Exam text content

DEE-53020 Tuulivoiman perusteet

Tentti 7.5.2018 Risto Mikkonen

Oman ohjelmoitavan laskimen käyttö sallittu.

1. Selitä lyhyesti, mitä seuraavilla termeillä / käsitteillä tarkoitetaan.

a) ilmasolu d) Bernoullin periaate
b) sodar e) kärjen nopeussuhde
c) naselli f) kapasiteettikerroin

2. Merkitse oheiseen taulukkoon, mitkä ilmavirtauksiin vaikuttavat voimat (painegradi-
enttivoima Fpg, keskihakuvoima Fin, coriolisvoima Fc, kitkavoima Fr, gravitaatio Fz) ovat
vallitsevina kussakin ilmavirtaustyypissä.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hydrostaattinen geostrofinen gradienttituuli tuuli rajaker-
tasapaino tuuli roksessa

[a x x x x

Frn ? x

Fc x > >

Fr x

Fa "e
Merkitse edelleen oheiseen maapalloon periaatekuva eri leveyspiireillä vallitsevista
ilmavirtauksista (niiden suunnista).

pohjoisnapa

 

etelänapa

KÄÄNNÄ!

 
a)

b)

Lähde liikkeelle kohtauskulman käsitteestä, ja perustele huolellisesti, miksi
tuulivoimalan lavassa on syytä olla kierrettä pituusakselin suhteen. Tarkastellaan
pintasuhteen vaikutusta tuulivoimalan toimintaan. Kirjoita yhtälö turbiinin
pyörimisliikkeen mekaaniselle teholle ja kerro, miten lapojen lukumäärän muutos
vaikuttaa tehon yhtälössä esiintyviin muuttujiin. Miksi kolme lapaa on parempi
ratkaisu kuin yksi tai kaksi lapaa? Entä miksi nelilapaiset voimalat ovat harvinaisia?

Mökkinaapurisi harkitsee pientuulivoimalan hankintaa. Sinun tehtävänäsi on arvioida,
kuinka paljon voimala tuottaa sähköenergiaa vuoden aikana. Jos lähtötietona on vain
tuulen nopeuden vuosittainen keskiarvolukema voimalan napakorkeudella, miten
saat arvioitua pinta-alamenetelmällä voimalan tuotantoa? Periaatteellinen selitys
riittää, eli tuulen nopeuden todennäköisyysjakaumia ei tarvitse alkaa käsin laskea.

 

Mikä oli suuruusluokka Suomeen asennetun tuulivoiman nimellistehosta vuoden 2017
lopussa? Työ- ja elinkeinoministeriön ilmasto- ja energiastrategian päivityksen
yhteydessä tuulivoimalle asetettiin lisätavoite vuoteen 2025 mennessä. Pitäisikö
tämän tavoitteen mukaisesti Suomessa tuottaa tuulivoimalla sähköenergiaa (a) 9
TWh, (b) 12 TWh vai (c) 15 TWh vuodessa?

Vaihteellisen tuulivoimalan roottorin halkaisija D = 100 m. Kuinka suuri vääntömo-
mentti näkyy generaattorin akselilla? Tuulen nopeus vo = 10 m/s, roottorin kärjen
nopeussuhde 4 = 7 ja vaihteiston välityssuhde i= 50. Ilman tiheys p= 1.225 kg/m3 ja
vaihteiston hyötysuhde 77 = 0.9. Oletetaan, että 84.3 % Betzin lain mukaisesta ilma-
virtauksen tehosta välittyy roottorin tehoksi.