti 5kW tuulivoimalan suunnittelu- ja rakennusprojektista. Tiivistelmä Opinnäytetyö käsitteli 5kW tuulivoimalan suunnittelua ja rakentamista. Voimalaitoksen rakentaminen on vielä tällä hetkellä kesken. Voimala tulee sijaitsemaan korkean mäen päällä, aukealla paikalla. Mastoksi valitun teräsristikkomaston pituus on 19 metriä. Voimalan tuottama sähkö tullaan hyödyntämään oman kiinteistön lämmittämisessä. Projektin kokonaiskustannukset pyritään pitämään kohtuullisina hankkien kuitenkin käyttöiältään mahdollisimman kestäviä komponentteja. Tuulivoimalan käytännön toteutuksesta on tällä hetkellä valmiina maakaapelointi voimalalta viereiselle kiinteistölle, jossa tuotettu energia tullaan käyttämään. Masto on pystytetty paikoilleen ja tuulivoimalaitoksen lasikuidusta valmistetut, kokonaishalkaisijaltaan 6,2 metriset lavat ovat valmiit. Myös kääntökehä, halkaisijaltaan 1,2 metriä, on hankittu. Seuraava hankinta on generaattori, jonka myötä alkaa varsinaisen konehuoneen rungon rakentaminen. Generaattoriksi hankitaan kestomagneettigeneraattori sen ylivoimaisten toimintaominaisuuksien vuoksi juuri tällaisessa muuttuvanopeuksisessa tuulivoimalassa. Tuulivoimalaitoksen valmistuttua siitä saatavaa hyötyä on mahdollista lisätä liittämällä voimala sähköverkkoon, verkkoon jarruttavan taajuusmuuttajan avulla. Tällöin voimalasta saatavaa sähköä voidaan käyttää kaikissa kodin sähkölaitteissa. Lisäksi tuulivoimalaa voidaan käyttää taajuusmuuttajan avulla saarekekäytössä, jolloin sähkökatkon aikana saadaan sähköä valaistuksen tarpeisiin. Asiasanat (avainsanat) Tuulivoimala, tuulivoima, tuulivoimalapa, masto, vaaka-akselinen potkuriroottori, kestomagneettigeneraattori. Sivumäärä Kieli URN 32 s. + liitteet 5 s. Suomi URN:NBN:fi:mamkopinn200821658 Huomautus (huomautukset liitteistä) Ohjaavan opettajan nimi Opinnäytetyön toimeksiantaja Arto Kohvakka

DESCRIPTION Date of the bachelor's thesis 25.4.2008 Author(s) Juha-Pekka Laitinen Degree programme and option Electrical engineering Name of the bachelor's thesis Description of designing and building a 5kW wind power plant to Nurkkala. Abstract This work is a description of designing and building a 5kW wind power plant to Nurkkala. At this time, building of this power plant is under construction. Location of power plant will be at the top of the hill with high altitude. Selected place is in open area. Wind power plant will be placed to 19 metres high mast, so it will be the highest point on the hill. All the produced power will be used to warm own property. Costs of whole project will be kept as low as possible but still long lasting components will be selected. At this time, ground cables are assembled, mast is lifted up and all fibre glass blades are ready. Also the rotation circle with 1,2 m diameter has already been bought. Next thing to buy will be the generator. Generator will be permanent magnet generator, because it has good efficiency curve in different speeds. When generator is selected, designing of the machine room can be started. When the wind power plant will be ready, efficiency can be risen by connecting generator parallel to electrical network via breaking frequency converter. With this kind of solution, produced power can be used in any electrical home equipment. When the breaking frequency converter is used and power is produced without parallel connection to network, electricity can be used also when commercial electrical network is out of use. Subject headings, (keywords) Wind power plant, wind power, blade, mast, permanent magnet generator Pages Language URN 32 p. + Appendices 5 p. Finnish URN:NBN:fi:mamkopinn200821658 Remarks, notes on appendices Tutor Bachelor s thesis assigned by Arto Kohvakka

SISÄLTÖ 1 JOHDANTO... 1 2 TUULIVOIMAN RAKENTAMISEN LÄHTÖKOHDAT... 2 3 TUULIVOIMAROOTTORITYYPIT... 3 3.1 Potkuriroottori... 3 3.2 Savonius-roottori... 5 3.3 Windside-roottori... 6 3.4 Darrieus-roottori... 6 4 ROOTTORIN TOIMINTA TEHONRAJOITTAJANA... 7 4.1 Passiivinen sakkaussäätö... 8 4.2 Lapakulman säätö... 9 4.3 Aktiivinen sakkaussäätö... 10 5 GENERAATTORITYYPIT... 10 5.1 Epätahtigeneraattorit... 11 5.2 Tahtigeneraattori... 12 6 TUULIVOIMALLA TUOTETUN SÄHKÖN KÄYTTÖ... 13 6.1 Veden lämmitys... 13 6.2 Sähköverkkoon kytkeminen... 14 7 TUULIVOIMALAN SUUNNITTELU... 14 7.1 Tuulivoimalan paikan valinta ja tuotetun sähkön käyttö kiinteistössä... 14 7.2 Maston hankinta... 16 7.2.1 Maston perustukset... 16 7.2.2 Maston pystytys... 17 7.3 Roottorin valinta... 18 7.3.1 Lapojen valmistus... 20 7.3.2 Lapojen tasapainotus... 22 7.4 Generaattorin ja vaihteiston valinta... 23 7.5 Sähkö- ja tiedonsiirron kaapelointi päärakennukseen... 24 7.6 Myrskysuojaus ja tuulen mittaus... 25 7.6.1 Mekaaninen jarru... 26 7.6.2 Lapakulman säätö... 26 7.7 Konehuoneen suunnittelu... 27 7.7.1 Kääntökehä ja sähköinen tuuleen kääntö... 27 7.7.2 Liukurenkaat kaapeloinnille... 28 7.7.3 Koneiston huolto... 29 8 TUULIVOIMALAN KEHITYSNÄKYMÄT... 29 9 YHTEENVETO... 30 LÄHTEET... 32 LIITTEET Liite 1 Generaattorin tekniset tiedot Liite 2 Tuulianturin tekniset tiedot

1 JOHDANTO 1 Uusiutuvien energiamuotojen käyttö on viime aikoina ollut paljon esillä. Tuulivoimaa pidetään yhtenä niistä monista vaihtoehdoista, joilla voisimme pienentää hiilidioksidipäästöjämme ja sitä kautta omalta osaltamme hidastaa ilmaston muutosta. Tuulivoiman suosio Suomessa on kuitenkin vielä nykyään vähäistä ja rakentaminen suuremmassa mittakaavassa täällä meillä on valitettavan harvinaista. Todennäköisesti tilanne tulee lähivuosina muuttumaan tuulivoimaa suosivampaan suuntaan uusien ympäristötavoitteiden ja sähkön hinnan kallistumisen vuoksi. Suunnittelen opinnäytetyökseni viiden kilowatin tuulivoimalan ja selvitän, mitä ja kuinka paljon sellaisen toteuttaminen vaatii käytännössä. Tarkoituksena on myös lähiaikoina rakentaa suunniteltu laitos valmiiksi kokonaisuudessaan. Tämän ajankohtaisen aiheen valitsin, koska haluan saada aikaan jotain konkreettista ja tuulivoima on aina jossain määrin kiehtonut minua. Sopiva paikka tuulivoimalan perustamiselle löytyi läheltä, vanhan sukutilamme Nurkkalan pellolta. Näin ollen tuotettu sähkö voidaan hyödyntää omassa käytössä jo olemassa olevan sähköliittymän lisäksi. Työni alkuosassa kerron kattavasti eri tuulivoimatyypeistä ja rakenteellisista ratkaisuista, jonka jälkeen käyn lyhyesti läpi vaihtoehtoja tuulivoimalla tuotetun sähkön hyödyntämiseksi. Tuulivoimalan suunnittelusta ja rakentamisesta kertova osio on käytännön läheisempi. Siinä käsittelen muun muassa paikan valintaa ja maston hankintaa sekä itse voimalan sisältämiä yksityiskohtia ja ominaisuuksia. Lopuksi esittelen hieman tuulivoimalan tulevaisuuden kehitysnäkymiä.

2 TUULIVOIMAN RAKENTAMISEN LÄHTÖKOHDAT 2 Tärkein huomioon otettava asia uutta tuulivoimaa rakennettaessa on valita voimalalle paras saatavilla oleva paikka. Sillä tuulivoimalan kannattavuuden saaminen mahdollisimman hyväksi vaatii tuulista sijaintia maastosta. Kaikkein tuulisimmat kohdat maastamme löytyvät luonnollisesti rannikkoseudulta, mutta mielestäni pienille voimalaitoksille löytyy käyttökelpoisia mäkiä ja aukeita myös sisämaasta. Myös järvien rannat ovat potentiaalisia paikkoja rakentaa tuulivoimaa jo siitäkin syystä, että tuulta riittää jo noin kymmenen metrin korkeudessa, jos vaan tuulen suunta on sopiva (taulukko 1). Tämä seikka helpottaa voimalan rakentamista ja alentaa rakennuskustannuksia merkittävästi. TAULUKKO 1: Tuulen keskimääräinen vuosittainen keskinopeus (m/s) 30 m korkeudella maan/merenpinnasta eri maastotyypeillä, eri osissa Suomea /1/ Sisä-Suomi m/s Rannikkoseutu m/s Ulkosaaristo m/s Metsäinen maasto 3,5-4,5 4,5-5,0 5,0-5,5 Avoin tasainen alue 5,0-5,5 5,5-6,0 6,0-6,5 Meren ranta - 5,5-6,5 6,5-7,0 Saaristo 5,0-5,5 5,0-7,0 6,0-8,0 Suuret järven selät 4,5-6,5 - - Korkeat mäet 5,0-7,0 (5,5-7,5) - Avoin meri - 7,5-8,0 7,5-8,5 Avotunturi 6,5-9,0 - - Tuulivoimaa rakennettaessa täytyy myös huolehtia lupa-asioista. Tuulivoimala saattaa tapauksesta riippuen vaatia rakennusluvan, mutta usein pelkkä toimenpidelupahakemus riittää. Tuulivoimalan koon suuruutta tarkasteltaessa huomioidaan käytettävä energian tarve. Jos tarve on hyvin pieni ja käytössä on jo sähköliittymä, ei kannata rakentaa ollenkaan, sillä suurempi voimalaitos tuottaa enemmän ja on pitkällä aikavälillä kannattavampi ratkaisu. Toisaalta hieman suurempi voimalaitos on erittäin työläs ja haastava projekti yksityisen rakennettavaksi.

3 Tuulivoiman kokoon vaikuttaa monet eri asiat: rakennetaanko kohteeseen, jossa ei ole olemassa olevaa sähköliittymää, vai halutaanko tuotettu energia käyttää vaikkapa vesivaraajan lämmitykseen sähköliittymän rinnalla. Esimerkiksi kesämökeillä, joissa ei ole sähköliittymää, on jo paljon käytössä pieniä, muutaman sadan watin kokoisia laitoksia. Näissä tapauksissa energia varastoidaan yleensä 12 v akkuihin, joista invertterin avulla muunnettuna saadaan 230 volttia vaihtosähköä. Näin pienellä energian tuotolla saadaan mökille sähköä valoihin ja televisioon, mutta lämmittämiseen tarvitaan isompi voimalaitos. Voimalaitoksen nimellisteho voi lämmityskäytössä hyvin olla kulutuksesta riippuen vaikkapa 20 kw. 3 TUULIVOIMAROOTTORITYYPIT Tuulivoimaroottorityypit koostuvat vaaka-akselisista ja pystyakselisista roottoreista. Vaaka-akselisten roottoreiden yhteneväisyyksiä ovat akseloinnin ja potkurin jatkuva kääntyminen kohti tuulta. Jatkuva tuuleen kääntäminen ja generaattorin sijoittaminen ylös mastoon ovat vaaka-akselisten roottoreiden huonoja puolia. Hyvänä puolena on hyötysuhde, joka on potkurin korkealla sijaitsevan pinta-alan ansiosta parempi kuin pystyakselisissa roottoreissa. /2, s.21./ Pystyakselisen tuuliroottorin taas ei tarvitse muuttaa suuntaa tuulen mukaan, sillä se pystyy hyödyntämään joka suunnalta puhaltavat tuulet. Lisäksi voimalan konehuone voidaan sijoittaa vaikka maan pinnalle, joka helpottaa huomattavasti rakentamista ja huoltotoimenpiteitä. /2, s.25./ Huono puoli on siis alhaalla sijaitseva roottorin pintaala, johon tuulet eivät pääse vaikuttamaan niin hyvin kuin vaaka-akselisiin roottoreihin. 3.1 Potkuriroottori Potkurimalliset laitokset (kuva 1) kuuluvat vaaka-akselisiin tuuliroottoreihin ja ovat selvästi yleisimpiä laitosmalleja tuulienergiantuotannossa. Laitoksissa vaihteisto ja generaattori sijaitsevat ylhäällä, joka vaikeuttaa huoltotöitä, mutta toisaalta potkuri sijaitsee korkealla, jossa tuulennopeudet ovat suurempia kuin maanpinnalla. Potkurin

4 merkittävin etu on, että se peittää pyöriessään omaan pinta-alaansa nähden huomattavan suuren alan ja kykenee tuottamaan omaan painoonsa nähden huomattavan paljon tehoa. Tässä laitosmallissa tarvitaan kääntöjärjestelmä, joka huolehtii, että roottori on jatkuvasti suunnattuna tuulta vasten. Roottorin pyörimisnopeutta voidaan säätää aktiivisesti lapakulmia säätämällä tai kiinteälapakulmaisessa laitoksessa passiivisesti sakkaussäädöllä. Teoriassa potkurimallisella laitoksella päästään lähimmäksi ihanteellista hyötysuhdetta. /3./ KUVA 1: Potkurimallinen voimalaitos sekä poikkileikkaus konehuoneesta /3/

5 3.2 Savonius-roottori Savonius-roottori (kuva 2) on suomalaisen Sigurd J. Savoniuksen 1920-luvulla kehittämä pystyakselinen tuuliturbiini. Turbiinin rakennetta kuvaa parhaiten ilmaisu kahdesta lomittain asennetusta tynnyrinpuolikkaasta. Turbiinin poikkileikkausta voidaan kuvata katkenneen ja hieman lomitetun S-kirjaimen muotoiseksi. /2, s.26./ Turbiinin hyviä puolia ovat yksinkertainen rakenne hyötysuhteen ollessa kohtuullinen (noin 35 %) ja riippumattomuus tuulen suunnasta. Savonius-roottori pystyy hyödyntämään kaikilta suunnilta puhaltavat tuulet. Huonoja puolia taas ovat roottorin asennosta riippuva käynnistysmomentti ja epätasainen pyörimisliike. Pyörimisen epätasaisuutta voidaan vähentää asentamalla kaksi roottoria päällekkäin 90 kulmaan toisiinsa nähden. Pyöriessään savonius-roottori aiheuttaa voimakkaita poikittaisvoimia, jotka rasittavat tukirakenteita ja laakereita, joten kovin suuria laitoksia siitä ei voi rakentaa. /3./ Savonius-roottoria käytetään myös perinteisesti veden pumppaukseen ja talon katolla ilmanvaihtoputken päässä pyörivänä roottorina, jonka alapuoliset lavat imevät ilmaa hormista. /2, s.26/. KUVA 2: Savonius-roottori /4/

3.3 Windside-roottori 6 Kierreruuvin näköinen Windside-roottori (kuva 3) on yksi Savonius-roottorista tehty muunnelma. Roottori on Suomessa Pihtiputaalla toimivan Windside oy:n patentoima. Windside-turbiinissa ei ole käynnistysmomenttiin ja epätasaiseen käyntiin liittyviä ongelmia, kuten Savonius-turbiinissa. Turbiini on maailmanlaajuisesti tunnettu, ja sitä on jo myyty 40 eri maahan. Windside-turbiini on tarkoitettu pienen tehonsa takia lähinnä akkujen lataamiseen ja pienimuotoiseen lämmitys- sekä valaistuskäyttöön. /6./ KUVA 3: Windside-roottori /3/ 3.4 Darrieus-roottori Darrieus-roottori (kuva 4) on pystyakselinen ja nopeasti pyörivä roottori. Ranskalainen G.J.M. Darrieus on keksinyt laitteen 1920-luvulla. Vispilää muistuttava roottori voidaan rakentaa kahdesta tai enintään kuudesta symmetrisestä siivestä, jotka ovat molemmista päistään kiinnitetty pääakseliin. /2, s.28./ Darrieus-roottorin etuja ovat suuri pyörintänopeus, jolloin vaihteiston tarve pienenee kytkettäessä se generaattoriin. Lisäksi roottori pyörii pysty- eli vertikaaliakselinsa ympäri, joten sitä ei tarvitse kääntää tuulen mukana. Ongelmana Darrieus-roottorilla on olematon käynnistyminen hiljaisella tuulella, joten se tarvitsee jonkinlaisen aputur-

7 biinin käynnistyäkseen. Tähän käytetäänkin yleensä Savonius-roottoria. /5, s.130-131./ Darrieus-roottoria ei enää käytetä juuri kaupallisissa sovelluksissa, koska roottorin pyöriminen aiheuttaa rakenteille erittäin suuria väsytysvoimia. /3/. KUVA 4: Darrieus-roottori /3/ 4 ROOTTORIN TOIMINTA TEHONRAJOITTAJANA Lavan pyörimissuunnan etureunaa nimitetään johtoreunaksi ja takareunaa jättöreunaksi. Lavan tuulen puoleista tasoa nimitetään painepuoleksi ja vastakkaista puolta alipainepuoleksi (kuva 5). Tuulivoimalaitoksen koneisto on mitoitettu tietylle teholle, jota kutsutaan nimellistehoksi. Tuulen nopeutta, jolla mitoitettu nimellisteho saavutetaan, sanotaan nimellistehotuulennopeudeksi. Tuulen nopeuden ylittäessä nimellistuulennopeuden laitoksen tuottamaa tehoa aletaan rajoittaa, jotta laitos ei toimisi ylisuurella teholla. /1, s.77./ KUVA 5: Tuulivoimalaitoksen lapaprofiiliin liittyvät nimitykset /1/

8 Laitokset voidaan jakaa kolmeen eri osaan sen mukaan, miten niiden tuottamaa tehoa rajoitetaan suurilla tuulennopeuksilla. Päätyypit ovat passiivinen sakkaukseen perustuva tehonrajoitus, aktiivinen sakkaussäätö sekä lapakulman säätöön perustuva tehonrajoitus (kuva 6). Kaikki rajoitustavat perustuvat lavan ja tuulen välisen kohtauskulman muuttumiseen. /1./ Roottorin tehonrajoitus on tärkein tekijä siihen, että tuulivoimalaa voidaan käyttää turvallisesti nimellistuulennopeutta kovemmilla tuulilla. /1, s.78./ KUVA 6: Lavan ja tuulen kohtauskulma /1/ 4.1 Passiivinen sakkaussäätö Perinteisesti tehoa on rajoitettu passiivisella sakkauksella: tuulen nopeuden kasvaessa ja lavan pyörimisnopeuden pysyessä vakiona tuulen kohtauskulma pyörivään lapaan nähden kasvaa. Kohtauskulman kasvaessa riittävän suureksi siiven tyhjiöpuolella virtaus muuttuu laminaarisesta turbulenttiseksi, eli lapa alkaa sakata, jolloin lavan hyötysuhde pienenee. Nimellistuulennopeuteen vaikuttavat lavan siipiprofiili, roottorin pyörimisnopeus ja lavan kiinteä asetuskulma. Kun sakkaus alkaa, putoaa teho aluksi tuulennopeuden kasvaessa. Tietyn rajan jälkeen lavan taakse syntyvät pyörteet eivät enää pysty rajoittamaan tehon kasvua tuulennopeuden yhä kasvaessa, ja teho kääntyy jyrkkään nousuun. Viimeistään siinä vaiheessa, kun nimellisteho on uudelleen saavutettu, laitos tulee pysäyttää vaurioiden estämiseksi. Pysäytys tapahtuu automaattisesti, ja se perustuu yleensä tuotetun tehon seurantaan; kun teho on tietyn ajan pysynyt tiettyä raja-arvoa suurempana, laitoksen pysäytysmekanismina toimivat kärkijarrut kytkeytyvät päälle.

9 Kiinteälapakulmaisten laitosten yksi ylimääräinen riskitekijä ovat tietyissä sakkaustilanteissa syntyvät itseään vahvistavat värähtelyt, jotka saattavat johtaa lapojen rikkoutumiseen. Tuhoisat värähtelytilanteet voidaan käytännössä varsin tehokkaasti estää konehuoneeseen ja napaan asennettavilla värähtelyantureilla, jotka pysäyttävät laitoksen vaaratilanteissa. Tällöin kuitenkin menetetään tuotantoa, ja tietyissä olosuhteissa laitos saattaa pysähdellä lähes jatkuvasti. /1, s.79./ Toinen sakkauslaitosten ongelma on sakkausominaisuuksien muuttuminen vallitsevien sääolosuhteiden (lämpötila, ilmanpaine ja -kosteus), turbulenssin, jäätymisen ja lavan likaantumisen mukaan. Kylmä ilma on tiheämpää kuin lämmin, jolloin sakkaussäätöinen laitos tuottaa helposti ylitehoja tuulisina talvipäivinä. /1, s.79./ 4.2 Lapakulman säätö Lapakulmasäätöisessä laitoksessa lapakulmaa säädetään seuraamalla laitoksen tuottamaa tehoa siten, että alle nimellistehotuulennopeudella toimittaessa lapakulma pyritään pitämään optimissaan. Lapakulma elää hieman, kun laitos koko ajan etsii parasta mahdollista tuotantoa. Tuulen nopeuden ollessa nimellistehonopeutta suurempi lapa kääntyy tuuleen päin ja kohtauskulma pienenee optimista sekä lavan hyötysuhde laskee. Suurilla tuulennopeuksilla laitoksen teho pidetään koko ajan mahdollisimman lähellä nimellistehoa. Kun tuulen nopeus kasvaa yli maksimituulennopeuden, laitos pysäyttää itsensä kääntämällä lavat tuulen suuntaiseksi, johtoreuna tuuleen päin, jolloin kohtauskulma on 0. /1, s.79 80./ Lapakulmasäätöinen laitos toimii pienillä tuulennopeuksilla paremmalla hyötysuhteella kuin laitos, jonka lapakulma on kiinteä. Suurella tuulennopeudella lapakulman muutokset aiheuttavat nopeita tehonvaihteluita, varsinkin tuulen ollessa puuskittaista. Itseään vahvistavia värähtelyjä ei lapakulmasäätöisissä laitoksissa esiinny, koska niiden syntyyn vaaditaan sakkaustilanne. /1, s.80./

4.3 Aktiivinen sakkaussäätö 10 Alle nimellistuulennopeudella aktiivisakkaussäätöinen laitos toimii samoin kuin lapakulmasäätöinen tuulivoimalaitos; laitos optimoi lapakulmaa, jolloin saavutetaan kiinteälapakulmaiseen roottoriin verrattuna jonkin verran korkeampi hyötysuhde. Kun tuulen nopeus ylittää nimellistuulennopeuden, lapa alkaa sakata kuten passiivisessa sakkausrajoituksessa, mutta sakkauksen määrää säädellään muuttamalla lavan asetuskulmaa siten, että suurilla tuulennopeuksilla voimalaitos toimii kaiken aikaa lähellä nimellistehoa. Lapakulmasäätöisen laitoksen tavoin myöskään aktiivisakkauslaitoksessa ei esiinny yliteho-ongelmia kylmissä lämpötiloissa. Kun tuulen nopeus kasvaa yli maksimituulennopeuden, laitos pysäyttää itsensä kääntämällä lavat tuulen suuntaiseksi, jättöreuna tuuleen päin, jolloin kohtauskulma on 180. Itseään vahvistavia värähtelyjä esiintyy aktiivisessa sakkausrajoituksessa huomattavasti vähemmän kuin perinteisessä sakkausrajoituksessa; lapakulman jatkuva eläminen estää tehokkaasti vaarallisten resonanssien synnyn. /1, s.80./ Aktiivisen sakkaussäädön ja lapakulmasäädön ero suurella tuulennopeudella on, että lavat kääntyvät niissä eri suuntiin (kuva 6), jolloin molemmissa tapauksissa lavan hyötysuhde pienenee ja laitoksen tehoa saadaan hallittua. Lapakulmasäätöinen laitos vaatii selvästi suurempia lapakulman muutoksia, etenkin tuulen vaihdellessa nimellistuulennopeuden molemmin puolin. Lapakulmasäädöllä ja aktiivisakkauksella varustettu laitos toimii alle nimellistuulennopeudella hieman paremmalla hyötysuhteella kuin kiinteälapaiset sakkausrajoituksiset laitokset. Nimellistuulennopeudella ja sitä suuremmilla tuulennopeuksilla lapasäätöinen ja aktiivisella sakkauksella varustettu laitos toimii tasaisella maksimiteholla. /1, s.80./ 5 GENERAATTORITYYPIT Generaattorit voidaan jakaa kahteen eri luokkaan: tahtigeneraattoreihin ja epätahtigeneraattoreihin. Ne eroavat toisistaan siten että, tahtigeneraattorit pyörivät synkroninopeudella eli tahdissa, kun taas epätahtigeneraattorit pyörivät synkroninopeutta kovempaa, eli epätahdissa. /8./

5.1 Epätahtigeneraattorit 11 Epätahtikoneen pyörimisnopeus vaihtelee kuormituksen ja tuotannon mukaan. Pyörimisnopeuden poikkeamaa kutsutaan jättämäksi, joka on negatiivinen silloin kun voimala tuottaa sähköä, eli epätahtigeneraattorin roottori pyörii tällöin tahtinopeutta nopeammin. Isommilla generaattoreilla 3 4 % jättämä saa aikaan nimellismomentin/- tehon, pienimmillä 10 %:n. Tyhjäkäynnissä epätahtigeneraattori pyörii tahtinopeudella. Kun roottoria pyöritetään tahtinopeutta nopeammin, jolloin jättämä on negatiivinen, tuottaa epätahtikone pätötehoa sähköverkkoon. Magneettikentän ylläpitämiseksi kone kuluttaa loistehoa, jonka tarve on jo tyhjäkäynnissä merkittävä ja se kasvaa tuotetun pätötehon mukana. /7./ Sähköverkkoon liitetty epätahtigeneraattori ottaa magnetointiin tarvitsemansa loistehon verkosta, mutta saarekekäytössä magnetointivirta täytyy tuottaa kondensaattoreilla. Magnetoinnin perusteella epätahtigeneraattorit voidaan jakaa kahteen ryhmään (kuva 7). /8, s.179./ Kondensaattorimagnetoidut epätahtigeneraattorit saavat magnetoimisvirran generaattorin rinnalle kytketyistä kondensaattoreista. Näin epätahtigeneraattoria voidaan käyttää ilman ulkoista virtalähdettä. Generaattorin jännitettä voidaan säätää kapasitanssia muuttamalla. Kapasitanssin lisäys nostaa jännitettä ja pienentäminen laskee jännitettä. /8, s.177./ Verkkomagnetoidut epätahtigeneraattorit ottavat magnetoimisvirran sähköverkosta, joten ne voivat syöttää tehoa vain jännitteiseen sähköverkkoon. Verkkomagnetoituja epätahtikoneita on käytetty muun muassa pienissä vesivoimalaitoksissa yksinkertaisuutensa vuoksi. /8, s.177./

12 KUVA 7: Verkkomagnetoitu epätahtigeneraattori a) ja kondensaattorimagnetoitu epätahtigeneraattori b) /8, s.179/ 5.2 Tahtigeneraattori Tahtigeneraattorissa roottori pyörii koneen sisäisen magneettikentän kanssa tarkalleen samalla nopeudella mitä kutsutaan tahtinopeudeksi. Pyörimisnopeus on sidottu verkon taajuuteen. /7./ Verkkoon kytkettäessä tahtigeneraattori pitää tahdistaa. Tahdistuksessa generaattorin taajuus sekä vaihejännitteet säädetään vastaamaan kytkettävää verkkoa. Kun generaattorin ja verkon napojen välinen jännite on lähes nolla, voidaan katkaisija laittaa kiinni, jolloin ei synny suuria kytkentävirtoja. Jos verkossa olevaa generaattoria esimerkiksi kuormitetaan liiaksi, se putoaa tahtinopeudesta, jolloin se on välittömästi irrotettava verkosta. /8, s.232./ Tavallinen tahtigeneraattori tarvitsee magnetointia varten tasajännitteen roottorin navoille. Magnetoinnin suuruudella generaattorin jännitettä voidaan säätää. /8, s.217./ Tämän vuoksi tahtigeneraattori on hyvä säädettävyydeltään ja siksi se sopisi muuttuvanopeuksiseen tuulivoimalaan.

13 6 TUULIVOIMALLA TUOTETUN SÄHKÖN KÄYTTÖ Tuulivoimalla voidaan tuottaa sähköä useisiin eri käyttökohteisiin. Pientuulivoimaloita käytetään useimmin kesämökeillä, joihin ei vaikean maaston ja sitä kautta korkean hinnan vuoksi ole kannattanut ottaa sähköliittymää. Tästä hyvä esimerkki on saaressa sijaitseva kesäasunto. Mikään ei kuitenkaan estä tuulivoimalan rakentamista talouteen, jossa sähköliittymä jo on, mikäli keksitään hyvä kohde, mihin tuotetun energian voi syöttää. Seuraavaksi käsittelen näistä vaihtoehdoista kahta eli vesivaraajan lämmittämistä ja energian syöttämistä suoraan sähköverkkoon. 6.1 Veden lämmitys Yksi veden lämmittämiseen tarkoitetun järjestelmän ongelma monesti on vesikiertoisen lämmitysjärjestelmän puute. Järjestelmän rinnalle pitäisi saada suuri vesivaraaja, johon on kytketty sähkövastukset. Sähkövastusten avulla varaajassa olevaa vettä voidaan lämmittää tuulivoimalla. Jos edellä mainittu järjestelmä on olemassa, toinen ongelma on tuulivoimalan koko. Sillä kovin pientä laitosta ei kannata rakentaa kohteeseen, jossa on jo olemassa sähköliittymä. Pieneen talouteen, jossa kulutus ei ole suurta, tuulivoimasta on todellista hyötyä vain talviaikaan. Lisäksi pienen tuulivoimalan investointikustannukset ovat niin suuret suhteessa tuottoon, että tuulivoimalan saaminen kannattavaksi olisi todella vaikeaa. Pelkästään veden lämmittämiseen tarkoitettu tuulivoimala on yksinkertainen ja sitä kautta halpa ratkaisu rakentaa. Sähkövastuksiin voidaan syöttää suoraan generaattorin kulloinkin tuottama teho, eikä esimerkiksi taajuuden suuruudesta tarvitse välittää. Veden lämmittämisestä tuulivoimalla saadaan kannattavaa etenkin jos kyseessä on riittävän suuri kiinteistö, esimerkiksi maatila, jossa kulutusta on normaalisti ympärivuoden ja rakennusten lämmittämiseen on käytetty pääasiassa polttopuuta. Tällaiseen tapaukseen vaikkapa 5-15 kilowatin tuulivoimalasta saataisiin mielestäni paljon hyötyä kohtuullisilla investoinneilla.

6.2 Sähköverkkoon kytkeminen 14 Tuulivoimalla tuotettua sähköä voidaan myös syöttää sähköverkkoon. Tämän järjestelmän myötä saadaan itsetuotettu sähkö mahdollisimman hyvin käytettyä sellaisinakin aikoina, jolloin suurta lämmitystarvetta ei ole. Esimerkiksi kesällä sähköä voidaan käyttää kaikissa kiinteistön piensähkölaitteissa, joiden käyttäminen ilman verkkoon kytkemistä ei vaihtelevan jännitteen ja taajuuden vuoksi olisi mahdollista. Sähköverkkoon kytkeminen voidaan toteuttaa käyttämällä esimerkiksi verkkoon jarruttavaa taajuusmuuttajaa. Tällainen taajuusmuuttaja koostuu tasasuuntaajasta, välipiiristä ja vaihtosuuntaajasta. Verkkoon syötettäessä kannattaa voimalaitos mitoittaa ehdottomasti siten, että tuotettu sähkö vastaa suunnilleen taloudessa jo olevaa sähkön tarvetta. Jos voimalaitoksesta tehdään runsaasti suurempi, kuin mitä oma käyttö on, ylimääräinen energia syötetään valtakunnan verkkoon. Tämän huono puoli on hinnoittelu, sillä sähköyhtiö ei luonnollisestikaan maksa heidän verkkoonsa syötetystä sähköstä samaa hintaa millä he sitä myyvät. Lisäksi sähköyhtiöstä riippuen on mahdollista, etteivät he anna lupaa kytkeä tuuligeneraattoria verkkoon. 7 TUULIVOIMALAN SUUNNITTELU Opinnäytetyökseni suunnittelen tuulivoimalaitoksen vanhempieni omistamalle Nurkkalan tilalle Kangasniemen kuntaan. Tarkoituksena on tuottaa sähköä, jota tullaan käyttämään asuinrakennuksen lämmittämiseen. Rakennuksen päälämmitysmuotona ovat useat puu-uunit, joiden lisänä tuulivoimaa tullaan käyttämään. Rakennuksessa ei ole vesikiertoista lämmitysjärjestelmää, joten tarkoituksena on lämmittää käyttövettä ja kiinteistöön asennettavia lämmityskuormia omilla ryhmillään. Voimalaa suunniteltaessa pyritään toteutus tekemään mahdollisimman kestävillä ja samalla edullisilla ratkaisuilla. Nimellistehoksi haluttiin viisi kilowattia, jota tullaan alkuvaiheessa käyttämään pelkästään lämmitykseen. 7.1 Tuulivoimalan paikan valinta ja tuotetun sähkön käyttö kiinteistössä Tuulivoimalan paikaksi valitsin isäni kotitilan, joka sijaitsee Kangasniemen kunnassa Makkolassa. Tila ja sen ympärillä olevat pienet pellot on rakennettu korkean mäen

15 päälle, jossa tuulee kohtuullisen paljon ympäri vuoden. Niinpä tuulivoimala päätettiin rakentaa peltojen korkeimmalle ja samalla tällä hetkellä aukeimmalle kohdalle (kuva 8). Peltoja ympäröivä metsä kuuluu myös isäni omistukseen, joten tuulen edestä voidaan tarpeen vaatiessa poistaa suurempia puita. Tämä on merkittävä etu, jos joltain tietyltä suunnalta tuuli ei pääse kunnolla puhaltamaan 20 m:n korkeudessa sijaitsevaan turbiiniin. Toinen vaihtoehto olisi ollut rakentaa voimala noin 500 m:n päässä olevan kallion reunalle, jolloin voimalan saisi helposti kiinnitettyä siihen. Tämä kallio on 17 m korkeammalla kuin tilan pellot. Mutta sähkön siirtäminen näin kauaksi on turhan kallista siirtohäviöiden vuoksi. Lisäksi kallio vaikeuttaa kaapelointia merkittävästi, koska maakaapelin sijaan jouduttaisiin käyttämään pylväitä ja ilmakaapelia. Muutenkin perustuksia lukuun ottamatta rakentaminen olisi vaikeampaa maaston epätasaisuuden vuoksi. KUVA 8: Tuulivoimalan rakennuskohta pellolla

16 7.2 Maston hankinta Päätettyäni tehdä tuulivoimalan opinnäytetyökseni ja valittuani paikan jatkoin projektia maston etsinnällä. Tavoitteena oli löytää mahdollisimman korkea, vähintään 20 m pitkä ja tukeva teräsristikkomasto, joka mielellään olisi hyvässä kunnossa. Sillä vaikka tuulivoimalan paikka onkin kohtuullisen korkean mäen päällä, pienellä pellolla, on peltojen ympärillä vielä kuitenkin suuria puita, jotka varjostavat pahasti liian matalaa mastoa. Maston yläosa piti myös olla niin suuri, että ylös mahtuu kiipeämään sisäpuolta pitkin. Lisäksi tarkoituksena oli löytää masto suhteellisen läheltä tuulivoimalan rakennuspaikkaa, jottei näin pitkän ja suuren rakennelman kuljettamisesta tulisi kohtuuttoman kallista. Masto löytyi silloisen kesätyöpaikkani Suur-Savon Sähkön avulla, Vaajakosken teollisuusalueelta. Se oli jo useita vuosia sitten käytöstä poistettu 110 kilovoltin teräsristikkomasto, ja sillä oli ulkopuolinen omistaja. Masto oli vielä pystytettynä alkuperäisellä paikalla, joten aivan tarkasta pituudesta ei siinä vaiheessa ollut tietoa. Maston kaadon jälkeen saimme mitattua pituuden, joka oli vain metrin vajaa tavoitteesta, eli 19 m. Lisäksi masto oli kasattu kahdesta osasta, joiden pituus oli 9 m ja 10 m. Tämä helpotti maston kuljetusta, jonka myyjä hoiti kätevästi omalla kuorma-autollaan. 7.2.1 Maston perustukset Maston perustuksia tehdessä mietittiin, millainen perustus olisi riittävän kestävä, sellainen pitäisi maston paikoillaan jopa ilman haruksia. Perustusta suunnitellessa piti tietenkin ottaa huomioon myös hinta, sillä betonia ei kannata turhaan käyttää liikaa. Lopulta päätimme valaa noin 1,5 m:n syvyyteen maahan 4x4 metriä ja 30 cm vahvan betonilaatan, josta tuotiin maan pinnalle neljä pilaria, yksi maston jokaiseen kulmaan (kuva 9). Pilarin muotteina käytettiin vanhoja 200 litran öljysäiliöitä, jotka oli helppo täyttää betonilla ja samalla pilareista saatiin ainakin riittävän vahvat. Betonin kokonaismääräksi tuli noin 7.5 m ³. Raudoitus tehtiin 8 mm:n harjateräksestä, niin pohjalaattaan kuin pilareihinkin. Jokaisen pilarin harjateräksiin hitsattiin kiinni 20 mm:n vahvuisia koukkuja neljä kappaletta, joiden toisessa päässä oli kierre. Näihin kierteisiin saatiin kiinnitettyä mastoon itse tehdyt kiinnikkeet sekä saranat (kuva 9).