Tuulesta sähköä

Tuulimyllyjä jo 1100-luvulta lähtien

Euroopassa tuulimyllyt yleistyivät 1100-luvulta lähtien. Hollantilaiseksi tuulimyllyksi kutsuttu tuulimylly kehitettiin 1500-luvulla. Aiemmissa tuulimyllyissä koko rakennusta käännettiin tuulen suuntaan, mutta uudessa versiossa vain myllyn yläosa seurasi tuulen suuntaan. Hollannissa oli 1700-luvulla jo peräti 100 000 myllyä.

1800 -luvulla Amerikassa kehitetty Halladay-pyörä oli pienisiipinen tuuliratas, joka toimi tehokkaammin pienillä tuulen nopeuksilla. Kevyessä tuulirattaassa oli myös tuuliviiri, joka ohjasi rattaan aina tuulen suuntaan.

Tuulimyllyjä käytettiin viljan jauhatukseen, veden nostoon ja kasteluun ja pienteollisuuden voimanlähteenä ennen höyrykoneen yleistymistä.

Tuuli ja sähkö

Ensimmäinen sähköä tuottavan tuulivoimalan rakensi Charles F. Brush kartanonsa takapihalle Clevelandissa, Ohiossa vuonna 1888. Brushin tuuliturbiini koostui 18,3 metriä korkeasta rautatornista ja 17 metriä halkaisijaltaan olevasta, 144 lapaisesta  propellista. Lisäksi turbiinissa oli  18,3 metriä pitkä ja 6,1 metriä leveä pyrstö. Rautatornin sisässä oli 6,1 metriä pitkä akseli, joka pyöritti väkipyöriä ja hihnoja tuottaen dynamoon parhaillaan 500 kierrosta minuutissa. Dynamo oli kytketty 408 paristoon Brushin kartanon kellarissa. Paristot kykenivät pyörittämään kolmea sähkömoottoria ja valaisemaan 350 hehkulamppua, joiden valovoima oli 10-50 kandelaa, sekä kahta kaarilamppua. Brushin tuulivoimalan teho oli 12 kW ja sähköä varastoitiin akkuihin. Tämän Brushin suunnitteleman ja rakennuttaman tuulivoimalan ikä oli 20 vuotta.

Vesi tuulivoimalla vedyksi ja hapeksi

Vuonna 1891 tanskalainen Poul La Cour aloitti tuulivoiman aerodynamiikan tutkimisen Tanskan valtionrahoituksen turvin. La Cour teki tuuliturbiinitestejään suurimmaksi osakseen houkutellakseen ihmisiä takaisin maaseudulle, jotka teollistuminen oli houkutellut kaupunkiin. Sähkölaitoksia rakennettiin moneen suureen kaupunkiin, mutta sähkön ollessa suoraa virtaa sitä ei voitu jakaa maaseudulle. Poul la Cour halusi myös maaseudun väestön hyötyvän sähköstä. Tarkoituksena oli helpottaa ja tehostaa maataloustöitä ja tarjota valoa lukemiseen ja työskentelyyn pitkinä synkkinä talvi-iltoina. Tämä motivoi La Couria kehittämään tuulimyllyn, joka oli muita tehokkaampi ja tuotti sähköä.

Tämän seurauksena vuonna 1897 valmistui Askovin voimalaitoksen tuulimylly. Tuulimyllyn energia käytettiin vedyn ja hapen tuottamiseen vedestä käyttäen elektrolyysiä. Tämä tapahtui siten, että tuulen siipiin aiheuttama voima pyöritti dynamoa, jonka tuottama sähkö johdettiin vesisäiliöön. Vesisäiliöön johdettu sähkö pilkkoi veden happi-ja vetykaasuiksi, jotka kerättiin erillisiin säiliöihin.Voimala tuotti parhaimmillaan 1000 litraa vetyä tunnissa. Tuulitunnelikokeiden perusteella La Cour päätyi suurella nopeudella pyörivään malliin, jossa on vähän lapoja. Tämä malli on ollut pohjana myös uusimpien tuulimyllyjen suunnittelussa.

Tulevaisuus on tuulen

Euroopassa tuulivoimaloiden kehittely jatkui toisen maailmansodan jälkeen, kun fossiilisten polttoaineiden hinnat nousivat. Ensimmäisen maailmansodan loppuvaiheessa 25 kW:sten tuulivoimaloiden käyttö oli levinnyt kaikkialle Tanskaan. Tanskassa toimi jo 1960-luvulla 200 kW:n tehoinen tuulivoimala. Suomen ensimmäinen sähköverkkoon kytketty tuulivoimala otettiin käyttöön 1986.

1970-luvun ja 1980-luvun alun varhaisten kokeilujen jälkeen kaupallisten tuulivoimalaitosten vallitsevaksi tekniseksi konseptiksi muodostui ns. tanskalainen standardi: vaaka-akselinen kolmilapainen roottori sijaitsee torniin nähden tuulen yläpuolella, konehuoneessa sijaitsevat roottorin akseliin kytketty ylennysvaihde sekä vaihteen nopealla akselilla nopeasti pyörivä (yleensä 1000 tai 1500 rpm) induktiogeneraattori. Tehon rajoitus perustui yleisimmin sakkaukseen, joissakin laitostyypeissä lapakulman säätöön tuulennopeuden kasvaessa. Roottori pyöri verkkovirran taajuuden ja vaihteen välityssuhteen määräämällä vakionopeudella tuulen nopeudesta riippumatta.

1990-luvun kuluessa teknisten konseptien kirjo on kasvanut, vaikka laitokset ulkoisesti muistuttavat toisiaan. Vaihteettomat laitokset, joissa hitaasti pyörivä erikoisgeneraattori on suoraan kiinni roottorin navassa ilman erillistä pääakselia ja vaihdetta, ovat kasvattaneet markkinaosuuttaan. Generaattoritekniikan kehityksen myötä on tullut mahdolliseksi sallia roottorin pyörimisnopeuden vaihtelu tuulen nopeuden muuttuessa. Lapakulman säätöön perustuva tehon rajoitus on suurissa kokoluokissa jo yleisempi ratkaisu kuin passiivinen sakkausrajoitus.

Vuoden 2019 lopussa Suomessa tuulisähköä tuotti yhteensä 754 tuulivoimalaa ja näiden tuulivoimakapasiteetti oli yhteensä 2284 MW. Voimalat tuottivat sähköä vuonna 2019 yhteensä 6,0 TWh