Kahelabalise tiivikuga tuulikud

Kahelabalise tiivikuga tuulikud
Arno Valma, TTÜ soojustehnika instituudi teadur, tel (0) 6572735

28. detsembril 2000 ühendati elektrivõrguga Saksamaal, Mecklenburg Vorpommerni liidumaal, Neubrandenburgi linnast 30 km põhja pool asuva Iveni tuulepargi viimane tuulik. Kõigi 18 tuuliku võimsus on 750 kW. Saksamaal, kus 2000. aastal rajati 1478 uut tuulikut üldvõimsusega 1653 MW (iga päev üle nelja tuuliku ja 4,5 MW tuulejaamavõimsust) ei ole 18 tuuliku ja 13,5 MW lisandumine enam märkimisväärne sündmus. Sündmuseks Euroopa tuuleenergeetikas on aga see, et kõigil Iveni tuulepargi tuulikutel on kahe labaga tiivikud.

Iveni tuulepargi maksumuseks kujunes 13 mln USD, aastatoodanguks on projekteeritud 23,4 mln kWh. Energia läheb läbi pargi oma transformaatorjaama otse Veagi piirkonna 220-kilovoldilisse jaotusvõrku. Kohalikud ajalehed peavad Ivenit majanduslikult üheks kõige efektiivsemaks tuuleprojektiks Saksamaal, sest investeering toodangu 1 kWh (55,6 US senti) ja võimsuse 1 kW (963 USD) kohta oli väga väike. Aastatoodangu planeerimisel lähtuti generaatorite nimivõimsusel töötamise ajalisest näitajast k=0,20, mis on seda klassi tuulikute kohta selles piirkonnas üsna kõrge, aga siiski saavutatav. Loodetavate heade majandus- ning toodangunäitajate tõttu on Iveni tuulepargi aktsiad väga nõutud.

Kahe labaga tiivikud ei ole maailma tuuleenergeetika ajaloos uus avastus. Juba 1940ndatel töötas USA-s edukalt kahelabaline 1250 kW võimsuse ja 53,3 m tiivikuläbimõõduga Smith-Putnami tuulik. Vähem edukad olid Saksamaal

3 MW generaatori ja 100 m tiivikuläbimõõduga Growian ning Rootsis

3 MW-ne 78 m läbimõõduga WTS-3. Edukate hulka loetakse ka Rootsi

2 MW-st 75 m tiivikuläbimõõduga tuulikut Aeolus WTS-75. Need tuulikud moodustasid suurte kahelabaliste tuulikute esimese põlvkonna.

Suurte kahelabalise tiivikuga tuulikute mainet on alla kiskunud mitmete varasemate projektide ebaõnnestumine. Saksamaal läks pankrotti Ventis Energietechniku Brunswick-tuuliku projekt. Meckleburgis, Vorpommernis ei suutnud püstitatud eesmärke saavutada Ventise inseneride 1993. aastal loodud Nordwind Energieanlagen Bau- und Vertriebs GmbH projekt, mis lõppes samuti pankrotiga.

90ndate algul hakati kahelabalise tiivikuga tuulikute vastu uuesti huvi tundma ja neid ehitama. Teise põlvkonna tuulikute hulka kuuluvad 3200 kW 97m läbimõõduga Boening MOD-5b USA-s, kaks 3 MW tuulikut Nässudenis Gotlandi saarel Rootsis ja Saksa-Rootsi ühisprojekti Aeolus II Willhelmshavenis Saksamaal.

Kahe labaga tiivikud on kolmelabalistest odavamad. Tänapäeva tuuliku üks kalleimaid osi on tiivik ning iga laba ärajäämine alandab tuuliku hinda. Tootmisprotsessi keerukuse tõttu valmistatakse tiivikud suurema osa tuulikutehaste jaoks eriettevõtetes, millest tuntuim on Taani tehas LM Glasfiber. Suurtest Taani tehastest valmistab oma tuulikute tiivikud ise Vestas. USAs on katsetatud ka ühe laba ja vasturaskusega tiivikut, kuid stabiliseerimisprobleemide tõttu edu ei saavutatud.

Kahelabaliste tiivikutega tuulikute levikut on seniajani piiranud tehnilise sertifitseerimise probleemid. Maailmas on praegu levinud tuulikute kommertstootmise kodumaa – Taani disainiga kolme labaga, valdavalt vääratusregulatsiooniga (stall) tiivikud. Nende tuulikute kohta on välja töötatud ning kinnitatud kogu maailmas käibel olevad standardid, tehnilised tingimused ja tehniline dokumentatsioon. Muud tüüpi, sh kallutusreguleerimisega (pitch) kahelabaliste tiivikute tootjatel tuleb litsentsi taotlemisel läbi teha raske ning aeganõudev tehniline tõestus ja paberisõda.

Märkus: Tiivikulabade seadenurga reguleerimiseks rootori telje suhtes kasutatakse põhiliselt kahte süsteemi:

– vääratusregulatsiooniga (stall)

tiivikud, mille tiivikulaba seadenurk on tuule suhtes fikseeritud ning pöörlemissagedust ja pinget hoitakse püsivana elektrivõrgu sageduse abil;

– kallutusreguleerimisega (pitch) tiivikud, mille tiivikulaba seadenurk viiakse iga pöörde ajal automaatselt vastavaks koormuse ja tuule kiirusega. Uuematel tuulikutel eelistatakse pitch-regulatsiooni ja selle täiustusi.

Endine laevaehitusfirma Brand Elektro eesotsas peakonstruktor Peter Meuseriga on otsustanud taastada kahelabaliste tiivikute hea nimi ja tulla turule tuulikutega Nordwind NW 44-750 VD.

Nende tuulikute tehnilised näitajad:

– nimivõimsus 750 kW,

– tiivikulabade reguleerimissüsteem – pitch,

– tiiviku läbimõõt – 44 m,

– tiiviku pöörlemissagedus –

20,8–36,9 pööret minutis,

– jõuülekanne – 3-kiiruseline silinder- hammasratastega käigukast,

– ülekandearv – 1 : 52,

– generaator – kahekordse ergutusega asünkroongeneraator,

– tuuliku nabakõrgus – 68 m.

Peakonstruktori sõnul ei ole kahelabaliste tiivikute tootlikkus kolmelabaliste omast väiksem. Uued 750 kW tuulikud pöörlevad kontrastina väikeste tuulikute kiiretele pööretele rahulikult ja nende optiline mõju ning kaasnev müra on väiksemad. Rohkem tuleb tähelepanu pöörata töötava tuuliku dünaamilisele käitumisele. Tuuliku tuulde seadmine ja tuules hoidmine on aga kergemini lahendatav. Kahe labaga tiivik on vähem tundlik tuule suuna muutustele, kui aga suunamuutus on suurem regulatsioonipiirist, siis tuulik peatub ja lülitub ümber uuele tuulesuunale. Tuuliku südameks ja ajuks on tiivikulabade pitch-reguleerimissüsteem, mis juhib ka tiivaotstes olevaid pitch-otsikuid. Tuulikutes kasutatavad arvukad sensorid ja aktivaatorid moodustavad nn kohaliku operatiivvõrgu. Süsteem hoiab tiiviku pöörlemissagedust ning labade ja pitch-otsikute asendinurka heas koostööre¯iimis. Sellist uudset kontrollsüsteemi on tuulegeneraatorites seni harva kasutatud.

Kahelabalise tuulegeneraatori eeliseks loeb peakonstruktor võimalust anda tuuliku tiivale ideaalilähedast kuju ilma stabiilsusprobleemideta. Tiivad püsivad stabiilselt tuules, sellele aitavad kaasa ka isetasakaalustuvad raskused tiibade tipus. Seal on aga alati parimad õhuvoolud. Kahe labaga tiivik on kolmelabalisest kergem. Kergem tiivik mõjutab aga kogu tuuliku massi, materjalivajadust, tugevusnõudeid ja hinda. Et saada kahe tiiva abil sama energiahulka kui kolme tiivaga, peavad kaks tiiba olema veidi paksemad. Seepärast on kahelabalise tiiviku mass veidi suurem kui kaks kolmandikku kolmelabalise massist. Suurte, megavatt-klassi ja suuremate generaatorite tiivikute vedamine võib nende kaalu ja mõõtmete tõttu probleeme tekitada. Seepärast võtsid tiivikutootjad juba projekteerimisel suuna meres paiknevatele (off-shore) tuuleparkidele. Merd pidi saaks vedada mis tahes mõõtmetega tuulikudetaile.

Kahelabaliste tiivikute sobivust avamerel kiidavad kõik nendega tegelnud tuulikuprojekteerijad ja -tootjad. Niisuguste tuulikute esialgu harjumatu välimus ja müra ei oma merel tähtsust. Et müra ei ole oluline, võib suurendada generaatori pöörete arvu ja tootlikkust. Senised vähesed katsetused näitavad, et kahelabalise tiivikuga avameretuuliku toodang on umbes 2% väiksem kui analoogilise kolmelabalise tiiviku puhul. Majanduslikult kompenseerib seda osaliselt tiiviku ja tuuliku väiksem maksumus.

Iveni tuulepargi rajajatele on suured kahelabaliste tiivikutega tuulikute avamerepargid praegu siiski veel magus tulevikumuusika. Esialgu tuleb jälgida ning analüüsida juba valminud pargi tööd. Aastase töö tulemuste analüüsi põhjal tehakse otsus, kas lisada parki 65-meetrise tiivikuga 1,5 MW tuuliku prototüüp, mille järgi projekteeritakse ja kõigi eelduste kohaselt ka rajatakse Meckleburgi rannikule avameretuulikud. Rajajate kontsortsiumisse kuuluksid Nordex, Neptun TechnoProducts ja Brand Elektro.

Enne seda aga tahab peakonstruktor Meuser realiseerida tuuleprojekti Venemaal – Kamtšatka poolsaarel, kuhu tahetakse püstitada väike 150 kW kahe laba ja 22-meetrilise läbimõõduga tiiviku ning 30-meetrise nabakõrgusega umbes 140 000 USD maksev tuulik. Ükski tuulikuosa ei tohi kaaluda üle

3 tonni, sest kohaleveoks laevalt montaa¯iplatsile tuleb kasutada helikopterit. Nordwind Umwelttechniku tulevikuplaanides on eksportida veel 80 analoogilist 150 kW tuulikut. Meuser kavatseb edaspidi kaugete piirkondade tarvis toota niisama suuri või väiksemaid autonoomseid, koos diiselgeneraatoriga töötavaid tuulikuid.

Kirjandus

Gipe, P. 1996. Wind Energy Comes of Age. USA.

Hinsh,C. 2001. Plenty of power from two blades. – New Energy, 2, pp. 32–34.

Jamieson, P. & Quarton, D.C. 1999. Technology Development for Offshore. Proceedings of the European Wind Energy Conference “Wind Energy for the Next Millennium”. Nice, France, 1–5, March, pp. 289–293.

Valma, A. 1999. Tuuleenergeetika areng maailmas. Tallinn.





Töö tehti ETF grandi 3730 toetusel.