Väikeste tuulegeneraatorite kasutusvõimalustest Eestis

Mis on väike tuulegeneraator? Generaatorite ametlikku klassifikatsiooni Eestis ei ole ning käesolevas artiklis on väikese tuulegeneraatori all mõeldud rõhtteljega tuulikut võimsusega 1– 30 kW. Püstteljega rootoritega tuulegeneraatorite puhul on enamasti tegemist dekoratiivelementidega, mille lubatud tootlikkus ei vasta 99 % juhtudel tõele.

Kui räägitakse tuulegeneraatorist, tekib kohe kujutluspilt suurest 1–3 MW võimsusega rajatisest, mis paistab kaugele üle metsade. Väiketuulikud on aga tublisti väiksemad ning nende mastid madalamad (üldjuhul 6–18 m ning vaid erandjuhtumeil kuni 36 m kõrged). Muidugi, mida kõrgem, seda rohkem tuult, ent arvestama peab ka masti lisameetri maksumuse ja energiatoogi suurenemise suhet. Väiketuulikute labade, s.o rootori pindala on tootjast ja tuulikust olenevalt 5,5–150 m2. See pindala määrab, kui palju tuulik „tuult näeb“, st kui palju energiat ta suudab tuulest ammutada ning millisel tuulekiirusel saavutab nimivõimsuse. Väiketuulikud saavutavad nimivõimsuse enamasti siis, kui tuule kiirus on 9–13 m/s.

Suurima energiakoguse, mida on võimalik tuulest saada, määrab Betzi seadus, teoreetiline maksimum on 59,3 %. Põhjus on lihtne. Kui ammutada tuulest kogu energia, jääb tuulegeneraator seisma ja tööd ei tee.

Tuulegeneraatori teoreetilise aastatootlikkuse arvutamisel võetakse arvesse selle võimsustegur Cp (tuulegeneraatori väljundvõimsuse ja tuulest saadava energiahulga suhe, väärtus 0,1–0,45) ning paigalduskoha iseärasused (keskmine tuulekiirus ja sellest suuremate tuulekiiruste esinemissagedus).

Internetist võib tuulegeneraatoreid pakkuvate firmade kodulehtedelt leida arvutusviise, mis annavad generaatori tootlikkuse määramisel uskumatult häid tulemusi. Ebareaalsete tulemuste põhjus on lihtne – arvutuskäikudes arvestatakse, et tuul puhub kogu aeg ühesuguse kiirusega (nt 10 m/s) ja tuulegeneraator töötab täisvõimsusel. Tegelikus elus see paraku nii ei ole. Suurbritannias ja mujal maailmas tehtud uuringutele tuginedes võib väita, et avamaastikule (hajaasustuspiirkonda) püstitatud väiketuuliku tootlikkus on 17–30 % võimalikust, sõltuvalt tuuleoludest ja generaatori juhtimislahendusest. Tiheasustusalal või lausa linnas jääb väiketuuliku tootlikkus alla 10 % ning selle põhjus on turbulentses tuules. Linnatingimustes on ainsad arvestatavad alternatiivenergia tootmise vahendid päikesepaneelid.

Milline mast tuulegeneraatorile valida?

Tuulegeneraatorimaste on kahesuguseid: vantidega toestatud ja ise püsti seisvad mastid. Viimastel aastatel on püstitatud ka langetatavate ise püsti seisvate mastidega tuulikuid (joonis 1). See lahendus on selle poolest hea, et masti on hooldustööde tegemiseks lihtne alla lasta, ta on vantide puudumise tõttu ohutum ja näeb parem välja. Mittelangetatavaist on nad küll veidi kallimad, ent hinnavahe tasub end juba esimesel tõstel – ei ole vaja kraanat.

Millist tuulegeneraatorit valida, kas sabaga või sabata?

Viimase viie aasta jooksul on turule tulnud tuulegeneraatorid, mille tuules hoidmise eest hoolitseb tuule kiirust ja suunda arvestav elektrooniline kontroller. Selline tuulegeneraator püsib stabiilsemalt tuules ning see suurendab energiatootlikkust. Sabaga tuulegeneraator „sõidab“ tuule suuna kiirel muutumisel tuulest välja ehk „keerab üle“, mistõttu pöörlemissagedus langeb ning energiatootmine väheneb või katkeb sootuks seni, kuni tuulegeneraator tagasi tuulde saab.

Sabaga ja sabata tuulegeneraatoreid juhitakse eri moodi. Sabaga generaatoreid juhib tuul ise, elektrooniliselt juhitavatel arvutab protsessor aga anduritest saadud teabe alusel, mis suunast tuul puhub ning vastavalt sellele pöördub tuulegeneraator tuulde. Sabaga lahenduste puhul rakendub liiga suure tuulekiiruse korral pidur, juhtides üleliigse energia elektrilisele lisakoormusele ning saba asend paneb tuuliku automaatselt tuulest välja keerama. Ka elektroonilise juhtimisega lahenduste puhul juhitakse üleliigne energia lisakoormusele, kuid sellele lisaks, vastavalt määratud programmile, keeratakse tuulegeneraator tuulest välja ja rakendatakse vajaduse korral lisapidurit.

Elektroonilise juhtimisega tuulegeneraatorid on kallimad, kuid kõrgema hinna kaalub üles nende energiatootlikkuse suurem stabiilsus. Eesti ja Euroopa turul on ka selliseid klassikalisi sabaga tuulegeneraatoreid, mille hinnaklass on elektroonilise juhtimisega tuulegeneraatorite omaga võrdne või isegi kõrgem.

Väikeste, 5–50 kW võimsusega tuulegeneraatorite valikusse on lisandunud ka selliseid, mille tehniline lahendus sarnaneb suurte, megavatiste või veelgi suurema võimsusega tuulegeneraatorite omaga, milles püsimagneteid ei kasutata. Need tuulikud võtavad rootori pöörlemissageduse saavutamiseks ja elektromagnetites magnetvälja tekitamiseks energiat elektrivõrgust ning neil on generaatori pöörlemissageduse suurendamiseks käigukast.

Mida teha tuulest saadava elektrienergiaga?

Klassikalise mõtlemise kohaselt salvestatakse tuulegeneraatorilt saadav elektrienergia akuparki ja võetakse sealt tarbijate toiteks inverteri kaudu välja. Saadavat võimsust piirab inverteri väljundvõimsus, arvestama peab ka sellest saadava elektrienergia kvaliteeti – kas see sobib kõikide seadmete käitamiseks. Lahendust kavandades tuleb arvestada, et tavapärane autoaku piiratud tühjenemistsüklite arvu ja tühjenemisastme tõttu süsteemi ei sobi.

Süvatühjenevad akud (DC- ehk Deep Cycle-akud) võimaldavad energiat ammutada kuni 80 % aku mahtuvusest ja seda vähemalt 500, parematel 1000– 1200 kuni 3000 ja enamgi tsüklit. Neist on enamlevinud VRLA- ehk suletud happeakud ja AGM- ehk geelakud.

Akupargiga lahendus sobib eelkõige kohta, kus elektrivõrk puudub ja süsteemi ei soovita lisaenergiaallikatega suurendada. Energiaallikaid saab küll lisada, kuid enamikul juhtudel eeldab see akupargi muutmist või vahetamist ning ka inverteri vahetamist. Lihtviisil saab energiaallikaid lisada, kui akupanga pinge on kuni 48 V ning selle mahtuvus piisav, kuid ka siis lisatakse alalisvoolupoolele energiaallikaid. Sellise lahenduse puhul peab arvestama ka seda, et energia salvestamine akudesse ei alga enne, kui tuulegeneraatorist saadav pinge on akupargi omast kõrgem. Kindlasti tuleb enne lahenduse koostamist tutvuda akupargi kontrolleri tööpõhimõttega. Paljudel juhtudel on kulude vähendamiseks kasutatud lihtsat regulaatorit, mis alustab laadimist kindlal pingel ja lõpetab siis, kui pinge on tõusnud maksimumväärtuseni, arvestamata aku tüüpi, temperatuuri, laadimistsüklite arvu ja eripingelise laadimistsükli vajadust.

Ajakohasem on kasutada inverterit

Ajakohasem on elektrivõrguta piirkonnas kasutada võrgulahendusse kuuluvat inverterit või invertereid ja omaette akupargiinverterit, mis hoolitseb andurite, algoritmide ja kindla programmi järgi akude kestva töökindluse eest. Eespoolkirjeldatud lahenduse korral on toodetud elektrienergia kvaliteet võrguelektriga võrreldes võrdväärne või isegi parem, seda saab 230V/400V võrgus kohe kasutada, tuulegeneraatorilt saadavat elektrienergiat kasutatakse maksimaalselt ära (madalaim kasutatav pinge sõltub tuulegeneraatorist ja inverterist), energia ülejääk salvestub automaatselt akuparki, energia puudujääk võetakse automaatselt akupargist ning energia ületootmise korral peatub elektrivõrgu kaitsmiseks inverterite töö astmeliselt.

Suurepärane eelis on ka see, et energiatootmisseadmeid on lihtne lisada. Olemasolevat süsteemi ei ole vaja ümber ehitada ning võrguinverteril põhinev tootmisseade lisatakse „kohalikku“ elektrivõrku suvalises kohas. Tuulik ei pea ka paiknema akupargi vahetus läheduses. Akupargi invertereid (võimsus 2–300 kW) on tuuleta ajal võimalik mootorite või pumpade käivitamiseks ning bensiini- või diiselgeneraatori lisamiseks lühikest aega üle koormata (ka etteantud parameetrite järgi automaatselt käivitada). Juhul kui tulevikus avaneb võimalus või on mingil põhjusel otstarbekas liituda elektrivõrguga, saab süsteemi vajaduse korral toita võrgust.

Võrgulahendus on kõige lihtsam moodus tuuleenergia kasutamiseks

Süsteemi põhiosad on tuulegeneraator, võrgulahendust toetav kontroller koos kaitseastmetega ja võrguinverter(id). NB! Võrguinverter peab olema sertifi tseeritud ja standarditele vastav. Võrgulahenduste korral on teistsuguste inverterite kasutamine eluohtlik ja võib lõppeda surmaga! Süsteemi toimimise eeldus on võrguühenduse olemasolu (vastavalt vajadusele kas üks faas või kolm faasi), kuna võrguinverter on võrguparameetreid (pinge ja sagedus) jälgiv seade ja toodab võrguenergiaga võrdse kvaliteediga elektrienergiat. Eelis akupargiga lahenduse ees on süsteemi väiksem soetusmaksumus, pikem tööiga (akud puuduvad!) ja suurem tootlikkus, sest kogu saadud energia läheb kohe kasutusse. Saadud energiat kasutatakse sel puhul sõltuvalt ühendusviisist, kas müües 100 % võrku, tarbides kogu energia ise või tarbides nii palju kui vaja ja müües ülejäänu võrku.

Kindlasti on soovitatav tarbida omatoodetud elektrienergiat ise ning kui tekib ülejääk, müüa see võimaluse korral võrku. Ise tootes ja tarbides ei tule maksta võrguettevõttele elektrienergia eest, võrgutasu, aktsiisi ega taastuvenergiatasu. Säästu (mitte kokkuhoidu) saab iga toodetud kWh pealt. Lahenduse nõrk külg on see, et praegu ei ole veel ametlikku võimalust invertereid kasutavaid süsteeme elektrivõrguga liita, liitumisvõimalus lähiajal siiski tuleb.

Mida on vaja teha tuulegeneraatori püstitamiseks?

• Vali välja endale sobiv tuulegeneraator, mast ja vajalikud lisaseadmed. Ära unusta kontrollimast CE- märgistuse/sertifikaadi olemasolu tuulegeneraatoril ning võrgulahenduse puhul võrguinverteri(te) vastavust standardile ja tootjatehase vastavust sertifikaadile. Kindlasti konsulteeri müüjaga ja tee endale selgeks otstarbekas lahenduskäik.
• Küsi kohalikust omavalitsusest projekteerimistingimused tuulegeneraatori püstitamiseks, märkides kindlasti ära selle võimsuse ja masti kõrguse. Valmista ette projekt ja taotle ehitusluba (võrguühenduse korral on lisaks elektriprojektile vaja ka energiaettevõtja kooskõlastust). Nõue saada projekteerimis- ja ehitusluba tuleneb sellest, et tuulegeneraator on üle 5 m kõrgune rajatis.
• Soeta tuulegeneraator ja lisaseadmed, pane nad paigale ning pärast edukat katsetamist taotle kasutusluba.
• Tarbi omatoodetud tõeliselt rohelist energiat.

Praegu väidab 13 firmat oma kodulehel, et nad müüvad väikseid tuulegeneraatoreid. Kui paljudel neist on kogemusi ja teadmisi, ei ole teada. Kodulehtedel oleva teabe põhjal tegeleb nendest iga päev taastuvenergeetikaga ainult kaks. Tuulegeneraatori soetamiseks vali endale partner, kes ei tegele ainuüksi müügiga, vaid kes on selles valdkonnas pädev, kes suudab pakkuda ka võtmed-kätte-lahendusi ning kes annab oma toodetele garantii. Mõni üksik tuulegeneraatoritega tegelev fi rma on võimeline pakkuma ka vajalikke lisateenuseid: tegema lähtearvutusi, koostama projekte, kogu projekti juhtima ning tegema hooldus- ja remonditöid ning andma oma tehtud töödele garantii. Kui soovid kindlust firma valikul, küsi lisateavet Eesti Tuuleenergia Assotsiatsioonist ja/või firmast Bakeri OÜ

Artikli autor on ANTI TIIK, Bakeri OÜ

Artikkel ilmus ajakirjas Keskkonnatehnika 4/2011 lk 16–18

Foto: rawpixel.com / Pexels