Tuuliturbiinit, avomerivoimalat ja infraääni Antti Lehtniemi 15.10.2016
Euroopan merituulivoimaloiden tuuliolosuhteissa on ilmoitettu (havaittu?) olevan turbulenssia vain 20% verran. Uutta tietoa tulee sen sijaan USA:sta. Itärannikon tuulista on mitattu turbulenssia jopa 40% – 80% ja nyt on kyse mittaustornista ja todellisista mittauksista 20, 40 ja 60 metrin korkeuksista. Koska siellä ollaan vasta rakentamassa ensimmäisiä merituulipuistoja, asia on herättänyt keskustelua etenkin merelle rakennettavien mutta myös muiden tuulivoimaloiden mitoituksesta, kestävyydestä ja järkevyydestä.
https://wattsupwiththat.com/2016/08/11/study-wind-power-fiercer-than-expected/
Koska tuuli vaihtelee oletettua enemmän, aiemmat laskelmat ovat epävarmalla pohjalla. Tuulen rajuus ja turbulenssi tarkoittavat samaa kuin lentokoneen osuminen ’ilmakuoppaan’. Tasainen lento ja pyörteetön ilma vastaavat samassa asennossa olevan tasaisella nopeudella pyörivän tuulivoimalan tuottoa. Suihkuvirtaukset ja laskevat kylmät virtaukset tekevät lennosta heittelehtivää korkeussuunnassa ja myös sivusuunnassa. Sivusuuntainen liike ei tunnu yhtä selvästi lentokoneessa, joka on ilmassa eikä kiinteän tornin päässä kuten tuulivoimala.
Keskikokoisen tuulivoimalan koko on mahtava, ja jopa Eiffel-tornin korkuisia on tekeillä. Esimerkiksi Vestas V100 2MW laite, jollainen kaatui 28.12.2015 Ruotsissa: tornin korkeus on 120 metriä, kokonaispaino 400 tonnia, josta n 40% eli 160 tonnia on tornin nokassa olevan ’Onnibussin’ kokoisen moduulin ja lapojen osuus. Jäähdytys- ym öljyä on sitäkin peräti 1000 litraa siellä ylhäällä. Pyörimisnopeus säädetään lapakulmilla 15-20 kierrokseen minuutissa, ja se korotetaan vaihteistolla 1800 kierrokseen per minuutti, joka sopii tahtigeneraattorille ( 50Hz ).
Alimmassa asennossa lavan kärki on 55 metrin korkeudella ja ylimmässä asennossa 185 metrin korkeudella tornin perustasosta. Ero on 130 metriä. Lavan yläkärjen kohdalla on aina voimakkaampi tuuli kuin alakärjen kohdalla (tuulen nopeus kasvaa korkeuden 7. potenssissa). Tuulen vääntövoima kohdistuu siten vaaka-akselin laakereihin ylä-alasuunnassa. Tuulen suunnan muutokset taas kohdistavat vääntöä laakereihin vasen-oikea suunnassa, ja pyörteisyys missä tahansa 360 asteen sektorin suunnassa. 130 metrin vipuvoima kohdistuu siten varsin kapeaan laakeriin vaihdellen tuulenpuuskien ja –suunnan muutosten mukaan. Raskasta ’Onnibussia’ ei voi tuuliviirin tapaan käännellä nopeasti. Pyörimisvastus-, rotaatio- ja huojuntavärähtelyt ovat vielä oma lukunsa. Tyynellä säällä siipiä pitää pyörittää, jotta laakereihin ja akseleihin ei tule painumia. Myös öljyä ja talvella lapoja (jäätyminen) pitää lämmittää käynnistyksen varalle. Energiaa kuluu näihin kaikkiin, mikä heikentää saatavaa sähkötehoa ja kuluttaa muuta energiaa tyynellä ja pakkasella.
Laakerivioista johtuvia voimalapaloja on ollut Euroopassakin useita. Vikojen vuoksi voimaloiden odotettu käyttöikä on harvoin saavutettu. Luvattu 25 – 30 vuoden kestoaika on ollut usein vain puolet, luokkaa 12 – 15 vuotta ( joka sattumalta on samaa luokkaa kuin valtion anteliaan tuulivoimatuen kesto …). Ulkomailla matkustaessa näkee katkenneita lapoja ja torneja sekä tornien sivuja pitkin valuvia öljyvanoja merkkinä kiinni leikanneista laakereista. Laakerivian korjaaminen on vaikeaa ja erittäin kallista. ”’Onnibussin” osien vaihtoon tarvitaan samat napakorkeuteen yltävät parin sadan tonnin taakan nostavat nosturit. Maa-alueilla tämä vaatii, kuten rakennusvaihekin, tavallisia metsäautoteitä paljon kantavammat ja loivemmin kaartuvat (lavan pituus määrää) tiet. Kuva 1 kertoo, mistä on kysymys. Merellä tarvitaan ankkuroitu nosturilaiva, mikä on kertaluokkaa kalliimpaa. Kaikki huolto pitää tehdä tyynellä säällä. Itse asiassa vakava laakerivika olisi edullisinta korjata vaihtamalla koko tornin huipun koneisto uuteen (vrt auton vaihtomoottori), mikäli ei ole kyse tulipalosta, jolloin tornin lujuuteen ei voi enää luottaa. Tulipalon jälkeen jää pelkkää romua. Kukahan kerää ne pois? Tuon lystin maksajasta tulee varmasti kunnon riita. Se vuokrasopimuksen takasivun pieni teksti …
Jos tuulivoimaa pitää välttämättä rakentaa, edellä kerrottuihin ongelmiin on olemassa pienemmillä malleilla vaativissa olosuhteissa yli 30 vuotta testattu ratkaisu: suomalainen pystytuuliturbiini.
Sitä ei tarvitse kääntää tuulenpuuskien eikä itse tuulen mukaan. Kääntökoneisto, sen moottorit ja ’Onnibussin’ kiertokannatuslaakeri ovat siten tarpeettomat. Pystytuuliturbiinin laakerit ovat pystyakselissa, osa kannatuslaakereita kuten vesivoimalassa, osa pyörimislaakereita kuten sähkömoottoreissa, ja laakerit saadaan sijoitettua akseliin riittävän etäälle toisistaan vääntökuormitusta ajatellen, myös tarvittaessa turbiinin yläpäähän. Siipimallisen turbiinin etulaakerointi vaatisi käännettyä polkupyörän etuhaarukkaa vastaavan rakenteen. 60 metrin mittainen haarukka – hmm, ei ihan halpa eikä kevyt ratkaisu. Tuulivastus on pystyturbiinissa kanta kertaa korkeus- suorakulmion aikaansaama ja ylä-alasuuntainen, eikä siinä ole 130 metrin vipuvoimia kaikkiin kellonsuuntiin. Poikkipinnan muodon ja siipilieriön rakenteen vuoksi linnut ja lepakot eivät ole vaarassa. Lisäksi roottorin pyörimisnopeus on aina tuulen nopeutta hitaampi, eikä se muodosta infraääntä. Itse asiassa tällainen turbiini on lähes äänetön. Kuva 2 kertoo, mitä siipimalliset voimalat tekevät. Esimerkiksi 12 sekuntimetrin tuulella lavan kärkinopeus on 280 km/h. Tästä aiheutuu melua, infraääntä ja paineenvaihtelua. Viime mainittu rikkoo lepakoiden keuhkot. Isot linnut eivät pysty väistämään noin nopeaa iskua. Luonnonsuojelijoiden ja WWF:n soisi heräävän. Hiljaista sieltäpäin, miksi?
Pystyturbiinin painavin osa, generaattori voidaan haluttaessa asentaa maan pinnalle turbiinia alemmas: voima voidaan välittää pystyakselilla. Myöskään generaattorin jäähdytyslaitteisto ei tuolloin kuormita tornia. Erikoisen generaattorin ansiosta vaihteistoa ei tarvita, joten ympäristön öljyvahinkojen riski poistuu. Ylärakenteet eli torni saadaan kevyemmäksi niin kustannusten, kuljetuksen, asennuksen kuin huollonkin suhteen. Ylös ei tarvita kuin laakerien voitelu, joka on automatisoitavissa. Pystyturbiini ei tarvitse jäänestoa päinvastoin kuin siipivoimala, jonka lapoihin pitää meidän leveysasteilla asentaa sähkövastukset. Ellei niiden teho riitä, jää pitää poistaa muulla keinoin tasapainon ja turvallisuuden (kymmenien kilojen painoisia jääkimpaleita sinkoutuu siivistä) vuoksi ennen kuin siipimallinen tuulivoimala voidaan käynnistää. Ruotsissa on poistettu jäätä jopa helikopteriruiskutuksilla lentokoneiden jäänpoiston tapaan (kuva 3.). Pakollista muttei halpaa puuhaa.
Miksi tähän malliin ja sen kehitykseen ei ole satsattu, on poliittinen ja oman kirjoituksensa arvoinen kysymys. Toki tämäkään malli ei ratkaise tuulivoiman vaihtelua ja energian varastointia, mutta on tuotoltaan merkittävästi tehokkaampi. Pystytuuliturbiini sietää myrskytuulet ainakin 60m/sek saakka niin Saharan kuin Etelämantereen olosuhteissa, jolloin sähkön tuotanto vain kasvaa. Mainittakoon, että Huittisten seudun keskikokoinen siipimallinen voimala oli pysäytetty jo 14m/sek puuskaisella tuulella. Miksi ylipäätään maksamme tuulitukia?
Kuva 1: Tuulivoimalapuiston rakennus- ja huoltotiet
Kuva 2: Tuulivoimala kotkan kohtalona
Kuva 3: Jäänpoistoa ruotsalaisessa tuulivoimalassa
Jatkoa edelliseen:
Viimeinkin ollaan saamassa käyttöön noita USA:n itärannikon tuulivoimaloita. Ja niitähän kehutaan:
Lasketaanpas hieman kustannus- ja käyttöastetta (em linkin tiedoista):
-tuulivoima 30MW/3000milj$ 10.000.000$/MW käyttöaste < 50%
-ydinvoima < 6.000.000$/MW käyttöaste 85% – 90%
-maakaasukombi (sähkö+lämpö) < 1.000.000$/MW käyttöaste 85% – 90%
Linkin alaosassa on graafinen esitys eri energiamuotojen eduista ja haitoista. JOS halutaan vähentää päästöjä ja SAMALLA saada varmaa katkotonta energiaa, kaasu olisi ykkösvaihtoehto ja ydinvoima kakkonen. Tuulivoima ei pärjää koskaan yksin ilman varmistuksena olevaa vesi- tai kaasuvoimaa.
Jos tuulivoimayhtiöt joutuisivat itse ostamaan sähköpörssistä puuttuvan osan mainostamastaan maksimista tai edes 85% lupaamastaan sähköstä, yhtään tuulivoimalaa ei olisi koskaan rakennettu. Koko toiminta olisi järkyttävästi tappiollista. Mutta kun yhteiskunta (lue: me veronmaksajat) maksamme nämä tuulivoiman epätasaisuudesta johtuvat kulut, maailmassa onkin kaikki (?) hyvin ja vihreät hymyilevät. Sähkölaskun saajan hymy on kylläkin vuosi vuodelta kireämpi. Ja kun käy kuten Australiassa tänä syksynä (2016) eli kokonainen osavaltio pimenee tuulisähkön epätasaisuuden laukaisemana, kynttilänvalossa pakkasella pirteissämme saattaa kajahdella huurrepilvien takaa painokelvotonta tekstiä.
— — —
Infraäänistä
Edellä oli maininta Vestas-turbiinin kierrosnopeudesta: 15-20 kierrosta minuutissa kertaa 3 lapaa = 45-60 iskua minuutissa. Se jaettuna 60 sekunnilla antaa jaksoluvuksi vain 0,75 – 1,0 Hz. Suuremman kehän ja matalamman kierrosluvun tuuliturbiineilla jaksoluku on jopa vain 0,1 Hz. Mittarit, jotka mittaavat aluetta 5Hz – 20Hz eivät siten riitä: hankalin, kauaskantoisin infraääni menee niiden ohi.
Interferenssi on ilmiö. jossa äänilähteen ääniaalto heijastuu takaisin, ja riippuen vaiheesta, joko vahvistaa tai heikentää ääntä. Tämän (infraääniä korkeammilla jaksoluvuilla) voi kokea huoneistossa, kun ulkopuolella käy raskas dieselkone. Sisälle muodostuu voimakas tärisevä humiseva ääni ja astiakaapin astiat kilisevät ja korvissa tuntuu painetta.
Interferenssiä muodostuu myös, kun äänilähteitä on useita. Tämä pätee tuulivoimapuistoihin. Äärimmäisen harvoin kaikki voimalat pyörivät täsmälleen samalla kierrosluvulla. Jos yksi voimala tuottaa 0,6 Hz äänen ja toinen 0,7 Hz äänen, nämä äänet interferoivat erotustaajuudella 0,1 Hz. Rakennukset alkavat värähdellä tuottaen sisälle seisovia aaltoja jatkoresonanssin avulla. Huojuvat eri jaksolukujen toisen asteen interferenssiäänet saavat aikaan lisää rakenteiden värähtelyä. Nämä ’piikit’ voivat olla hyvinkin harvassa, jopa vain kerran 3-5- sekunnissa: todellista infraääntä ja vaativaa mitata. Värähtelyantureita seinssä voisi ehkä käyttää mikrofonien lisäksi.
Ihmisen rintakehä on ongelmallinen. Siellä on painepumppu (sydän) joka saa matalapaineista verta laskimoista ja pumppaa sitä valtimoihin. Samassa osastossa ovat keuhkot: ilmatäyteiset palkeet, joiden ominaisresonanssi vaihtelee sisään- ja uloshengityksen tahdissa. Kun seisova aaltoliike kohtaa rintakehän resonanssin, keuhkot alkavat värähdellä tietyssä hengitysvaiheessa. Tämä vaikuttaa myös veren laskimopaluuseen: harvaan sykkivä resonanssipaineaalto heikentää sydämeen päin tulevan veren virtausta. Näin ollen verenpaine ja pulssiaalto voivat vaihdella samaan tahtiin. Ihminen aistii tämän epämukavuutena, huimauksena eikä päänsärkykään ole mahdoton tältä pohjalta. Toki muutkin elimistön resonanssikohteet tulee huomioida. Näin ollen pelkkä infraäänen vapaakenttämittaus, ehkä vain yhdestä malliturbiinista, ei ole riittävä. Mittauksia tulee tehdä usean turbiinin vaikutusalueella ja erikokoisten rakennusten sisältä. Mittareiden tulee pystyä havaitsemaan alle 0,1 Hz resonanssitaajuudet. Suositeltavaa on käyttää ihmisen rintakehän rakennetta vastaavaa mallia ja asentaa mikrofonit ja paineanturit siihen. Mittaus ei myöskään saa olla vain 15 minuutin otos (kuten joissain altistuskokeissa on tehty), vaan mittauksia tulee kerätä päivien ja viikkojen ajan eri tuulenvoimakkuuksilla ja –suunnilla.
— — —
Lisäys 20.12.2016 Äänenvoimakkuuden mittauksesta: mitä eroa A-,C- ja Z-painotuksella.
http://muhoksentuulivoimakeskustelu.blogspot.fi/2016/12/a-painotuksen-kaytto-vaaristaa.html
Tässä linkissä selkeää tietoa asiasta. Vain Z-painotuksessa (äänet sellaisenaan ilman korostusta tai suodatusta) tulee mukaan koko infraäänialue. A- ja C-painotuksessa ne suodatetaan pois! Koska yksi kuva = 1000 sanaa, kannattaa katsoa linkin kaaviot. Haitallisin osa leikataan pois – reiluako?
— — —