Pientuulivoimala rakennusohjeita

Rakennusohjeita

1)Teoriataustaa

2) Kokoluokan valinta
3) Pääkomponentit
4) Myrskysuojaus
5) Potkuri ja napa
6) Pääakseli ja laakerointi

7) Vaihteisto
8) Generaattori
9) Runko ja masto
10) Säätöjärjestelmä

Tältä sivulta löydät perusperiaatteita pientuulivoimalan omatoimiseen rakentamiseen. Lisätietoa rakentamisesta saat esim. Suomen Tuulivoimayhdistyksestä tai muilta alan harrastajilta.

Teoriataustaa tuulivoimalan rakentamiseen

Tuulivoimalan potkurin pyörimisnopeus muuttuu melko suoraviivaisesti tuulennopeuden kasvaessa. Jotta potkuri käynnistyisi pienellä tuulennopeudella, on peruskuorman oltava pieni. Kovassa myrskyssä pyörimisnopeutta täytyy rajoittaa. Esim. halkaisijaltaan 1.7 m potkuri pyörii noin 400 r/min, kun tuulennopeus on 6 m/s.

Tee-Se-Itse rakentamiseen liittyviä kysymyksiä ja vastauksia

1) Onnistuuko potkurin suunnittelu harrastelijalta?
2) Onnistuuko harrastelija rakentamaan lavat itse?
3) Miksi lavat ovat yleensä kapeita, eikö leveä lapa tuottaisi paremmin?
4) Eikö potkuri tuottaisi paremmin, jos lapoja olisi enemmän?
5) Tuleeko potkurista melua?
6)Paljonko lavat maksaa, jos valmistan itse?
7)Voiko lavat valmistaa pellistä?

Teho kasvaa nopeasti tuulennopeuden kasvaessa. Pienellä tuulella ei tule oikein mitään ja sitten kun tuulee kunnolla, täytyy tehoa jo rajoittaa. Esim. 1.7 m potkuri tuottaa noin 140 W kun tuulennopeus on 6 m/s. Sama potkuri tuottaa 12 m/s tuulennopeudella jo yli 1 kW.

Voimala on mitoitettava tuulijakauman mukaiseksi. Esim. sisämaassa päiviä jolloin tuulee keskimäärin 12 m/s ei ole kovinkaan monta vuodessa. On myös päiviä kun ei tuule oikein mitään. Tuulijakauma vaikuttaa oleellisesti generaattorin nimellistehon valintaan. Tuulivoimala tuottaa energiaa, jos tuulee hyvin, huonolle paikalle ei kannata rakentaa.

Osa potkurin tuottamasta energiasta muuttuu lämmöksi jo ennen käyttöä. Voimalan hyötysuhde (erityisesti generaattorin hyötysuhde) on syytä viritellä tuulijakauman mukaan. Koska energiaa saa tuulesta kovin niukasti, kannattaa kiinnittää huomiota laitteiden hyvään hyötysuhteeseen.

Päivinä, jolloin tuulee vähän, saadaan "sangon pohjalle" vähän energiaa ja päivinä kun tuulee kovasti saadaan energiaa reippaasi. Täytyy kuitenkin muistaa, että tuulijakauman mukaisesti keskimääräisiä päiviä on paljon enemmän kun kovatuulisia. Pienituottoisiakaan päiviä ei kannata heittää hukkaan. Joka päivältä kun ynnäillään energiat yhteen saadaan vuosituotto. Esim. rannikolle sijoitettu voimala, missä potkurin halkaisija on 1.7 m, voisi tuottaa vuodessa noin 2000 kWh.

Kokoluokan valinta

Karkeasti jakaen potkurit alle 2 m ovat akkulatureita "mökkikäyttöön" ja noin 4 .. 8 m lämmityskäyttövoimaloita. Voimalan rakentaminen on iso projekti, jos aiempaa rakentamiskokemusta ei ole, rakentaminen kannattaa aloittaa riittävän pienestä kokoluokasta. Kaksi pienempää voimalaa voi olla hyvä ratkaisu.

Tuulivoimalan pääkomponentit

Perinteisen tuulivoimalan pääkomponentit ovat:

1. Tuulipotkuri (tuuliturbiini, tuuliroottori, tuulipotkuri, tuulipropelli)

2. Potkurin napa

3. Pääakseli ja laakerointi (pääakseli voi olla integroitu generaattoriin)

4. Vaihteisto (vaihteistoa ei aina tarvita)

5. Generaattori (tai esim. vesipumppu)

6. Peräsin (tai tuuliruuvi tai muu tuuleenkääntömekanismi)

7. Masto (ja harukset)

8. Säätöjärjestelmä (ja esim. latausjärjestelmä)

Tuulesta saatava energia on verrannollinen tuulennopeuteen. Teoriassa, kun tuulennopeus kaksinkertaistuu, energia kahdeksankertaistuu. Tuulivoimalalle kannattaa etsiä paikallisesti tuulisin paikka. Tuulisimpia alueita ovat tavallisesti aukeat pellot ja järven rannat, missä puustoraja on kaukana takana. On erittäin suositeltavaa mitata tuulennopeuksia aiotussa sijoituspaikassa. Jos ei tuule, ei kannata rakentaa.

Tuulennopeus kasvaa ylöspäin mentäessä - mitä korkeammalle koneisto nostetaan sitä enemmän energiaa saadaan.

Suurilla tuulennopeuksilla energiaa saadaan usein aivan liikaakin. Tästä aiheutuu tarve tuulivoimalan suojaamiseen myrskyllä (tehon rajoitus).

Tuulesta saatava energia on verrannollinen tuulipotkurin pyörähdyspinta-alaan. Pyörivä potkuri hyödyntää koko pyörähdyspinta-alan. Pysähtynyt vain murto-osan. Kitkahäviöt kannattaa minimoida, jotta voimala käynnistyisi jo pienillä tuulennopeuksilla.

Myrskysuojaus

Tuulivoimalan suunnittelu alkaa yleensä myrskysuojaustavan valinnasta. Tavallisimpia myrskysuojaus-tapoja ovat:

• Potkurin sivuun kääntö (potkuri käännetään pois tuulesta sivuun tai ylös, jolloin pinta-ala pienenee ja siten teho rajoittuu). Sivuun kääntö perustuu usein potkuriin kohdistuvaan tuulenpaineeseen.
  
• Potkurin pysäytys. Voimalassa on jarru, jolla potkuri pysäytetään myrskyn ajaksi.
  
• Potkurin sakkaus. Potkuria kuormitetaan niin paljon, että se ei enää pysty tuottamaan tarvittavaa energiaa, jolloin ilmavirtaus irtoaa lavoista ja lavat sakkaavat (Vaikea hallita. Käytetään yleensä vain suurissa voimaloissa).
  
• Lapakulman säätö. Potkurin lapojen kulmaa muutetaan niin, että teho pienenee.

Potkuri ja napa

Tehokkaassa tuulipotkurissa on yleensä kaksi tai kolme lapaa. Ihan pienelläkin kokemuksella potkuri on helppo saada pyörimään, mutta energian saanti onkin huomattavasti vaikeampaa. Tehokkaan potkurin suunnittelu vaatii syvällistä aerodynaamista laskentaa. Huonosti suunnitellun potkurin teho häviää jo itse potkurissa. Potkurin tehokkain alue sanelee pyörimisnopeuden ja muut osat "tulevat mukana" tai jarruttavat.

Potkuri on tasapainotettava huolellisesti ennen käyttöönottoa. Potkurin hyrrävaikutus on huomioitava voimalan rakennetta suunniteltaessa. Nopeasti pyörivä potkuri pyrkii vastustamaan voimalan kääntymistä tuuleen.

Lavat kiinnittyvät napaan. Jos voimalassa ei käytetä lapakulman säätöä, on napa yksinkertainen ja siten toimintavarma. Jos lavassa on valmis kiinnityskannake, voi lavat kiinnittää suorien napalevyjen väliin. Näin lapakulmat asettuvat oikein ja vaikeilta paikanpäällä tapahtuvilta mittauksilta vältytään.

Lapakulman säädöllä (kts, periaatekuva) saadaan kuitenkin useita etuja, mm. parempi käyntiinlähtö, mahdollisuus säädellä pyörimisnopeutta ja tehokas myrskysuojaus. Navan ja lapojen kiinnityksen lujuustarkastelussa täytyy huomioida erityisesti pyörimisliikkeen keskipakovoima.

Pääakseli ja laakerointi

Pääakseli siirtää energian potkurista vaihteistolle tai suoraan generaattorille. Pääakseliin vaikuttaa potkurin hyrrävoimien ja peräsimen väsyttävä taivutuskuormitus. Akselissa kannattaa käyttää vain parhaita akseliteräksiä. Älä hitsaa pääakselia, väsyttävä kuormitus saattaa aiheuttaa akselin murtumisen useiden käyttövuosien jälkeen. Pyri mahdollisimman pieniin laakereiden kitkahäviöihin, jotta voimala käynnistyisi helposti pienillä tuulennopeuksilla. Käytä hyvälaatuisia kuulalaakereita.

Vaihteisto

Välityssuhteen valintaan vaikuttaa potkurin ja generaattorin nimellispyörimisnopeus. Suositeltavia ovat öljyvoidellut hammaspyörävaihteet. Toki muitakin vaihderatkaisuja voi käyttää, esim. hammashihnavälitystä. Jos käytät kiilahihnaa, huomioi kiristystarve. Eristä hammaspyörävaihteisto tuulivoimalan rungosta kumieristimillä, jotta vaihteistomelu ei johdu runkorakenteeseen.

Generaattori

Pyri käyttämään generaattoria, jonka nimellispyörimisnopeus on pieni. Tällöin vaihteiston ei tarvitse olla suuri ja häviöt ovat siten pienempiä. Jos käytät hitaasti pyörivää generaattoria, ei vaihteistoa tarvita välttämättä lainkaan. Sopiva generaattoriteho on 170 - 250 W jokaista turbiinin neliömetriä kohden. Aivan rannikkoalueella generaattoriteho voidaan kertoa 1,5:llä ja sisämaassa 0,75:llä. Muista, että generaattoria ei voida kuormittaa enempää kuin mitä potkuri tuottaa. Jos kuormitat enemmän, potkuri sakkaa ja pysähtyy.

Runko ja tuulivoimalan masto

Tee peräsimen kiinnitys joustavaksi, jotta potkuri saa kääntyä hitaasti, vaikka tuulensuunta muuttuisikin nopeasti (potkurin hyrrävaikutus). Jos käytät peräsimessä tai rungossa alumiiniosia, huomioi erityisesti voimalaan kohdistuva väsyttävä kuormitus, sillä alumiini kestää heikosti väsytystä. Suositeltava pienen voimalan maston korkeus on 12 .. 20 m. Esijännitä harukset, jos käytät haruksia. Suunnittele pystytysjärjestelmä samanaikaisesti maston kanssa. Pystytysjärjestelmä voi perustua vaikkapa venevinssin käyttöön. Tee voimalaan ukkossuojaus ja maadoita masto.

Säätöjärjestelmä

Koska voimalan pyörimisnopeus vaihtelee ja teho muuttuu voimakkaasti tuulennopeuden mukaan, on tehokäyrää seuraava energian talteenottojärjestelmä oleellinen. Tyypillisesti energia otetaan talteen akustoon tai lämmitysvoimaloissa suoraan vesivaraajaan. Kuormitusta lisätään tuulennopeuden kasvaessa, mutta kuitenkin niin, että koko ajan ollaan tehokäyrän alapuolella häviöt huomioiden.

Itserakentamiseen liittyviä kysymyksiä

Onnistuuko potkurin suunnittelu harrastelijalta?

Asiaan hyvin perehtynyt harrastelija voi päästä kohtuulliseen tulokseen. Potkurisuunnittelun puutteellisuutta voi kompensoida kasvattamalla halkaisijaa, mutta silloin rakenteista tulee painavia ja myrskysuojaus käy vaikeammaksi

Onnistuuko harrastelija rakentamaan lavat itse?

Suomessa on toiminnassa monia kotikonstein valmistettuja, hyvin onnistuneita, potkureita ja tuulivoimaloita. Käytetyimmät valmistustavat ovat olleet puusta työstäminen ja lujitemuovista muottiin laminoiminen. Pienet poikkeamat lavoissa ei sanottavasti muuta lopputulosta, mutta vaikeinta on saada lavoista samanlaiset ja potkurista tasapainoinen. Lähes poikkeuksetta harrastelijan täytyy varautua yhteen tai kahteen "harjoituskappaleeseen".

Miksi lavat ovat yleensä kapeita, eikö leveä lapa tuottaisi paremmin?

Potkurit suunnitellaan usein generaattorikäyttöä varten. Kapeilla lavoilla potkuri saadaan pyörimään lujaa hyvällä tehokertoimella, joten pieni välityssuhde riittää tai välitystä ei tarvita lainkaan. Esim. vesipumpuissa, missä jatkuva pyöriminen on etusijalla, käytetään usein leveitä lapoja.

Eikö potkuri tuottaisi paremmin, jos lapoja olisi enemmän?

Tyypillisesti potkuri on kolmilapainen. Useissa tapauksissa 4 ..8 lapainen potkuri tuottaisi 1..10 % paremmin, mutta kustannusten takia tuosta pienestä lisästä yleensä luovutaan. Kaksilapaisellakin pärjää mainiosti, mutta silloin vaihteleva hyrrävoima ravistaa rakenteita voimalan kääntyessä tuuleen.

Tuleeko potkurista melua?

Jos potkuri on oikein suunniteltu, potkurin tuottama melu hukkuu käytännössä muuhun "tuulen suhinaan". Potkurin käyntiäänen voi kuulla vasta maston lähellä. Huonosti suunnitellusta tai valmistetusta potkurista voi kuulua kaikenlaista "ujellusta" ja "vihellystä" vähän kauemmaskin. Isommissa, valtakunnan verkkoon kytketyissä, voimalaoissa melu voi olla häiritsevää voimalan lähipiirissä. Suuremmissa voimalaoissa melu on kuitenkin huomioitu jo sijoituspaikan valinnassa.

Paljonko lavat maksaa, jos valmistan itse?

Riippuu kuinka materiaaleja ja koneita on käytettävissä, onko hyvät työtilat ja riittääkö taidot. Kysy muutamalta harrastelijalta paljonko lapojen tekoon meni rahaa ja aikaa, montako "harjoituskappaletta" tuli tehtyä ja paljonko jäi ylimääräisiä materiaaleja hyllylle. Omatekoisten lapojen hinta on paljolti kiinni siitä, kuinka monta "harjoituskappaletta" tarvitaan.

Voiko lavat valmistaa pellistä?

Teräs- tai alumiinilevyt eivät kestä väsyttävää kuormitusta yhtä hyvin kuin lujitemuovit tai puu. Suuret kuormanvaihdot (väsyttävä kuormitus) voi aiheuttaa murtuman useiden käyttövuosien päästä (vertaa rautalangan taivutteluun).

Päivitetty 25.9.2008