Exam text content

DEE-53020 Tuulivoiman perusteet

Tentti 11.5.2021 Risto Mikkonen

Oman ohjelmoitavan laskimen käyttö sallittu.

1. Merkitse oheiseen taulukkoon, mitkä ilmavirtauksiin vaikuttavat voimat (painegradi-

enttivoima Fpg, keskihakuvoima Fun, coriolisvoima Fc, kitkavoima Fr, gravitaatio Fz) ovat
vallitsevina kussakin ilmavirtaustyypissä.

 

 

 

 

 

 

 

 

hydrostaattinen geostrofinen gradienttituuli tuuli rajaker-
tasapaino tuuli roksessa
Fog
Fin
Fe
Fe
Fe

 

 

 

 

 

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

pohjoisnapa

60? N

 

etelänapa

2. 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?

KÄÄNNÄ!
I

Tuulisuuden mallintamisessa hyödynnetään yleisesti Weibull-jakaumaa, jonka tiheys-

ja kertymäfunktiot ovat
k Vv E VV 5
S(v)= E) ex -(2)
00) PAE

ro9=1-0-(2)]

Selitä, mitä edellisten lausekkeiden eri termit tarkoittavat. Mikäli tuulivoimalan käyn-
nistystuulennopeus (cut-in-speed) on 4 m/s, mikä on Weibullin-jakauman avulla arvi-
oituna voimalan pysäytystuulennopeus (cut-out-speed), mikäli voimala tuottaa säh-
köä 20 tuntia vuorokaudessa? Käytä Weibullin analyysissä parametrille k arvoa 2 ja
parametrille C arvoa 10.

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

Ovatko seuraavat väitteet totta (T) vai epätotta (E)? Oikea vastaus +1 p, väärä vastaus -1
p, vastaamatta jättäminen O p. Tehtävän minimipistemäärä on kuitenkin O p.

a)
b)
c)
d)

e)
f)

Troposfäärissä ns. adiabaattinen lämpötilan aleneminen on noin 3 % / 100 m.
Käsite tendenssi kuvaa coriolis-voiman muutosta tuulen nopeuden muuttuessa.
Sodar on menetelmä, jonka avulla tuulimittaukset voidaan tehdä maan pinnalta.

Kun siipiprofiili asetetaan ilmavirtaukseen, paine siiven alareunassa on suurempi
kuin yläreunassa.

Ns. tornivarjo on sitä haitallisempaa, mitä enemmän voimalan roottorissa on lapoja.
Tuulivoimalan energiantuotantoa voidaan arvioida ns. pinta-alamenetelmällä, mikä
mahdollistaa voimalan kapasiteettikertoimen määrittämisen.