Mikkelin ammattikorkeakoulu / TUULIVOIMAKÄYTÖT Antti Huttunen Antti Pietikäinen Ville Sepponen Niko Lindroos

Mikkelin ammattikorkeakoulu / Yleistä tuulivoimasta -Tuulivoima on tuulen liike-energian muuntamista sähköksi. -Yleensä tuuliturbiinien pyörivien lapojen välityksellä -Uusiutuvaa energiaa! -Peräisin auringon säiteilystä! -Tuulivoimakapasiteetti Suomessa 2015 vuoden lopussa -N.1000MW (lähde: Wikipedia)

Mikkelin ammattikorkeakoulu / Yleistä tuulivoimakäytöistä Tuulivoimaloiden generaattorit –Toimintaperiaate –Tahtigeneraattori –Epätahtigeneraattori –Tuulivoimalakonseptit

Mikkelin ammattikorkeakoulu / Yleistä tuulivoimakäytöistä Vaikka tuulivoimalat yleensä luokitellaan generaattorin nimellistehon perusteella, oleellista on tiedostaa, että nimenomaan roottorin ominaisuudet ovat oleellisia voimalan tehontuotannon kannalta. –Olipa generaattorin nimellisteho kuinka suuri tahansa, tuotettu sähköteho jää aina roottorin mekaanista tehoa pienemmäksi. –Yhteensopivan roottori-generaattori-parin mitoittaminen onkin tärkeä osa tuulivoimalan suunnittelua.

Mikkelin ammattikorkeakoulu / VAIHTOSÄHKÖGENERAATTORIN TOIMINTAPERIAATE Moottori saadaan tuottamaan sähköenergiaa, kun johdinsilmukkaa pyöritetään magneettikentässä. Tällöin on kyse generaattorikäytöstä. Generaattorissa on aina staattori (paikallaan pysyvä osa) ja roottori (pyörivä osa), ja ne molemmat sisältävät magneettikentän lähteen. –Magneettikenttä synnytetään joko kesto- tai sähkömagneeteilla.

Mikkelin ammattikorkeakoulu / TAHTIGENERAATTORI Tahtigeneraattorissa sähköinen ja mekaaninen taajuus ovat synkronoidut. –Kun tahtigeneraattorin roottori pyörii yhden kierroksen, staattoriin syntyy sinimuotoista jännitettä n jaksoa, jossa n on roottorin napaparien lukumäärä.

Mikkelin ammattikorkeakoulu / EPÄTAHTIGENERAATTORI Oleellisin ero epätahtigeneraattorin ja tahtigeneraattorin välillä on siinä, että epätahtigeneraattorissa roottorin käämit ovat oikosuljetut. –Roottorikäämit virrallistetaan sähkömagneettisella induktiolla. –Siksi epätahtikonetta kutsutaan myös oikosulkukoneeksi ja induktiokoneeksi. Epätahtia kutsutaan jättämäksi. –Oleellista on huomata, että jättämän kasvaminen lisää mekaanista vääntömomenttia. –Mitä enemmän roottorin pyörimisnopeus poikkeaa staattorin määrittämästä tahtinopeudesta, sitä voimakkaammin muuttuvan magneettikentän roottori näkee, ja sitä voimakkaampi on magneettinen vuorovaikutus staattorin ja roottorin välillä.

Mikkelin ammattikorkeakoulu / EPÄTAHTIGENERAATTORI Jättämän suunta määrittää epätahtikoneen toiminnan. –Jos roottoria pyöritetään hieman tahtinopeutta suuremmalla pyörimisnopeudella, tehon suunta kääntyy. Tällöin epätahtikone muuttaa roottorin mekaanista energiaa staattorin sähköenergiaksi, joten nyt kone syöttää sähköenergiaa verkkoon. On tärkeää huomata, että epätahtikoneen pyörimisnopeus on lähes vakio. Mitä enemmän tahtinopeudesta halutaan poiketa, sitä enemmän tarvitaan mekaanista vääntömomenttia.

Mikkelin ammattikorkeakoulu / TUULIVOIMALAKONSEPTIT: VAKIONOPEUKSINEN Vakionopeuksinen tuulivoimala perustuu epätahtigeneraattorin käyttöön. –Voimala on suoraan kytketty muuntajan kautta sähköverkkoon. Sähköverkon taajuus ja generaattorin napapariluku määrittävät roottorin tahtinopeuden. –Kun lisäksi otetaan huomioon vaihdelaatikko, saadaan selville lapojen pyörimisnopeus ω t, jolla generaattorin roottori pyörii tahtinopeudella. –Vakionopeuksinen tuulivoimala suunnitellaan toimimaan niin, että ω t ylittyy jo alhaisilla tuulennopeuksilla. –Kun maanpäällinen tuulennopeus kasvaa, lapojen pyörimisnopeus ei juurikaan kasva. Lapojen tuottama vääntömomentti sen sijaan suurenee voimakkaasti jättämän lisääntyessä.

Mikkelin ammattikorkeakoulu / Vakionopeuksisella tuulivoimalalla on sekä hyvät että huonot puolensa + Verkkoon kytkentä on yksinkertaista. + Voimalan suojaaminen on periaatteessa yksinkertaista, sillä turbiinin vakionopeus mahdollistaa passiivisen sakkaussäädön käytön. - Vakionopeudella pyörivä turbiini on aerodynaamisessa mielessä optimoitava tietylle tuulennopeudella. - Vakionopeuksisissa voimaloissa käytetään halpoja massatuotantogeneraattoreita jotka saavuttavat hyvän hyötysuhteen vasta suurilla pyörimisnopeuksilla. Koska turbiini pyörii paljon hitaammin, voimalassa on oltava vaihteisto. Viimeisen 20 vuoden historia osoittaa, että vaihdelaatikko on tuulivoimalan vikaherkin komponentti.

Mikkelin ammattikorkeakoulu / RAJOITETUSTI MUUTTUVANOPEUKSINEN Rajoitetusti muuttuvanopeuksinen voimalatyyppi on teknisesti lähes samanlainen kuin vakionopeuksinen voimala. –Toiminta perustuu oikosuljettujen roottorikäämien resistanssin kasvattamiseen. –Mitä suurempi roottorikäämien resistanssi on, sitä laajemmalla vaihteluvälillä roottori voi pyöriä. Jättämä siis kasvaa resistanssin kasvaessa. –Vakionopeuksisessa voimalassa jättämä on yleensä 1-3% tahtinopeudesta, ja rajoitetusti muuttuvanopeuksisessa voimalatyypissä vastaava lukema on 1- 10%. –Aerodynaaminen hyötysuhde kasvaa, mutta osa hyödystä kuluu roottorikäämien resistiivisiin häviöihin.

Mikkelin ammattikorkeakoulu / MUUTTUVANOPEUKSINEN OSATEHOISELLA SUUNTAAJAKÄYTÖLLÄ Muuttuvanopeuksinen voimalatyyppi osatehoisella suuntaajakäytöllä muistuttaa teknisesti rajoitetusti muuttuvanopeuksista voimalatyyppiä. –Käytössä on edelleen epätahtigeneraattori, ja lapojen muuttuva pyörimisnopeus perustuu jättämän kasvattamiseen. –Tässä voimalatyypissä lapojen muuttuva pyörimisnopeus perustuu siihen, että jättämän kasvusta seuraava tehonlisäys siirretään osatehoisen suuntaajakäytön välityksellä sähköverkkoon. –Mitä suurempi osa tehosta siirretään suuntaajakäytön kautta, sitä suurempi on lapojen pyörimisnopeuden vaihteluväli. Toisaalta suuntaajakäytön tehokapasiteetin kasvattaminen lisää merkittävästi kustannuksia. –Yleensä noin 30% generaattorin kokonaistehosta siirretään suuntaajan kautta.

Mikkelin ammattikorkeakoulu / MUUTTUVANOPEUKSINEN TÄYSTEHOISELLA SUUNTAAJAKÄYTÖLLÄ Kun suuntaajakäyttö mitoitetaan generaattorin nimellisteholle, saadaan aidosti muuttuvanopeuksinen voimalatyyppi. –Tällöin käytetään yleisimmin tahtigeneraattoria, mutta myös epätahtigeneraattorin käyttäminen on mahdollista. –Vaihdelaatikon tarve riippuu generaattorityypistä. Jos käytetään erityisesti tuulivoimakäyttöön suunniteltua (kestomagneetti)generaattoria, vaihteita ei tarvita. –Tämän voimalatyypin voidaan sanoa olevan teknisesti kehittynein, mutta samalla hinta nousee huomattavasti suuremmaksi kuin osatehoisen suuntaajakäytön muuttuvanopeuksisessa voimalatyypissä. –Kalleimmat komponentit ovat generaattori ja täystehoinen suuntaajakäyttö.

Mikkelin ammattikorkeakoulu / Lyhyesti: Vaihtovirtatahtigeneraattori –Kierroslukua säätämällä ne saadaan tuottamaan tarkalleen tietyn taajuista vaihtovirtaa –Yleensä vierasmagnetoituja Magnetoinnilla säädetään loistehoa Napakulmalla säädetään pätötehoa –Suoravetoinen kestomagnetoitu Ei perinteistä käämitystä, vaan kestomagneetti Ei tarvitse vaihdelaatikkoa Tarvitsee tehoelektroniikkaa Tasavirtageneraattori –Käytetään pienitehoisissa laitoksissa Kestomagnetoituja

Mikkelin ammattikorkeakoulu /