DEE-53020 Tuulivoiman perusteet: Harjoitustyö
Tämä on harjoitustyö kurssille DEE-53020 Tuulivoiman perusteet. Työ tehdään pääsääntöisesti
kolmen hengen ryhmissä, ja palautettava dokumentti tulee työstää ryhmänä siten, että jokainen
ryhmän jäsen ymmärtää harjoitustyön sisällön.
Palautettavan harjoitustyön on oltava yhtenäinen dokumentti, jonka lukemiseen ei tarvita tätä
tehtävänantoa. Sen vuoksi harjoitustyöstä tulee löytyä:

kansilehti, jossa on lueteltu kurssitunnuksen lisäksi opiskelijoiden nimet, opiskelijanumerot
seka sähköpostiosoitteet,

sisällysluettelo,

lyhyt johdanto siitä, mitä dokumentissa käsitellään,

tulosluvut,

lyhyt yhteenveto,

mahdolliset lähteet.
Harjoitustyö on palautettava pdf-tiedostona perjantaihin 30.5.2015 mennessä sähköpostiosoitteeseen [email protected].
Harjoitustyö on kurssin DEE-53020 pakollinen osasuoritus. Arvosteluasteikko on hyväksytty/hylätty.
Tehtävänanto:
Harjoitustyössä hyödynnetään Suomen Tuuliatlakseen kerättyjä keskimääräisiä tuulioloja uuden
tuulivoimalan sijoituspaikan etsimisessä. Tarkoituksena on valita kaksi potentiaalista
sijoituskohdetta yksittäiselle tuulivoimalalle ja vertailla sijoituskohteiden etuja ja haittoja. Ryhmä
voi esimerkiksi valita sijoituskohteiksi offshore- ja onshore-kohteen.
Suomen Tuuliatlas löytyy osoitteesta www.tuuliatlas.fi ja tuuliatlas-karttaliittymästä pääsee
tarkastelemaan tuulioloja eri paikoilla. Karttaliittymän oikeasta alareunasta tulee ensimmäiseksi
määrittää karttaominaisuudet. Kartan hilakoko 2500 m x 2500 m antaa eniten vaihtoehtoja voimalan
sijoituskohteelle, joten tässä työssä käytetään sitä. Valitse tuulennopeus sadan metrin korkeudelta ja
koko vuoden ajalta. Muita valintoja ei tarvitse tehdä.
Seuraavaksi käyttöliittymän yläpalkista valitaan i, minkä jälkeen pääset valitsemaan voimalan
sijoituskohteen karttaa klikkaamalla. Tulokset kohteen tuulioloista tulevat karttaliittymän
vasempaan reunaan. Tämän harjoitustyön kannalta oleellisia tietoja ovat kohteen maantieteelliset
koordinaatit sekä tuulennopeuden vuosittainen keskiarvo sadan metrin korkeudella.
Tehtävä 1: kohteiden perustelut
Valitse kaksi sijoituskohdetta WinWinD Oy:n valmistamalle WinWinD 3 -tuulivoimalalle. Vaikka tämä
kotimainen tuuliturbiinivalmistaja kokikin lähimenneisyydessä konkurssin, isänmaallisuuden
hengessä tässä harjoitustyössä silti edelleen käytetään heidän voimalaansa. WinWinD 3 -turbiinista
on tarjolla kolme eri versiota, joista tässä harjoitustyössä tarkastellaan roottorin halkaisijaltaan
satametristä versiota. Ykköstehtävän vastauksena tulee kirjoittaa vapaamuotoiset perustelut
valituille kohteille. Miksi haluatte sijoittaa tuulivoimalat juuri valitsemiinne kohteisiin? Tämän
tehtävän vastaukseksi kelpaavat sekä järkisyyt että tunnepohjaiset perustelut.
Tehtävä 2: vuotuisen energiantuotannon arviointi pinta-alamenetelmän avulla
Tee valitsemiesi kohteiden tuulisuusolosuhteille Weibull-analyysi, ja arvioi pinta-alamenetelmän
avulla WinWinD 3 -voimalan vuotuista energiantuotantoa. Weibull-analyysi onnistuu helposti ainakin
Matlabilla, sillä Matlabista löytyy suoraan määräkertoimen laskennassa tarvittava gamma-funktio
(komennolla 'gamma'). Pinta-alamenetelmällä saat arvion turbiinin pyyhkäisypinta-alalta vuoden
aikana virtaavan ilman kokonaisenergiasta, joten tuotetun sähköenergian määrää on arvioitava
voimalan kokonaishyötysuhteen avulla. Tarkastele tuotantoa erilaisilla kokonaishyötysuhteen
arvoilla. Pyri myös perustelemaan, mikä voisi olla valitussa kohteessa realistinen
kokonaishyötysuhteen arvo.
Tehtävä 3: vuotuisen energiantuotannon arviointi tehokäyrämenetelmän avulla
Tehtävässä 2 käytetty pinta-alamenetelmä ei ota mitenkään huomioon tuulivoimalan generaattoria,
joten arvio vuotuisesta energiantuotannosta perustuu vain roottorin pyyhkäisypinta-alalta virtaavan
ilman energiaan. Tehokäyrämenetelmän idea on yhdistää Weibull-analyysistä saatava tuulisuusjakauma ja tuulivoimalan generaattorin tehokäyrä. Tässä harjoitustyössä käytetään WinWinD 3 voimalan sinisellä värillä merkittyä tehokäyrää, sillä se edustaa turbiinin halkaisijaa 100 m. Tämän
tehtävän tavoitteena on arvioida WinWinD 3 -tuulivoimalan vuotuista energiantuotantoa
tehokäyrämenetelmän avulla, johon liittyvä ajatuksenkulku etenee seuraavasti:

Kun olet tehnyt kohteen tuulisuudelle Weibull-analyysin, tiedät, millä todennäköisyydellä
kohteessa tuulee milläkin tuulennopeudella.

Kun tiedät eri tuulennopeuskomponenttien esiintymistodennäköisyydet, pystyt laskemaan,
kuinka monta tuntia vuoden aikana tuulee milläkin tuulennopeudella.

Voimalan tehokäyrästä saat selville, kuinka suuren sähkötehon generaattori tuottaa milläkin
tuulennopeudella. Kun Weibull-analyysin perusteella tiedät, kuinka monta tuntia vuoden
aikana tuulee milläkin tuulennopeudella, näiden tietojen perusteella pystyt laskemaan, kuinka
kauan generaattori toimii vuoden aikana milläkin teholla. Näin saat laskettua arvion
generaattorin tuottamalle sähköenergialle vuoden aikana. HUOM! Ole erityisen huolellinen,
kun luet arvoja generaattorin tehokäyrästä. Pienetkin virheet vaikuttavat merkittävästi
energiantuotantoarvioon.
Tehtävä 4: tulosten vertailu ja tunnuslukujen laskenta
Laske kakkos- ja kolmostehtävän tulosten perusteella voimalan kokonaishyötysuhde,
huipunkäyttöaika ja kapasiteettikerroin. Tee myös yksinkertaistettu laskenta siitä, kuinka monessa
vuodessa voimala maksaa itsensä takaisin. Voit olettaa, että tuulivoimalan rakentamiskustannukset
ovat 1.5 €/W, ja että tuotetusta sähköenergiasta saatava hinta täsmää Suomen uusiutuvan energian
syöttötariffiin, joka on 83.5 €/MWh.