Tulesärts

Tuulesärts
November 2005 / Kaido Tiigisoon, fotod Eesti Tuuleenergia Assotsiatsioon, Vestas

Päikese sees muutub iga sekundiga termotuumareaktsiooni käigus 600 milj tonni vesinikku 596 milj tonniks heeliumiks. Ülejäänud 4 milj tonni muundub energiaks. See tõuseb päikese pinnale ja kiirgub kosmosesse. Üsna pisike osa sellest jõuab Maani ja soojendab seda. Piisavalt ebaühtlaselt, et õhk hakkaks ringlema. Nii tekivadki tuul, pilved ja kõik sellega kaasnev.


Vaata ka videot

Tuuleks muutub umbes 1-2% Maale langenud päikesekiirgusest – 50–100 korda rohkem kui moondub biomassiks. Praktiliselt kogu energia, mida me praegu kasutame, on otse või kaude pärit päikeselt. Välja arvatud geotermiline, tuumaenergia ja tõusu-mõõna energia. Ka näiteks kivisüsi on tegelikult päikeseenergia mõjul atmosfäärist kunagi taimedesse seotud süsinik, mis on maa alla tallele pandud. Sama kehtib nafta kohta.

Mida hajusama jaotusega energia juurde liigutakse, seda keerukam ja kallim on selle kättesaamine. Tuulest hajusam on vast veel ainult otsene päikesekiirgus. Tuuleenergeetika näol on seega tegemist üsna ebaühtlaselt jaotunud energia püüdmisega, ei suutnud tuul varasematel aegadel muudele energialiikidele rahalises väljenduses mingit konkurentsi pakkuda – tegu oli entusiastide hobiga või eraldatud piirkondadele mõeldud lahendustega. Patendiarhiividest võib leida sadu patente selle kohta, kuidas tuule energiat kontsentreerida (erinevad tuuletunnelid, -tammid jms süsteemid), kuid kõigil neil on mingi puudus (peamiselt maksumus), mis muudab nad mõttetuks. Läbi aegade on katsetatud erinevaid meetodeid, kuidas liikuvat õhku moondada mehaaniliseks liikumiseks. Kuna ka Eestis on palju polemiseeritud tänapäeva tuulegeneraatorite väljanägemise üle, siis püüamegi seletada, miks on levinuim nn Taani skeem – vastutuult asetuv kolmelabaline horisontaalteljega tuulerootor.

Püsti või pikali

Põhimõtteliselt saab tuulegeneraatorit ehitada kas horisontaalse või vertikaalse teljega. Mõlemal lahendusel on omad puudused, kuid praegu on horisontaalteljega propeller saanud siiski valdavaks tööstuslikult toodetavaks generaatori tüübiks, kuna selle lahenduse puudusi on kõige lihtsam likvideerida.

Vertikaalteljega
tuulegeneraatorid jagunevad omakorda tõstejõul ja takistusel töötavateks. Taolise tuulerootori on vist valmistanud iga koolipoiss, murdes suvalise ruudukujulise kartongitüki nurgad vastassuunas ära, võttes sirgeks jäänud nurgad nimetissõrmede vahele ning puhudes oma värskele rootorile. Vahepeal olid popid selliselt liikuvad reklaamtahvlid. Sarnaselt töötab ka enamik tuulemõõtjaid (anemomeeter), mis koosnevad varraste otsa pandud tühjadest poolkeradest.
Teine tuntum takistusel töötav vertikaalteljega tuulerootor on nn Savonius-tüüpi rootor. Sisuliselt on pealtvaates tegu S-kujulise rootoriga, mille S-i moodustavate poolkaarte vahele on jäetud vahe. Seetõttu pääseb õhk vabalt voolama ühe laba seest teise laba sisemuse kaudu edasi ning järsku õhuvoolu pidurdumist ei teki. Savoniuse rootorid on tõhusamad kui tavalised "kopsiku-tüüpi" tuulerootorid.
Takistusel töötavad vertikaalteljega tuulerootorid ei ole eriti tõhusad.
Tõstejõul töötavate vertikaalsete turbiinide puhul on reeglina tegu nn Darrieus-tüüpi turbiinidega (prantsuse leiutaja George Darrieus patentis selle 1931. a). Ainus firma, kes selliseid kunagi suures mahus tootnud on, oli Ameerika firma FloWind, mis läks pankrotti 1997. a. Darrieus-rootorid näevad välja nagu suured vändaga visplid, mis olid vanaemal kapis. Seda tüüpi oli kaua aega maailma suurim tuuleturbiin – 100 meetri kõrgune ja 60meetrise diameetriga 4 MW nimivõimsusega Eole C Kanadas. Kahjuks see enam ei tööta, kuna sedagi turbiini vaevab Darrieus-turbiinide põhipuudus – pealaagri vahetamiseks tuleb kogu kaadervärk maha monteerida ja see nõuab antud juhul täiesti talumatu hulga raha.
Vertikaalteljega rootoritel on mitmeid eeliseid, kuid on ka mitmeid puudusi. Peamised eelised on tuulde pööramise vajaduse puudumine ja generaatori lihtne hooldus. Puudused aga on seotud struktuuri konstruktiivse keerukusega.
Ka horisontaalteljega
rootorid pole vigadest vabad, kuid neid on lihtsam ravida. Tuulerootori tuulde pööramine pole mingi eriline kunst ning ka resonantsiprobleemidest saab lihtsamini üle kui vertikaalteljega tuulemootorite puhul. Horisontaalteljega tuulegeneraatorite suurim häda on vajadus üsna kõrge masti järele, mis reeglina kujundab üsna suure osa tuulegeneraatori hinnast. Samas on see siiski odavam kui kõrge pöörleva struktuuri ehitamine, nagu see vertikaalteljega generaatorite puhul on.

Miks kolm laba

Tänaseni võib Ameerikas kohata veepumpasid, mis saavad energiat kümnete labadega varustatud tuulerootorist. Ja asjasse mittepühendunu, kes on vesterni näinud, esitab õigustatud jaantatikaliku küsimuse: "No miks pagana pärast ei ole kõik tuulerootorid ehitatud nii, et tuul labade vahelt plehku ei pane? Miks ehitavad nad tuulerootoreid kolme, aga mitte kolmekümne labaga? Imelik, et keegi selle peale veel tulnud ei ole!"
Tegelikkus on kummalisel kombel vastupidine. Rusikareegel on see, et mida vähem propellerilabasid, seda tõhusam on propeller. Nagu lennuki puhul, oleks kõige efektiivsem ühe labaga propeller.
Samas ei saa öelda, et mitmelabalised tuulerootorid oleksid päris rumalus. Nende eelis on see, et nad hakkavad tööle juba väga nõrga tuulega ja pöördemoment on väikestel tuule kiirustel üsna suur. Samas jääbki kogu nende tõhus töövahemik väikeste tuulekiiruste piirkonda. Ameerika tuulikud ongi ehitatud nii, et tugeva tuule korral keeratakse nad piki tuule suunda, mis oluliselt vähendab neile langevat koormust – eesmärk ei ole ju kaev kähku tühjaks pumbata. Suured tuulegeneraatorid on aga optimeeritud teistest eesmärkidest lähtuvalt.
Saksa füüsik Albert Betz ilmutas 1926. a raamatu "Wind-Energie", kus ta räägib pikemalt lahti enda formuleeritud Betzi seaduse. Asja iva seisneb selles, et tuuleenergiast saab mehaaniliseks liikumiseks muuta alla 59% ja mitte "promilligi" enam, pingutage või naba selja taha.
Edasi tekibki küsimus, kuidas selle 59%-ni kõige efektiivsemalt jõuda. Põhimõtteliselt on valida kahe alternatiivi vahel – kas panna paljude labadega rootor aeglaselt pöörlema või väheste labadega rootor kiiresti liikuma. Ning kui nüüd üks investor seada sellise valiku ette, siis tema esimene küsimus on, et kas päris ilma labadeta ei saaks? Sest tuulerootori labade ehitamine on teatavasti väga kallis lõbu. Kuna päris ilma läbi ajada ei saa, proovime esmalt vastukaaluga tasakaalustatud ühe labaga. Kahjuks on nii ühe kui kahelabalistel rootoritel see viga, et pinged, mis tekivad, kui rootorilaba möödub generaatori mastist (nii masti ees kui taga on tuule kiirused väiksemad), väga suured. Seetõttu tuleb kasutada rootori liigendite ja amortisaatoritega rummu külge kinnitamist. See teeb aga asja keeruliseks ja kalliks. Teine probleem on see, et iga ära võetud labaga peame suurendama rootori pöörlemiskiirust, mis tekitab suuremat müra ning suuremaid pingeid konstruktsioonis. Seetõttu ongi tänapäeval kasutusel praktiliselt vaid kolmelabalised tiivikud.
Paljude labadega propellerite kahjuks räägivad ka tekkivad aerodünaamilised probleemid – vähesest liikumiskiirusest johtuv madal aerodünaamiline efektiivsus, labade vastastikune katmine turbulentsiga ning suurenev induktiivtakistus on vaid mõned neist.

Ette või taha

Kui nüüd kolmelabaline propeller on välja valitud, tuleb otsustada, kas see paigutada generaatori suhtes vastu- või allatuult. Allatuuleasendiga saaks lahti tülikast propelleri tuulde pööramise vajadusest – see seaduks ise. Samas on juhitavatel tuulde pööramise süsteemidel see eelis, et neid saab programmeerida töötama selliselt, et generaatorist alla tulevatest kaablitest ei punutaks patsi. See võib aga kergesti juhtuda kui tuul pöördub pikka aega järjest vaid ühes suunas (mis pole sugugi haruldane nähtus). 1000amprist voolu kandvaid kaableid soovite lahti harutada?
Allatuult asuva rootori suurem eelis on see, et selle labad saab ehitada painduvamad ja seega kergemad ning odavamad, kuna puudub oht, et nad põrkuksid vastu masti.
Peamine puudus on neil aga see, et allatuult paiknevad labad liiguvad läbi masti varjestatud alast, mis omakorda tekitab vibratsiooni ja müra. See kiirendab materjalide väsimist ja lühendab oluliselt turbiini eluiga. Just suurema töökindluse ja pikema tööea tõttu ongi tänapäeval eelistatud nimelt vastutuult asuva rootoriga tuulemootorid. Tänu sellisele ehitusele ja aerodünaamilisele efektiivsusele on tänapäevased tuulegeneraatorid ka üsna vaiksed, olles kuuldavad vaid üsna lähedalt. Mõned Eestisse paigaldatud second-hand generaatorid on loonud müüdi undavatest ja kolksuvatest tuulegeneraatoritest. Sama tark oleks anda autodele hinnang 20 aasta vanuste eksemplaride järgi. Samas pole suured tuulegeneraatorid sobivad paigaldamiseks otse tagaaeda või maja katusele. Mis kehtib muidugi iga generaatori kohta, mille võimsus on mõõdetav sadades kilovattides või isegi megavattides.

Ajalugu
Esimesed märked tuuleveskite kohta on pärit Pärsiast aastatest 600–200 e.m.a. Euroopasse jõudsid esimesed 11. sajandi paiku. Algselt kasutati tuulikuid peamiselt vilja jahvatamiseks, lindude peletamiseks ja vee pumpamiseks. Viimasel otstarbel kasutatavad suured tuulikud on saanud Hollandi sümboliks. Esimesena sai tuulemootoreid müüva firmaga hakkama Daniel Hallady 1854. a USAs, kus tänu tema ja ta konkurentide poolt toodetud vett pumpavatele tuulikutele muudeti haritavaks miljonid hektarid maad, mida muidu polnud võimalik niisutada. Samuti sai tänu tuulepumpadele võimalikuks suure osa Austraalia sisemaa asustamine.
Esimesed elektrit genereerivad tuulemootorid ehitati USAs 1888. ja Taanis 1890. a ning 18 aasta pärast oli neid Taanis juba 72 tükki, kusjuures suurimal oli neljalabaline 23meetrise diameetriga rootor. USA esimene tuulegeneraator oli väga paljude labadega ning andis ligi 12 kW energiat (tänapäevased sama diameetriga rootorid annavad 70–100 kW). Algselt kasutati tuulegeneraatoreid eraldatud aladel elektri saamiseks, mistõttu suure leviku sai tuuleenergia taas USA farmides. Peamiseks motivaatoriks oli puudulikult välja ehitatud jaotusvõrk, mistõttu tuul oli tihti ainus energiaallikas. Ka N. Liidus astuti samme tuuleenergia kasutusele võtmiseks. 1931. a loodi seal Jaltasse paigaldatud generaatori näol tänaste tuulemootorite eelkäija – tegemist oli esimese turbiiniga, mis oli juba arvestatava 100 kW nimivõimsusega.
Esimene 1 MW võimsusega tuulegeneraator paigaldati 1941. a USAs ühe Vermonti osariigi künka otsa. Tegemist oli kahelabalise allatuulerootoriga generaatoriga, mille nimivõimsus oli 1,25 MW ning mis töötas 1100 tundi, kuni purunes, sest seda ei saanud sõja ajal materjalipuuduse tõttu parandada.
Sealt edasi muutus tuuleenergia arendamine mitmete valitsusprogrammide rahatuulutamise kohaks. Ehitati kõikvõimalikke erinevaid turbiine. Suur buum tekkis Californias 1980ndatel aastatel, kui loodust mittekahjustavad energialiigid hakkasid saama maksusoodustusi. Hiljem see vaibus ning alles nüüd, mil esmakordselt on saadaval tõeliselt suured ja töökindlad 1-2 MW tuulikud, on tuuleenergia hakanud taas tuult tiibadesse saama. Seda eelkõige tänu sellele, et tuuleenergia omahind on muutunud kivisöe põletamisel saadava energia omahinnaga võrreldavaks ning koos saasteökonoomika tekkega (saastemaksud, kvootidega kauplemine jms) kohati isegi odavamaks. Tuuleenergia tööstus kasvab umbes 30% aastas ning see on tohutult kiire kasv ükskõik millise majandusharu jaoks.

Moodsad tuulikud Eestis
Ka Eesti on aegade algusest olnud tuuleveskite maa. Eriti on selle poolest tuntud meie saared. Tänane tuuleenergeetika areng on siiski olnud suuresti vastuvoolu ujumine. Seda näitavad ka võimsused, mis on väga väikesed võrreldes isegi lähimate naabrite – Läti ja Leedu omaga. Eesti asub tegelikult tuuleenergia kasutamise seisukohast väga soodsas positsioonis. Eesti tuulepotentsiaal on üsna suur, merepiir pikk, lähimeri suhteliselt madal ning maapiirkondade asustus lausa hõre.
Peaprobleemiks on suure tuulepotentsiaaliga piirkondade halb kaetus elektrivõrguga, mis kannataks mitmemegavatise võimsusega tuuleparkide poolt toodetavat koormust. Teine probleem on Eesti põhivõrgu väga madal võime taluda energiatootmises esinevaid kõikumisi. Ülejäänud probleemid, nagu looduskaitsealade suur osakaal ja riikliku regulatsiooni nõrkus ning ebastabiilsus taastuvenergiate koha pealt on pikas perspektiivis ületatavad.
Eesti suurim võimalus tuuleenergia vallas on tegelikult kodumaise generaatoritootmise käivitamine. See aga eeldaks, et kodumaal on olemas mingisugunegi turg, mis tänasel päeval, kui energiaseadusega üritatakse piirata tuuleenergia osakaalu 100 MW peale (vaatamata sellele, et Eesti on võtnud rahvusvaheliste lepingutega juba täna kohustusi rohkemaks), on kahtlane.

Sidebar:
Täna Eestis eksisteerivad tuulepargid:
1. 150kW Genwind; AS Eesti Energia; Hiiumaa, Tahkuna
2. 2X250kW Vestas-27; OÜ Meritreid; Saaremaa, Sõrve
3. 2x500kW Vestas-39; AS Telewind; Saaremaa, Sõrve
4. 8MW OÜ Roheline Ring, Rõuste
5. 3x600kW Enercon E-40; OÜ Roheline Ring; Virtsu
6. 18,4MW Nordex N-90; AS Tuulepargid, AS Vardar; Pakri

Planeerimis- või valmimisfaasis olevad Eesti tuulepargid
1. AS Tuulepargid, Paldiski II 50MW
2. AS Tuulepargid, Türisalu 21MW
3. OÜ Intercon, Viru-Nigula 25MW
4. AS Skinest Energia, Rõuste 25MW
5. OÜ Est Wind Power, Päite-Vaivina (Ontika) 56MW
6. Tooma Tuulepark, Rõuste 8MW
7. OÜ Irbeni, Aseri 2MW
8. OÜ Oceanside, Kunda 7MW
9. OÜ Energoconsult, Noarootsi, Riguldi 24MW
10. AS KH-Energia Konsult, Harjumaa 50MW



Vt kogu artiklit siit.