Tuulikute ajalugu

Tuulikute ajalugu

Esimene osa - varane ajalugu kuni 1875. aastani

Tuuleenergia algus.
(1000 e.m.a. - 1300 m.a.j.)

Tuuleenergia ajaloos on näha üldist arengut lihtsatelt ja kergetelt aerodünaamilise tõmbejõu abil liikuvatelt vahenditelt raskete, tugevast materjalist tõmbejõuga masinateni ning nüüdisaegsete enamjaolt kergete, materjalisäästlike aerodünaamilise tõstejõuga masinateni. Ent ärge arvake, et vanasti aerodünaamilisest tõstejõust (s.o jõud, mille abil lennukid lendavad) midagi ei teatud. Varaseim vahend, mis tuuleenergia abil liikus, oli muidugi purjepaat, ja selle tehnoloogia mõjutas hilisemate puritüüpi tuuleveskite rajamist. Kuigi vanad meremehed ei osanud tõstejõudu füüsikaliselt seletada, mõistsid nad selle olemust ja kasutasid seda pidevalt.
Esimesed tuulikud ehitati selleks, et saaks automaatselt vilja jahvatada ja vett pumbata. Varaseim teadaolev vertikaaltasandiline süsteem pärineb Pärsiast umbes 500-900 m.a.j. Kirjelduste järgi kasutati seda kõigepealt ilmselt vee pumpamiseks, ent kuna jooniseid pole säilinud, ei teata täpset vee transpordimeetodit. Esimene teadaolev dokumenteeritud joonis kujutab samuti Pärsia tuuleveskit, mille vertikaaltasandil tiivikud on valmistatud kokkuseotud rookimpudest või puidust, mis on omakorda püstvarraste abil vertikaalteljele kinnitatud 19. sajandi Ameerikast pärineb pilt (1b) samalaadsest tõmbejõul töötavast tuulikust.


Pilt 1a. Nagu lihtsa, tõmbejõudu kasutava purjepaadi puhul näha, saavutatakse optimaalne tõmbejõud siis, kui kollektor asub vastutuult. Pärsia vertikaaltasandil tuuliku joonisel on näha, et rootor suudab ära kasutada vaid poole kollektori pool puhuvast tuulest. See vertikaalteljega mudel on üks ebaefektiivsematest, ent samas kõige sagedamini taasleiutatud (ja patenteeritud) tuuleturbiini mudelitest.





Esimene kirjeldus tuuliku kasutamise kohta rääkis jahvatamisest ning protsess ise oli väga lihtne. Veskikivi oli kinnitatud eelmainitud rõhttelje külge. Veski masinavärk paiknes harilikult suletud hoones, kus asus ka sein või tuulemüür, mis ei lasknud puhuval tuulel tõmbetüüpi rootori liikumist küljelt pidurdada. Ka Hiinas kasutati vertikaaltasandil tuulikuid ning sageli väidetakse, et Hiina oli nende sünnimaa. Kuigi väide, et tuuleveski leiutati Hiinas enam kui 2000 aastat tagasi, on laialt levinud ja see võib isegi õige olla, pärineb varaseim Hiina tuuleveski kirjeldus aastast 1219, hiina riigiametniku Yehlu Chhu-Tshai sulest. Ka seal kasutati veskit põhiliselt vilja jahvatamiseks ja vee pumpamiseks.


Pilt 1b. 19. sajandi Ameerikast pärinev Pärsia rõhtteljega tuuliku koopia. Riidekuivatina ilmselt imeline.













Üheks meeldejäävamatest ja edukamatest tuulejõu rakendusviisidest (mis töötab veel tänapäevalgi) on Kreetal asuvad rohked veepumbad. Nimelt varustavad seal loomakarja ja põllumaid veega lausa sajad puritiivikutega tuulikud.



Pilt 2. Kreeta puritiibadega veepumbad


Õhtumaa tuulikud
(1300 - 1875 m.a.j)

Esimesed Lääne-Euroopa tuulikud olid horisontaalteljega (e püsttiibadega). Taolise edasiarengu (võrreldes Pärsia vertikaalteljega mudeliga) põhjused on teadmata " ent kuna teame, et Euroopa vesirattad olid samuti horisontaalteljel, võib oletada, et ilmselt olid nad varaste tuulikute loomisel inspiratsiooniallikaks. Teiseks põhjuseks võis olla see, et horisontaaltüüpi tõmbejõuga masinad on ehituslikult efektiivsemad kui vertikaaltüüpi tõmbejõuga masinad, mis, nagu mäletame, kaotavad tuuletakistuse tõttu vähemalt poole kollektori suunas puhuvast tuulest.

Pilt 3. Varane puritiibade ja püstteljega tuulik Vahemere rannikul.











Esimestel illustratsioonidel (1270 m.a.j) näeme puki peal seisvat neljalabalist tuulikut (nn pukituulik), mis võrreldes Pärsia tuulikutega tähistab tublit tehnoloogilist edusammu. Need tuulikud kasutavad puidust hammasrataste süsteemi horisontaaltelje liikumise ülekandmiseks vertikaalliikumiseks veskikivi liigutamiseks. See mehhanism on ilmselt pukktuulikutele kohandatud Vitruviuse poolt leiutatud horisontaalteljega veeratta järgi.
Hollandlased hakkasid juba 1390. aastal. Vahemeremaades leiutatud tornituuliku disaini täiustama (vt vasakul ülal pilt 3). Põhimõttelised hollandlaste poolt sisseviidud muudatused olid mitmekorruselise torni otsa standardse tornituuliku paigaldamine ning eraldi korrused vilja jahvatamiseks, sõkalde eemaldamiseks ja möldripere eluruumid kõige all. Möldri põhitöö oli veski maksimaalse jõudluse seadistamine ning tormi korral rootorpurjede kokkurullimine, et marutuul veskit ei lõhuks.


Pilt 4. Töötav hollandi tuulik (1994), mille tiivikute esiservapinnad on aerodünaamilised (üleval paremal). Rootorit tuule suunas keeranud mehhanism ning esimese korruse eluruumide aknad on pildil selgelt näha.












Peamiseks Euroopa tuulikute edusammuks olid aerodünaamilist tõstejõudu kasutavad tiivikud (vt vasak pilt 4). See leiutis parandas rootori efektiivsust, kuna pärsia tuulikutega võrreldes oli rootori kiirus märksa suurem, mis omakorda kiirendas ka jahvatust ja pumbatööd.
Tuuliku tiivikut täiustati järgneva 500 aasta jooksul pidevalt. Lõpuks olid tuuliku tiivikutel kõik need omadused, mida tänapäeva disainerid moodsate tuuleturbiini labade optimaalseks tööks vajalikuks peavad " sealhulgas: 1) esiserva kumerus; 2) laba ristpuu asus keeliku veerandil (25% esiservast tagaserva suunas); 3) gravitatsioonikese asus samal 1/4 keelikupositsioonil; ja 4) tiivik oli ebalineaarselt tüvest otsani kaldu (Drees, 1977).


Mõnedel mudelitel olid ka aerodünaamilised pidurid, klapid ja piduriklapid. 4ndal pildil oleva masina (mis 1994. aastal Hollandis koos kahe kaaslasega ühest niisutustiigist teise meetri kaupa vett pumpas) tiivikute esiservadel on näha aerodünaamilisi kandepindu.
Taolised tuulikud olid industrialisatsioonieelse Euroopa “elektrimootorid”. Rakendusviise oli palju: harilik veekaev, niisutus, koppsüsteemil (üksikult või hulgi) töötav kuivatus, vilja jahvatamine (üks või mitu veskikivi), saekaater ja muude kaupade töötlemine (vürtsid, kakao, värvid ja värvained ning tubakas).
19. sajandil levisid aurumootorid ja suuri torntuulikuid kasutati vähem. Järgmine tuuleenergia arenguspurt toimus aga tuhat miili lääne pool.


Teine osa - 20. sajandi arengusuunad

20. sajandi kõige ilmsem tuuleenergia arengu mõjutaja oli elektritarbimise kasv. Ent kõik algas märksa varem.


Pilt 5. Teraslabadega vettpumpav tuuleveski Kesk-Lääne Ameerikas 19. sajandi lõpul.

















Esimene kord, kui kasutati tuult suurema koguse elektri tootmiseks
Esimese suurema tuuleveski pani elektrit tootma Charles F. Brush 1888. aastal Ohio osariigis Clevelandis. Brushi masin (paremal) oli mitmelabalise “lippaia” rootoriga pukktuulik, mille 17m diameetrilist rootorit sai suure liigendaluse abil tuulest välja keerata. See oli esimene tuulik, millel oli pingetsuurendav (50:1) käigukast, selleks, et alalisvoolugeneraator pöörleks tööks vajalikul kiirusel (antud juhul 500 p/min).
Hoolimata sellest, et Brushi tuulik töötas edukalt 20 aastat, olid siiski kõik selle madala kiiruse ja ülitihke rootoriga elektritootmisrakenduse puudused ilmselged. Selle 17meetrise rootori poolt toodetud 12 kW kahvatub tänapäevase, ligilähedase suurusega tõstetüüpi rootori poolt toodetava 70-200 kW kõrval.
1891. aastal leiutas taanlane Poul La Cour esimese elektriväljundiga tuulemasina, mis arvestas aerodünaamika printsiipe (väikese tihedusega materjal, rootoril neli aerodünaamilise kandepinnaga laba), nagu parimates Euroopa torntuulikuteski. Suurema kiiruse tõttu oli La Couri rootor üsna praktiline elektritootmisvahend. I Maailmasõja lõpuks olid 25kW elektritootmismasinad levinud kogu Taanis, ent peagi tõukasid suuremad ja odavamad fossiilkütusel töötavad jõujaamad tuulikud konkurentsist kõrvale.


1920. aastaks oli katsetatud mõlemat domineerivat rootoriseadet (lehvikutüüpi ja purjetüüpi) ning leitud, et nad ei suuda toota piisaval hulgal elektrit. USA tuuleenergia edasist arengut inspireerisid lennukipropelleri disain ning hiljem ka monoplaani tiivakuju.


Pilt 6. Brushi pukktuulik Clevelandis, Ohios, 1888. Esimene kord, mil elektri tootmiseks kasutati suurt tuulikut. Pange tähele muru niitvat meest all paremal.










Väikesüsteemi pioneerid

Esimestes elektrit tootvates tuuleturbiinides kasutati alalisvoolu generaatorisse suunamiseks lihtsalt modifitseeritud propellereid. 1920ndate keskpaiku leidsid firmade Parris-Dunn ja Jacobs Wind-electric valmistatud 1-3kW tuulegeneraatorid Suure Tasandiku Kesk-Lääne maamajapidamistes. laialdast kasutust.
(Paremal on näha A 3kW Jacobsi seade Rocky Flatsis Colorados 1977. aastal, , mida reguleerib suitsutõmbav M.L. Jacobs.) Esialgu paigaldati need süsteemid farmide valgustamiseks ning raadioakude laadimiseks. Siis hakati neid rakendama paljude erinevate alalisvoolu kasutatavate mootoriga töötavate masinate (külmkappide, sügavkülmikute, pesumasinate ja tööriistade) kasutamisel. Kuid mida rohkem masinaid varased tuulegeneraatorid pidid elektriga varustama, seda suuremaks muutus vahelduvvoolu probleem. 1930ndatel ja 1940ndatel toimunud süsteemide allakäiku kiirendasid kaks faktorit " maamajapidamised vajasid üha rohkem voolu ning suur majandusdepressioon, mis sundis USA valitsust elektriliinide rajamisega põllumajandusalade majandust toetama.


Pilt 7. M.L. Jacobs reguleerib 1977. aastal Jacobs Wind-electricu vedrukäivitusega labajõnksu pikkuse vahetussüsteemi.









Palju on räägitud sellest, kui kole see valitsuse sekkumine ikkagi oli.(Sel hetkel kostab harilikult tuuleenergia kohta tehtud dokumentaalfilmides suupilli hale oie ning näidatakse kaadrit roostetavast tuuleturbiini logust.) Kahtlustan, et talunikud, kelle jaoks uued elektriliinid rajati, seda tunnet ei jaga. Ja tuulegeneraatori poolt tekitatud kasvav elektrivajadus koos tehnoloogia kohanemisvõimetusega muutsid olukorra lootusetuks. Varaste tuuleturbiinide populaarsus Kesk-Läänes rajas tegelikult teed põhjalikuma tuuleenergia arengu jaoks tulevikus.

Kuigi 1950. aastaks oli uute väikeste tuulemasinate turg USAs kokku kuivanud, kasvas mehhaanilise ja elektrisüsteemi kasutamine kogu Euroopas ning ka Aafrika ja Austraalia tuulistes osades.


Tuuleenergia “masstootmine”

Massiliselt tuuleenergiat konverteeriva süsteemi loomine võeti kõigepealt käsile 1931 aastal Venemaal 100kW Balaclava tuulegeneraatori abil. See masin töötas Kaspia mere kaldal umbes kaks aastat ja genereeris 200 000 kWh elektrit. Sellele järgnenud eksperimentaalsed USA, Taani, Prantsusmaa ja Suurbritannia tuulefarmid aastatel 1935-1970 tõestasid, et suuremõõdulised tuuleturbiinid töötavad, ent praktiliselt kasutatav suur elektriline tuuleturbiin jäi tegemata.


Pilt 8. Palmer Putnami 1.25-megavatine tuuleturbiin oli üks 1930ndate tehnikaimedest, kuid disaini areng oli kahjuks materjalide arengust ees.











Suurim neist oli 1,25 megavatine Smith-Putnami masin (paremal pilt 8), mis rajati 1941. aastal Vermontis. See oli kahe laba ja horisontaalteljega, rootori diameeter oli 175 jalga ning rootor ise oli seadistatud torni suhtes allatuult. 16-tonnise roostevabast terasest rootori labajõnksu pikkus oli fikseeritud 28 p/min. Juba 1945. aastal, kui täis oli saanud vaid paarsada tundi vahelduvvooluga tööd, murdus üks labadest tüve juures metalliväsimuse tõttu. Pidades silmas, kui palju elektrit see tohutu tiirleva mängukonstruktorilaadne ehitis genereeris, ei ole see eriti üllatav.

Euroopa arengusuunad

II Maailmasõjajärgne Euroopa ajutine fossiilkütuse kriis oli süüdi energiahinna tõusus. Euroopas, nagu USAski, olid süsteemid vastastikuses seoses peamiselt elektriliinide abil.

Pilt 9. Jah, see on plaaner, mille küljes on kolm “Gedser Molleni” laba. Pärast klaaskiu kasutuselevõtmist polnud seda enam vaja.
















Taanis töötas 200kW-ne Gedser Milli tuuleturbiin edukalt kuni 1960ndate alguseni, mil langevad fossiilkütuse hinnad kukutasid tuuleenergia taas aurujõul töötavate elektrijaamade konkurentsist välja. Gedser Milli masinal oli kolmelabaline pealetuult pöörlev fikseeritud labajõnksudega rootor, mis kasutas ära mehhaanilise tuuleveski tehnoloogiat ning lisatud oli ka plaaner-tugialus. Kavand oli mehhaaniliselt märksa lihtsam kui Smith-Putnami masinal. Tegelikult ei erinenud see kuigivõrd Poul La Cour’ 1920ndate tuulikust (mis tuli masinale ainult kasuks.)


Saksa professor Ulrich Hutter konstrueeris seeria kaasaegseid keskmise suurusega horisontaaltelje kavandeid, milles kasutas kaalu vähendamiseks ning tööjõudluse suurendamiseks moodsa aerodünaamilise pinnaga klaaskiudu ning vahelduva jõnksupikkusega plastiklabasid.

Selle lahendusega püüti vähendada kande" ja ehitusvigu, lastes aerodünaamilist koormust läbi, selle asemel, et koormusele vastu panna nagu Taani kavandites planeeriti. Üks innovatiivsematest koormuse läbilaskenippidest oli koormuse rootori tüvele kandmine, mis võimaldas rootoril vastavalt tuulepuhangutes kiikuda. Eksperimendid Hutteri kavanditega lõpetati 1968. aastal, pärast seda, kui neile oli üle 4000 tunni kulunud.

Pilt 10. Hutteri tuuleturbiinid, nagu muudki 20. sajandi keskpaigast pärinevad Saksa masinad, olid oma aja kohta üsna edumeelsed.

















Sõjajärgses Taanis ja Saksamaal mõjutasid tuuleenergiat kaks peamist horisontaaltelje lahendust, mis tõusid taas tähelepanu keskmesse 1970ndate alguses. Taanis rafineeriti Gedser Milli lihtsat, fikseeritud labajõnksuga süsteemi, kasutati uusi materjale, parandati vigade vähendamiseks aerodünaamilist disaini ja aerodünaamika kontrolli. Hiljem kasutasid Saksa masinaehituses käibele võetud uuendusi (suurem tööjõudlus tänu kergematele materjalidele ning rootori tüve kiiktugi) ka USA disainerid.

Moodsaid vertikaalteljega rootoreid hakkas1920. aastail arendama prantslane G.J.M. Darrieus. Tema paljudest kavanditest olulisimal rootoriplaanil on saledad kumera aerodünaamilise pinnaga labad kinnitatud tiirleva vertikaalse toru otste külge. Selle disainiga ei tegeldud eriti enne 1960ndaid, mil idee taasavastati kahe Kanada leiduri poolt.


Allikas: http://telosnet.com/wind/index.html