Tuulikud

Tuulikud jaotuvad mehaanilise konstruktsiooni järgi kaheks: horisontaalvõllil paiknevate tiivikutega ehk klassikaline variant (HAWT Horisontal Axis Wind Turbine) ja vertikaalvõlliga nn rootortuulik (VAWT Vertical Axis Wind Turbine).

 Horisontaalvõlliga tuulikud jaotatakse tuulde pööramise järgi veel: 

• allatuult - generaator eespool;
• ülestuult - tiivik eespool; 
• passiivsed ehk tuulde pööramine toimub tuule jõul; 
• aktiivsed ehk tuulde pööratakse juhitava ajamiga.
  

Lihtsam lahendus töötab tuulelipu põhimõttel - sabaosa stabilisaator hoiab tuuliku tiiviku tuules ja piisava tuulekiiruse juures hakkab tiivik pöörlema. Aktiivse tuuldepööramisega elektroonilise tuuleotsingu süsteemiga tuulikud (alates 3 kW) tagavad töötamisel stabiilsema käigu ja sellega kaasnevalt suurema toodetava energiahulga. Rootortuuliku puhul on tegemist veelgi lihtsama lahendusega - tema tööorgan on avatud ükskõik millises suunas puhuvale tuulele ja tööle hakkavad nad piisava tuuletugevuse puhul. Samas ei võimalda selline konstruktsioon neid tuulest välja keerata, mis nõuab tugevamat konstruktsiooni ja pidureid.

Tuulikutel kasutatakse peamiselt  vahelduvvoolu tootvaid generaatoreid. Väiketuulikute puhul tavaliselt otse tuulikust tulevat voolu ei kasutata - pinge kõigub väga suures ulatuses. Et seda stabiilsemana hoida, on lihtsaima lahenduse puhul enne tarbijat ühendatud kontroller, millel on kaks ülesannet - piirata tugeva tuule korral tuuliku pöördeid ja kontrollida tarbimisse mineva pinge ja voolu parameetreid. Kontroller on tavaliselt komplektis tuulikuga. Päikesepaneelidele mõeldud kontrollerid üldjuhul tuulikutele ei sobi, kuna neil puudub võimalus energia ületootmise korral tuulikut pidurdada. Väiksemate tuulikute (kuni 1 kW) kontrollerid väljastavad üldjuhul akupanga laadimiseks vajalikku 12, 24 või 48 VDC pinget, suurematel tuulikutel võivad olla juba eraldi seadmed tuuliku juhtimiseks (pidurdamine, pööramine, avariiseiskamine) ning  inverterid, mis toodavad võrguga ühilduvat 230 VAC pinget. Viimasel ajal on välja tulnud sarnaselt PV MPPT kontrolleritele ka tuulikutele mõeldud MPPT kontrollerid, mis võimaldavad tuulikul töötada parimas režiimis ja lubavad kuni 30% suuremat tootlikkust võrreldes tavaliste kontrolleritega.

Kuna tuulikule antav tuuleenergia on tuulekiirusest kuupsõltuv ehk lihtsamalt öeldes on suurte, üle 20 m/s tuule kiiruste korral tegemist tuuliku nominaalvõimsusest oluliselt suuremate võimsustega, tuleb tuulikuid purunemise ning akude ülelaadimise vältimiseks  pidurdada. Tuulikute võimsuse (ja pöörete) piiramiseks on mitmeid lahendusi. Kõige lihtsam on see, kui kontroller lisab pinge tõustes tuulikule lisakoormuse ehk dump loadi, mis tarvitab osa tuuliku toodetud võimsusest ja langetab pinget. Täiuslikemal mudelitel toimub lisakoormuse lisamine PWM modulatsiooniga. Mõnedel tuulikutel on konstruktsioon, kus tuuliku võlli telg on masti telje suhtes nihutatud ja võimaldab neil tugeva tuule korral tuulest välja pöörata. Suurematel, alates  3 kW võidakse kasutada ka tiiviku labade pööramist ümber oma telje, muutmaks labade ründenurka.

Kui tuul on heitlik, on ebaühtlane ka energia tootmine.  Sõltumatute süsteemide puhul  on lahenduseks energia salvestamine akupatareides ja hilisem või samaaegne kasutamine alalisvoolu tarbijates, soovi korral saab inverteri abil selle muuta tavaliseks „valgustusvooluks” 230 V, 50 Hz. Võimalus on ka energia salvestamine akumulatsioonipaagis sooja vee kujul. Võrguühendusega süsteemide korral toodetakse energiaülejääk võrku ning kasutakse võrku  virtuaalse energiasalvestina. 

Miks osta endale tuulik? Tuulikud on päikesepaneelide suurepärased partnerid. Ei paista ju päike ööpäev läbi, soodsas (tuulises) asukohas töötab tuulik aga sõltumata kellaajast. Sõltumatusse süsteemi tasub tuulik soetada siis, kui majapidamist kasutakse ka sügis-talvisel perioodil. Kõige tasuvam on tuulik piirkondades, kus aasta keskmine tuule kiirus on üle 5 m/s.    

Majapidamisse valitava tuuliku võimsus sõltub sellest, kui suur on energiavajadus ja kui palju tuuliku asukohas tuult on. Energiavajadust pole raske hinnata - see sõltub elektriseadmetest (kodumasinatest), kui palju need energiat tarbivad ja kui tihti neid kasutatakse.

Piisavalt tuulises asukohas võib kogu majapidamises vajamineva energia saada tuulelt. Kodudele sobivad 1 - 5 kW tuulikud, mille rootori läbimõõt on 2 - 6 m. Kui soovitakse elektrit müüa ning on olemas tuuliku jaoks hea koht, siis võib valida ka suurema seadme.

Tuuliku paigalduskohta peab põhjalikult vaagima. Valida tuleb maavalduse kõige tuulisem koht, mis ei pruugi olla järsak, küngas, kõrge ehitis või kalju, sest pinnamoe järsk muutumine paneb tuule tihtipeale väga veidralt käituma. Noorte puude lähedusse tuuliku paigaldamisel tuleks arvestada, et puud kasvavad  ja hetkel soodne asukoht ei pruugi seda varsti enam olla. Võis siis tuleb masti pikkuse juures arvestada puude kasvamisega. Parim koht tuulikule on tuultele avatud kõrgendik või lage põld. Tuulik peaks paiknema 5 - 6 m kõrgemal ümbritsevatest lähiobjektidest (maja, puud jne). Tuuliku efektiivse töötamise huvides on, et tuulik oleks kõrgemal tuule turbulentsi piirkonnast. Seda on võimalik kontrollida tuulelohega - kui lennutada lohet, siis mingist kõrgusest alates hakkab lohe stabiilselt lendama. See tähendab, et lohe väljus turbulentsi alast. Selle reegli vastu eksitakse väga tihti - tuulik paigaldatakse liiga madalale ja hoonete ligidusse. 

Omaette teema on tuuliku mast, mis võib maksta üle poole tuuliku hinnast. Põhimõtteliselt võib mastid jagada kaheks - vabalt seisvateks ja vantidega püsti seisvateks mastideks. Kõige lihtsam ja odavam on kindlasti vantidega seisev torumast, kuid selle puuduseks on asjaolu, et selline mast nõuab suurt vaba pinda vantide kinnitamiseks - vantide kinnituskaugus masti jalast on ½ masti kõrgusest. Vabaltseisvate mastide valik on lai - alates lihtsast puitpostist kuni keerukate hüdrauliliselt langetatavate mastideni.

Suuremate, üle 5 kW tuulikute mastide püstiajamine võib olla tõsine probleem, eriti juhtudel kui kraanaga ligipääs on raskendatud või võimatu (laiud, väikesaared), samuti üksikute metsatalude korral, kus  metsade keskel olev mast peaks olema suhteliselt kõrge (30 - 40 m).

Joonis. Väiketuuliku masti püstitamine

Tuuliku müra teeb muret nii mõnelegi inimesele. Enamasti kvaliteetset väiketuulikut ei kuule, sest tuule mühin ja puude kohin on nii tugev, et summutab tuuliku müra. Maja külge ei maksa tuulikut panna, kuigi selline kiusatus võib tekkida ja see võib isegi lihtne tunduda. Võib juhtuda, et tuuliku vibratsioon ja sellest tulenev resonantsvõnkumine ei lase öösel magada. On küll olemas hästi tasakaalustatud vertikaalseid tuulikuid, mida võib tootjate väitel maja külge panna, kuid võimalusel tuleks seda vältida ka maja läheduses oleva turbulentse tuule tõttu, mis vähendab tuuliku kasutegurit.

Kõik tootjad annavad oma tuulikute kohta andmed (võimsuskarakteristiku, inglise keeles power curve) selle kohta, kui suur on teatud tuulekiiruse juures võimsus. Seda  ei tasu väga tõsiselt võtta kuna selle koostamiseks  puuduvad üldkasutatavad ühised standardid ja tootjad soovivad oma tuulikuid ikka paremast küljest näidata.  Paljud tootjad annavad oma seadmete kohta tarbijale rohkem huvipakkuva energiatootlikkuse, mitte võimsuse. Kui on teada, milline on tuuliku asukohas tuule aasta keskmine kiirus, saab arvutada, kui palju tuulikust energiat saab. Ligikaudsed andmed tuulest saab lähimast ilmajaamast, oluliselt täpsema tulemuse aga enda ilmajaama kasutades. Viimaseid on saada hinnaga alates 150 €.

Tuulegeneraatori võimsus, kasutegur ja tootlikkus

Väikeste tuulegeneraatorite iseloomustamisel kasutatav nominaalvõimsus on nö kommertsparameeter ja seega on soovitatav tuulegeneraatori võimsus alati üle arvutada enne ostuotsuse tegemist. 

Rusikareegel on, et 1 m² tiiviku pindala  =  nominaalvõimsus 200 W (arvestusega, et tuule kiirus on 10 m/s ja kasutegur 33%). 

Tiiviku pindala = 3,14*(tiiviku diameeter / 2)² 

Näide: Võrdleme kahte 1 kW nominaalvõimsusega tuulegeneraatorit:

·       Generaator 1 - nominaalvõimsus saavutatakse tuulekiirusega 11 m/s ja
tiiviku diameeter on 2,2 m (pindala 3,8 m²)

·       Generaator 2 - nominaalvõimsus saavutatakse tuulekiirusega 9m/s ja
tiiviku diameeter on 3 m (pindala 7,07 m²) 

Arvutades tuulegeneraatorite nominaalvõimsused eelpool toodud rusikareegli järgi saame tulemuseks:

·       Generaator 1 - tiiviku pindala 3,8 m^{2 *} 200 W = 760 W / 1000 = 0,76 kW

·       Generaator 2 - tiiviku pindala 7,07 m²* 200 W = 1414 W /1000 = 1,41 kW
 

Uskumatu küll, aga "Generaator 2" on samal tuulekiirusel tegelikult ligi poole võimsam, kuigi tehnilistes andmetes on mõlema tuulegeneraatori võimsuseks märgitud 1 kW.

Tuulegeneraatori võimsus ja selle arvutamine

Tuule võimsuse arvutamisel võetakse tuule kiirus astmel kolm (V³). Sellest järeldub, et nõrga tuulega (1-3 m/s) on generaatori võimsus väga väike (n 3,5³ = 42, aga 2³ = ainult 8).Nõrga tuulega ei saavuta tuulegeneraator ka akude laadimiseks vajalikku pinget ja seega võrdub tootlikkus nulliga. Kõige parem, kui tuulegeneraator alustab pöörlemist alates tuule kiirusel 3 - 3,5 m/s, nii ei kulutata rootori laagreid kasutult. 

Tiiviku labade arv ei muuda otseselt tuulegeneraatori võimsust, vaid toimib kui käigukast - mida rohkem labasid, seda suurem jõud ja väiksem pöörlemiskiirus. Madala tuulekiirusega paikades võib paremat tootlikkust saavutada viie ja enama labadega tiivik. Optimaalne on aga kolme labaga tiivik ja seda nii väikeste kui ka suurte tuulegeneraatorite puhul.
Kui tiivik on generaatori suhtes väikese pindalaga, siis jääb tootlikkus madalaks. Kui tiiviku pindala on liiga suur, siis ei suuda lihtsama ehitusega generaator tormituultega tiivikut ballastkoormuse abil piisavalt pidurdada ja generaator võib seetõttu puruneda. See on probleemiks odavate Hiina tuulikute puhul, kus väikese võimsusega generaatorile on paigutatud suure diameetriga tiivik. 

Tuulegeneraatori võimsuse arvutamiseks erinevatel tuulekiirustel saab kasutada järgnevat valemit: P = ½ρAV³C_p
Antud valemis on P tuulegeneraatori võimsus vattides (W), ρ õhu tihedus normaaltingimustel    (ρ = 1.226 kg/m³), A tiiviku pindala (m²), V tuule kiirus (m/s) ja C_p kasutegur. 

Näide: Kasutades valemit P = ½ρAV³C_p arvutame üle esimeses alalõigus toodud nö rusikareegli, kus 1 m² tiiviku pindala = nominaalvõimsus 200 W ja tuule kiirus on 10m/s ning generaatori kasutegur 33%:
1.226 kg/m³/ 2 * 1 m² * (10 * 10 * 10 m/s) * 33% = 202 W

Nüüd samade lähteandmetega arvutus tuule kiirusel 12 m/s:
0,613 * 1 * 12³ * 0,33 = 350 W

Tuule kiirusel 3,5 m/s on tulemus 8,7 W ja tuule kiirusel 2 m/s saame tulemuseks 1,6 W.

Kasutegur

Kasuteguri C_p väärtus on piiratud “Betz’i limiidiga”, mis on 59% (C_p=0,59). Betz’i seadus tõestab, et teoreetiliselt on kuni 59% tuuleenergiast võimalik muundada kasulikuks pöörlemiseks. Praktikas tuleb aga arvestada igasuguste muude kaasnevate kadudega - labade aerodünaamikast tulenevad kaod, elektritootmise kaod, turbulents.
Isevalmistatud- ja vertikaalteljelistel (VAWT) tuulegeneraatoritel jääb maksimaalvõimsuse C_p väärtus vahemikku 0,05 - 0,2. Kvaliteetsetel väikestel generaatoritel on maksimaalvõimsuse C_p 0,2 kuni 0,35. Suurtel tuulegeneraatoritel on C_p keskmise tuulekiiruse juures 6-9 m/s optimeeritud maksimaalseks, ulatudes umbes 0,48 - 0,5-ni, suurematel ja väiksematel kiirustel aga jääb 0,3 ringi.

Tuulegeneraatori tootlikkuse arvutamine

Teades piirkonna aasta keskmist tuule kiirust, ei saa kasutada valemit W=½ρAV³C_p aastase toodangu arvutamisel, sest nõnda ei arvestata tuule sagedusjaotusega. Tulemuseks saaksime tegelikkusest oluliselt väiksema aastase toodangu. Õige oleks arvutada aastane toodang peamistel tuule kiirustel (3 kuni 15 m/s) eraldi, korrutada see ajaga, mitu tundi aastas on vastavat tuulekiirust esinenud ja saadud tulemused summeerida.
Kui puuduvad tuule kiiruste esinemise ajalised andmed aasta lõikes, on võimalus ligikaudsete arvutuste tegemiseks kasutada Rayleight jaotust, mis on kaheparameetrilise Weibull'i jaotuse erijuhtum. Kogu Põhja-Euroopa ulatuses on tuultele avatud kohtades Rayleight jaotuse keskmiseks väärtuseks 2 (Eestis rannikul ja saartel 2,1 ning mandril 1,9).
Tuulegeneraatori aastase toodangu arvutamise valem arvestades Rayleight jaotust on järgnev:
Wh aastas = ½ρ * A * V^{3 *} C_p * 8760 * Rayleight jaotuse väärtus

½ρ = õhu tihedus 1.226 kg/m³/ 2 = 0,613

A = tiiviku pindala ehk 3,14*(tiiviku diameeter / 2)²

V³ = piirkonna keskmine tuule kiirusastmel kolm
C_p = tuulegeneraatori kasutegur
8760 on tundide arv aastas

Rayleight jaotuse väärtus = 2 (Põhja-Euroopa keskmine tuultele avatud kohtades).
Wh aastas = vatt-tundi aastas. Jagades vastuse arvuga 1000, saame tulemuseks kWh aastas.

Väiketuulikute hooldamine on väga erinev. On tuulikuid, millele tehas lubab esimest hooldust   20 a pärast, samas tahavad aga väikesaartel tugevates tuultes töötavate tuulikute laagrid ja mastiharjad vahetust 2 - 3 aasta tagant. Tavapärane on tuuliku laagrite vahetus 5 aasta tagant. Pealtnäha on tuulikud lihtsad ning neil on vähe liikuvaid osi. Ometi on neil ka keerukaid ja kuluvaid sõlmi, mille hooldusega tuleb tegeleda.

Tuuliku valik

Esmane on loomulikult vajalik võimsus. Tuulikuid on nii suurte kui ka väikeste tuulekiiruste jaoks. Kui pole võimalik erapooletut nõu saada, tasub tähelepanu pöörata sellele, kas  kõik tuuliku osad on ilmastikuolude eest hästi kaitstud (galvaniseeritud, roostevabad), kas tuulikul on hea enesekaitsesüsteem, mis kontrollib seadme pöörlemissagedust väga tuulise ilma korral. Lihtsamatel tuulikutel, mis pöörduvad tuulde tuulelipu põhimõttel on tavaliselt pidurdamine lahendatud koormuse lisamisega, mis aga paneb tuuliku labadele suure koormuse. Kasutatakse ka selliseid tuuliku labasid, mis eriti tugeva tuule puhul painduvad läbi ja vähendavad sellega pöörlemiskiirust.

Kodukasutusse mõeldud tuulikute hinnad on väga suures vahemikus, odavamate hinnad algavad 400 € ja kallimate 30 kW tuulikute hinnad koos masti ja kontrolleriga võivad ületada     100 000 € piiri. Üldiseks reegliks on, et mida võimsam, seda kallim (kuid mitte alati). Lihtsa konstruktsiooniga 5 kW tuulik võib olla oluliselt odavam viimistletud ja tehnoloogiat täis 3 kW tuulikust. Kui püsivalt tugeva tuulega asukohas annab lihtsa konstruktsiooniga võimas tuulik rohkem elektrit (aga võib ka kiiremini laguneda), siis muutliku ja vaiksema tuulega asukohas   võib kallim 3 kW tuulik lõppkokkuvõttes rohkem energiat toota, kuna ta käivitub väiksema tuulega ning hoiab ennast paremini tuules. Siin tasub väga hoolikalt jälgida tooja poolt antud tehnilisi andmeid. Tundmatute tootjate puhul tasub ka vaagida nende  andmete õigsust  võrreldes andmeid teiste sarnaste tuulikutega.

Tuulikut soetades tuleb jälgida, et tuulik oleks komplekteeritud tuulikule ja planeeritud tarbimisele (12, 24, 48 VDC, 230 VAC) sobiva kontrolleriga või peab vähemalt selge olema kust, millist ja mis hinnaga on võimalik antud tuulikule sobivat kontrollerit soetada.