Algusesse
Energiaallikad Elektrienergia tootmine Elektrienergia ülekanne ja jaotamine Elektriturg ja -müük Tarbimine Tuuleenergeetika
TTÜ elektroenergeetika instituut


ENERGIAMOODUL


TUULEENERGEETIKA

 

Eestis räägitakse järjest rohkem taastuvatest energiaallikatest ning tingituna meie klimaatilisest olukorrast mõeldakse nende all peamiselt biomassi ja tuuleenergiat. Elektrituruseaduse kohaselt loetakse Eestis taastuvateks energiaallikateks järgmiseid energialiike (elektrituruseadus § 57): vesi, tuul, päike, laine, tõus-mõõn, maasoojus, prügilagaas, heitvee puhastamisel eralduv gaas, biogaas ja biomass.

Võrreldes biomassi ja tuuleenergiat, on energiasüsteemi stabiilsust arvestades biomassil üks suur eelis. Selle tingib asjaolu, et peamiselt kasutatakse biomassi küttematerjalina traditsioonilises katlas - kütust saab koguda, tema kasutamist ennustada ja meile sobival ajal kasutada.
Tuulest elektrit tootes peame me arvestama, et elektrit saame ainult siis, kui meil on piisaval tuult. Me oleme harjunud lugema ilmaennustusest peamiselt seda,  kas homme sajab või ei saja ja kui soe või külm meil on.
Tüüpiline ilmaennustus Eesti Meteoroloogia ja Hüdroloogia Instituudi (EMHI) poolt on järgmine:
ilmaennustus 20.11.11

Mis see tähendab?

Tuulikutele vajalik energiaallikas (liikuv õhumass) ei ole saadaval siis kui me soovime, vaid siis kui ta tuleb. Me ei saa tuulikute "kütust" salvestada nagu me saame seda teha bimassi või teiste fossiilsete kütuste puhul. Tuulikute puhul kehtib lause, et kui on toorainet, siis tuleb seda ka ära kasutada.

Nagu ilmaennustusest näha planeeritud tuulekiirus 20. novembri päevaks väheneb 1-7 meetrini sekundis. Kas seda on tuulest energia kättesaamiseks palju või vähe püüamegi alljärgnevalt selgitada.

2010. sügisest 2011. aasta kevadeni korraldati reaalsete mõõtetulemuste saamiseks ühe magistritöö raames TTÜ elektroenergeetika instituuti anemomeetriga tuulekiiruse mõõtmised ühel Tallinna maja katusel.
Joonisel 1.  on toodud nendest mõõtmistest ainult üks 12tunnine lõik tuulekiiruse iseloomustamiseks.
tuule kiirus
Joonis 1. Mõõdetud tuulekiiruse väärtused

Joonisel on toodud tuule kiiruse 10ne minuti keskmised väärtused mõõdetuna ühe Tallinna 9-kordse paneelmaja katuselt. Mõõteseade (anemomeeter) asus maapinnast 36 meetri kõrgusel ja ligi kahe kilomeetri kaugusel merest. Mõõtekohast oli näha vee piir ning olulisemalt kõrgemaid hooneid tee peal ei olnud. Küll on vahepealne piirkond tihedalt hoonestatud ning merepoolses piirkonnas mõjutavad tuule kiirust ka tihedalt paiknevad puud. Mõõtmiseid viidi läbi terve aasta, aga siin näites on kasutatud ainult ühte 12-tunnist lõiku. Punase joonega on joonisel 1. toodud keskmine tuulekiirus antud 12-tunni jooksul (8,2 m/s). Tuule kiirus on selle aja jooksul muutunud 5 m/s kuni 11 m/s. Seega on tuule kiiruse vähima ja suurima väärtuse vahe 6 m/s.
Vaadates joonist 2. saame aru, kui suur muutus see on.

võimsuskõver
Joonis 2. Elektrituuliku võimsuskõver

Elektrituuliku võimsuskõver näitab tuulekiiruse ja tuuliku poolt arendatava võimsuse suhet. Joonisel 2. toodud näites tuulik tuulekiirustel alla 3 m/s ei tööta. Tuules lihtsalt ei ole piisavalt võimsust, et tuulikut pöörlema panna. Tuulekiiruse kasvades tuulik käivitub ning saavutab oma nimivõimsuse (näites 6000 W) tuulekiiruse 14 m/s juures. Seda tuulekiirust nimetatakse ka nimikiiruseks - tuule kiirus, kui tuulik saavutab nimivõimsuse. Seadmete ja inimeste ohutuse tagamiseks seisatakse elektrituulik, kui tuulekiirus kasvab üle 20-25 m/s. Tuulikut võib küll ehitada ka seda tuulekiirust vastu pidama, aga kuna sellist tuulekiirust esineb harva, siis ei tasu täiendav investeering seadme tugevdamisse ära ning tuulik seisatakse.
Võttes joonisel 1. toodud mõõtmiste perioodist väikseima väärtuse 5 m/s saame tuuliku väljundvõimsuseks ~220 W. Tuulekiiruse kasvades 6 m/s võrra 11 meetrini sekundis kasvab tuuliku arendatav võimsus 2700 vatini. Kuna tuulik saavutab oma nimivõimsuse alles tuulekiiruse 14 m/s juures, siis sellist tuulekiirust vaadeldud 12-tunnise ajaperioodi jooksul ei olnud.
Eestis jääb keskmine tuulekiirus rannikul 7 m/s juurde ning seda arvestades on näites toodud 8,2 m/s üle keskmise, aga toodud ilmeennustuses 20. novembri päevaks nii suurt tuulekiirust ei prognoositudki.
Täpsemat tuulekaarti saab vaadata Eesti Tuuleenergia Assotsiatsiooni koduleheküljelt. Teades elektrituuliku võimususkõverat ja tuulekiirust saame koostada ka elektrituuliku väljundvõimsuse graafiku nagu toodud joonisel 3.


väljundvõimsus
Joonis 3. Tuuliku poolt arendatava võimsuse muutus

Antud väljundvõimsuse keskmine on 1220 W.  Selle 12 tunni jooksul tootis tuulik 14,64 kWh. Et teada saada, kui palju see tuulik oleks võimeline tootma elektrit töötades kogu selle aja nimivõimsusel, peame korrutama 12 tundi nimivõimsusega (6000 W).
Siit saab leida ka sellise väärtuse nagu kasutustegur – tootmisseadme tegelik toodang jagatud teoreetilise suurima toodanguga. Ehk võttes selle 6000 vatise seadme oleks ta nimivõimsusel 12 tundi töötades tootnud 72 kWh, kuid tegelikkuses tootis see seade ainult 14,64 kWh ehk kasutustegur tuleb 20,3% (14,64/72 = 0,203 ehk 20,3%).
Seda tasub meeles pidada, kui tahame endale soetada väiketuulikut. Siin toodud lihtne arvutus näitab, et me peaksime endale püsivalt soovitavat võimsust ületama vähemalt viis korda.
Ehk 1 kW saamiseks peaks vähemalt 5 kW tuuliku üles panema. See on väga lihtsustatud väide, aga annab väikese selguse, kuidas väiketuulik töötab.
Joonisel 4. on kokku võetud kogu eelnev jutt ning püütud see panna ühele joonisele.

Graafik
Joonis 4. Graafik tuule kiirusest tuuliku väljundvõimsuseni

Pildi all vasakus nurgas (4-1) on toodud tuulekiirus ning joonisel 4-2 on see sama joonis, aga teljed on vahetatud. Liikudes muudetud telgedega pildilt edasi joonisele 4-3 näeme, kuidas muutub võimsus tuuliku võimsuskõveral. Sealt tekib ka pidev võimsuse muutus ehk jooniselt 4-4 on näha, kuidas tuule kiiruse pidev muutus on näha tuuliku väljundvõimsuses.

Sama on suurtel tuulikutel ja tuulepargil. Peab arvestama, et iga üksiku tuuliku võimsuskõverat liites ei saa me pargi võimsuskõverat. Seda põhjusel, et iga tuuliku juures on erinev tuulekiirus, mille põhjustab üksikute tuulikute tuulevari teistele samas pargis olevatele tuulikutele. Seda nimetatakse ka tuulepargi efektiks – kui palju toodavad tuulikud tuulepargis vähem võrreldes sellega, kui tuulik paikneks üksikult. Sõltuvalt tuulesuunast ja tuulikute paigutusest on see erinev ning tuulepargi planeerimisel võetakse arvesse, et peamiste tuulte suunas oleks see võimalikult väike.
Üksiku tuuliku ja ka tuulepargi võimsuskõver saadakse rea reaalsete andmete kogumisel ning kui tuuliku kohta saab neid teha juba tuuliku tüübi katsetamise käigus, siis tuulepargi võimsuskõvera saab reaalselt ikka alles pärast tuulepargi ülesseadmist.

TTÜ energeetikamaja hoovi on püstitamisel väiketuulik nimivõimsusega 5 kW. Meie huvi põhjuseks taolise väiketuuliku vastu on asjaolu, et soovime uurida, kuidas käitub väiketuulik linnakeskkonnas ning kui juhuslik ja milliste parameetritega on toodetud elekter. Tuuliku asukoht saab olema ebaharilik, kuna ta asub suurte majade vahel, aga samas peaks tuuliku juurde tekkima ka tuulekanal, mis majade vahelt tulles peaks hoogu koguma. Esimesi tulemusi on oodata 2012 aasta sügiseks.

TTÜ tuuliku asukoht

 

 

Algusesse
Energiaallikad Elektrienergia tootmine Elektrienergia ülekanne ja jaotamine Elektriturg ja -müük Tarbimine Tuuleenergeetika
TTÜ elektroenergeetika instituut