Neljanda, eelviimase elemendina on vaatluse all õhk! Sarnaselt maaga, on ka õhk hakanud energeetikas olulisemat rolli mängima alles hiljuti, kuigi ka üle-eelmise sajandi tuuleveskid on ilmekas näide tuule kasutamisest energeetikas. Elektrit tootvad tuuleturbiinid on tegelikult vanemad, kui võiks arvata. Esimese sellise turbiini leiutas aastal 1888 Charles F. Brush ning oli 144 puidust tera ja selle elektriline võimsus oli 12 kW.

Tuuleenergia tootmise põhimõtted on tänapäeval sama lihtsad kui 19. sajandil. Tuule näol on tegemist liikuva õhuga ning seal, kus on liikumine, on kineetiline energia.

Tuuleturbiinid on kavandatud takistama seda kineetilist energiat, aeglustades seda ja muundades elektrienergiaks. See takistus on turbiinide labade näol, mis on spetsiaalselt loodud maksimaalse energia saamiseks. Turbiinilabade disain ja tugineb paljudele teguritele, nagu aerodünaamika ja õhutakistus. Turbiinilabade kujundamisel võetakse lisaks kõikidele muudele teguritele arvesse tuule kiirust, aerodünaamikat ja helikiirust. Kõige olulisem aspekt on aerodünaamika. Aerodünaamika kirjeldab tahke eseme omadusi, mis mõjutavad seda ümbritsevat õhku. Seda silmas pidades on tuuliku labad konstrueeritud umbes nagu lennuki tiivad.

Laba tagaosa on kõveram kui esiosa, samamoodi kaardub lennuki tiib otsast ülespoole. See varieeruv kuju põhjustab rõhuerinevuse, kui õhk liigub üle tera, mis põhjustab labade liikumist. Laba kuju tõttu liigub õhk tera taga kiiremini kui selle ees. See paneb labad pöörlema ja alustab elektritootmise protsessi. Sellest aga ei piisa, kui labasid tuul liigutab. Insenerid peavad terade kujundamisel arvestama ka tuule kiiruse ja õhu takistusega, et tagada kõrgeim tõhususe tase. Näiteks kui labade õhutakistus on liiga suur, on saadav võimsus palju väiksem. Kui takistus ei ole aga piisav, võivad labad liiga kiiresti liikuda, ületades helibarjääri. Tuulegeneraatorite üks suurimaid eeliseid on see, et nad töötavad väga vaikselt. Kui nad ületaksid helibarjääri, võib see kavandatud tuuleparkide läheduses asuvaid elanikke tõsiselt häirida.

Üldiselt on enamik tuuleturbiine kolme labaga. Väiksema takistuse tõttu oleks energia saagikuse osas optimaalne arv üks tera. Kuid üks tera võib väga kergesti põhjustada tasakaalustatuse ja see pole turbiini stabiilsuse jaoks praktiline valik. Sarnaselt pakuks ka kahe labaga turbiin suuremat energiasaagist kui kolme labaga, kuid seal võib tekkida teisi probleeme. Kahe labaga tuuleturbiinid on altimad nähtusele, mida tuntakse güroskoopilise pretsessioonina, mille tagajärjeks on võnkumine. Loomulikult tekitaks see kõikumine turbiinile tervikuna täiendavaid stabiilsusküsimusi. See tekitaks lisarõhku ka turbiini komponentidele, põhjustades selle aja jooksul kulumist ja pidevalt vähenevat efektiivsust. Kui labade arv oleks aga üle kolme, oleks turbiinil ka suurem tuuletakistus, mis aeglustaks elektri tootmist ja seega on rohkemate labadega turbiin vähem efektiivne kui kolmelabaline turbiin.

Nendel põhjustel on kolme labaga konstrueeritud turbiinid ideaalne kompromiss suure energiatõhususe ning turbiini enda suurema stabiilsuse ja vastupidavuse vahel.

Tuulegeneraatori võimsust on võimalik avaldada kineetilise energia kaudu ning võttes arvesse ka Betz’i piiri saame võimuse avaldiseks

N – võimsus (W)

ρ – õhu tihedus (kg/m³)

v – õhu kiirus (m/s)

A – rootori pindala (m²)

1. Mitu korda suureneb tuuleturbiini võimsus, kui selle rootori diameeter suureneb 2 korda?
2. Mitu korda suureneb tuuleturbiini võimsus, kui tuule kiirus suureneb 2 korda?
3. Kui suur osa kogu tuule kineetilisest energiast on teoreetiliselt võimalik muundada kasulikuks võimsuseks Betzi piiri kohaselt?
4. Tuul kiirusega 15 m/s puhub läbi tuuliku, mille laba pikkus on 40 m. Kui suur on tuule kiirus peale tuulikut? (vihje: abiks on kineetilise energia valem ja eelpool toodud valem)
5. Kui suur on õhurõhkude vahe tuuliku ees ja taga?

Oma vastuseid saad esitada kuni 27. märtsini kell 23.59 sellel lingil:

https://forms.gle/7Ski8iGs8zyhvahL8

Head lahendamist!

---