MATEK / MAATALOUSTEKNOLOGIA SEMINAARIMONISTE MATEK822 Pro Gradu seminaari Johannes Tiusanen 12.11.2002 $,,4,,890 : 9:: ;4 2,, Helsingin yliopisto Maa- ja kotitalousteknologian laitos
Tuulen teho ja tuulisuus Tuulen teho riippuu tuulen nopeuden kolmannesta potenssista. Teho lasketaan kaavalla 1; tuulen nopeuden lisäksi sieppauspinta-ala on ratkaiseva. Tuuliroottori puolestaan antaa huomattavasti pienemmän tehon, sillä hyötysuhteet ovat roottorityypistä riippuen luokkaa 10-45 %, joten teho on kerrottava hyötysuhteella kuten kaavassa 2. P tuuli = ½ρAu 3 Kaava 1 P roottori = η P tuuli Kaava 2 2 Nopeat tuulet ovat huomattavasti hitaita harvinaisempia ja esiintyät paikallisen keskituulen ympärillä ylläolevan Rayleigh-jakauman mukaisesti. Yläriviltä valitaan paikallinen tuulen nopeuden vuosikeskiarvo, ja taulukosta luetaan eri tuulten esiintymistodennäköisyydet. Suomen oloissa tehollisessa mielessä oleellinen tuulialue viljelyalueilla on 4-10 m/s, sillä tuulen keskiarvo on 3 m:n korkeudella noin 3,5-5,5 m/s. Viereisellä kartalla tuulen nopeudet on mitattu n. 30 m:n korkeudelta.
Salaojakastelu Salaojakastelun menestyksekäs soveltaminen käytäntöön asettaa reunaehtoja. Pellon kaltevuuden on oltava alle 1-2 % ja maan on oltava hiekka- tai hietamaata. Hieno hieta on maalajina salaojakastelulle ihanteellinen. Maan vettä läpäisemättömän kerroksen tulee olla 3-8 m:n syvyydessä. Ojavälin tulisi olla maalajista riippuen luokkaa 10-15 m ja kasteluvettä on hyvä olla saatavana alle 8 m:n nostokorkeudella, muutoin sitä ei voida imeä vaan pumppu on saatava alemmas. Oikein järjestetyn kastelun tuloksena satotaso voi nousta kymmeniä prosentteja viljan-, ja jopa 90-110 % perunanviljelyssä. Ravinnetalous paranee, sillä pellon kokonaisvalunta ja sitä kautta typen huuhtouma vähenevät säätöojaston ansiosta ja kasvit pystyvät kastelun seurauksena käyttämään lannoitteet tehokkaasti hyväkseen koska kasvu ei kärsi kuivuudesta. Menetelmä vähentää myös fosforin ja kasvinsuojeluaineiden huuhtoutumista. Perunaviljelmien vedentarve on noin 400 mm/vuosi. Sadanta Suomessa on kuitenkin vain 200-300 mm kasvukautta kohti, joten sadannan vaje on luokkaa 120-200 mm/vuosi, kuten nähdään kuvasta vieressä. Kun tämä yhdistetään edellä esitettyyn tuulisuuden karttaan, voidaan esittää kolme tuulivoima-salaojakastelun kannalta erilaista aluetta: 1. Länsirannikko. Sadannan vaje 200 mm, keskituuli 4-5 m/s 2. Lounais- ja etelärannikko. Sadannan vaje 180 mm, keskituuli 4-5 m/s 3. Sisämaa ja Itä-Suomi. Sadannan vaje 140 mm, keskituuli 3,5-4 m/s Salaojakastelujärjestelmän perusparannusten kustannus on maalajista ja kaltevuudesta riippuen noin 100-400,; (1.600-2.600, ja 15 vuoden poistot). Jos pellossa on jo toimiva salaojasto, on säätökaivojen kustannus noin 90,; (1.000,). 3 Salaojakasteluun rakennettava sähköpumppaamo maksaa Kaisu Haatajan (2000) tutkimuksen mukaan 8 ha:n lohkolle 7.100!:2ppaamon ja sähkönkulutuksen hehtaarikustannus on 15 vuoden poistoilla 140 /ha/v.
Tuulen nopeuden korkeusprofiili Jottei kokeissa tarvitsisi mitata tuulen nopeutta eri korkeuksilta, laadittiin ensin profiili tuulen nopeudesta eri korkeuksilla, jotta sitten voitiin laskea se mittakorkeus, jolla mitattu tuulen nopeus edustaa koko profiilin tehollista keskiarvoa. Kaksi eri tuulimittaria nostettiin eri korkeuksille 0,5 m kerrallaan. Näin mitattuja tuulen nopeuksia vertailtiin keskenään profiilin muodostamiseksi. Mittausten havainnot ja tuulen nopeuden korkeusprofiili näkyvät kuvista alla. Mittauskorkeudelta 2,32 m mitattu tuulen nopeus vastaa tehollisessa mielessä koko roottorin vastaanottamaa tuulta. 4 Pumppausteho Roottori käyttäytyi kierrosnopeuden suhteen kuten odotettu, eli roottorin vääntömomentti kasvoi kun pumppua säädettiin raskaammalle, eikä pumpun iskutilavuuden säätö siksi ratkaisevasti vaikuttanut pumppaustehoon. Hukkatehon (kitkat, virtausvastukset ym.) suuruus selvitettiin yksinkertaisella hidastumisen nopeutta mittaavalla kokeella, jonka tuloksena hukkatehon todettiin nousevan maksimissaankin vain kolmasosaan pumppaustehosta. Tehoa mittaavassa kokeessa mitattiin tuulen nopeutta, vedentuottoa ja roottorin kierrosnopeutta pulssianturein kerran kahdessa sekunnissa, jolloin saatiin alla esitetty havaintoaineisto ja sen pohjalta laadittu histogrammi pumppaustehosta. Kuten tuulen nopeuden korkeusprofiilista nähdään, on 0,7 m aivan liian matala korkeus teholliseen tuulen pyydystämiseen. Laitteen käyttökokemusten ja tuulen korkeusprofiilia koskevien mittausten pohjalta laitteeseen tullaan tekemään kokoon ja korkeuteen liittyviä muutoksia, joiden jälkeen roottorin koko on 5 m 2 (1,25 m halkaisija, roottoriosa korkeudella 1,5-5,5 m). Tehonlisäys yllä esitettyyn verrattuna on 74 %. Seuraavalla sivulla on tälle roottorille laskettu tuulivoima-salaojakastelun hehtaarikustannus, johon sisältyy sekä roottorilaitteen (1.030 7449947-112 /v 15 vuoden poistoajalla) että perusparannusten kustannukset.
Tuulivoima-salaojakastelun hehtaarikustannus vuodessa [,;] 5