pienoiskuva|Noin 5 megawatin merituulivoimalaitos Belgian rannikolla vuonna 2008. Lähimmän voimalan malli on Windmills D4. Tuulivoimalaitos eli tuulivoimala muuntaa tuulen liike-energiaa sähköenergiaksi. Tuulen etenevä liike muutetaan pyörivään akseliin kiinnitettyjen siivekkeiden eli tuuliturbiinin avulla pyörimisliikkeeksi, jolla pyöritetään akseliin kiinnitettyä sähkögeneraattoria. Akselin verkkainen pyörimisliike voidaan nopeuttaa vaihteiston avulla niin, että tuotetun sähkön vaihtojänniteen laatu tulee sopivaksi. Tuotettu sähkö johdetaan voimalasta taajuusmuuntajaan, jossa jännitteen taajuus tahdistetaan ja sen jännite nostetaan kantaverkkoon sopivaksi. Tuulivoimalaitoksia voidaan asentaa lähekkäin niin sanotuiksi tuulivoimapuistoiksi, joissa voi olla satojakin yksittäisiä tuulivoimaloita. Tuulivoimapuistoja löytyy sisämaassa, rannikolla ja merellä.
Pienet tuulivoimalaitokset voivat tuottaa sähköenergiaa yksityiseen käyttöön esimerkiksi lataamalla kesämökin akkuja. Keskisuuret tuulivoimalat voivat tuottaa energiaa paikalliseen käyttöön esimerkiksi kyläkunnalle tai yritykselle, mutta suotuisissa olosuhteissa sähköä voidaan myydä kantaverkon kautta sähkömarkkinoille. Suurimmat tuulivoimalat tuottavat energiaa vain myyntiin noudattaen sähkömarkkinoiden kysynnän ja tarjonnan tyydyttämiseen yhteisesti sovittuja sääntöjä.
Tuulivoimalla tuotetun sähköenergian määrä kasvaa koko ajan. Vuoteen 2019 mennessä oli rakennettu kapasiteetiltaan eli nimellisteholtaan noin 650 gigawattia tuulivoimaa, jota tuotti sadat tuhannet suuret tuulivoimalaitokset eri puolilla maailmaa. Suomessa tuulivoiman osuus sähköenergiasta oli 0,45 gigawattia vuonna 2013, 2,04 gigawattia vuonna 2017 ja 3,3 gigawattia vuonna 2021. Vuonna 2019 tuotettiin Suomessa tuulivoimalla lähes 6 000 terawattituntia sähköenergiaa, mikä oli 9 % Suomen sähköntuotannosta . Tuulivoima lisääntyi maailmalla vuonna 2019 noin 60 gigawattia ja koska kasvuvauhti jatkuu tulevina vuosina suurena, tulee tuulivoimasta tulevaisuudessa merkittävä energiamuoto. Vuonna 2024 tuulivoimalla sähköä Suomessa tuotettiin 19.5 TWh ja sen osuus Suomen kokonaissähköntuottannosta oli noussut jo neljännekseen ohittaen ensimmäistä kertaa vesivoiman toiseksi merkittävimpänä sähkön tuotantotapana.
Yleistä Tuulivoima Tuuli syntyy ilmakehässä auringon säteilyn lämmittäessä ilmaa eri alueilla epätasaisesti synnyttäen niillä lämpötila- ja paine-eroja. Lähinnä paine-erot pyrkivät tasoittumaan ja aiheuttavat ilmakehässä horisontaalisia ja vertikaalisia virtauksia. Virtauksien suuntaan vaikuttaa alueiden paine-erojen lisäksi maapallon pyöriminen. Maan- ja merenpinnan lähellä horisontaalinen virtaus koetaan tuulena, jota voidaan hyödyntää tuulivoimana.
Tuulivoimalaitoksien perustyypit pienoiskuva|Kolme erityyppistä turbiiniratkaisua animaationa: vertikaalinen Savonius, vaaka-akselinen ja kolmisiipinen sekä vertikaalinen Darrieus.
Tuulivoimalaitokset voidaan luokitella tuuliturbiinin (myös roottorin) tyypin mukaan pääasiassa vaaka-akselisiin (aksiaalisiin) ja pystyakselisiin (vertikaalisiin). Vaaka-akselisella tuuliturbiinilla on pyörimisakseli vaakasuorassa ja sen siivet pyörivät tuulen suunnassa akselin navan ympäri. Vaaka-akselisten voimaloiden tuuliturbiineja voidaan kutsua lyhenteellä HAWT (). Ne vievät varsin paljon tilaa, niissä käytetään yleisesti kolmisiipistä tuuliturbiinia (siipeä kutsutaan myös lavaksi) ja tubiini on aina käännettävä kohti tuulta. Se on yleisin käytössä oleva tuulivoimaratkaisu. Pystyakelisella tuuliturbiinilla pyörimisakseli on pystysuorassa ja sen pystyasentoiset siivet pyörivät akselinsa ympäri. Pystyakselisten voimaloiden tuuliturbiineja voidaan kutsua lyhenteellä VAWT (). Nämä voimalat ei vie kovin paljon tilaa eikä niitä tarvitse kääntää kohti tuulta. Ne ovat pienempiä, kuin vaaka-akseliset voimalat. On kehitetty muitakin tuuliturbiinityyppejä, jotka toimivat edellä kerrotusta poikkeavalla tavalla. Toinen tapa on jaotella tuulivoimalat maa- ja merituulivoimaloihin, sillä niiden rakenteet ovat hieman erilaiset. Kolmas tapa on jaotella ne vakionopeuksisiin ja muttuvanopeuksisiin tuulivoimaloihin.
Tuulivoimalaitoksen yleisrakenne pienoiskuva|Siiven kiinnitys tuuliturbiinin nuppiin. pienoiskuva|Perustuksen raudoitus ennen betonin valua. pienoiskuva|Valun valmistuttua perustukseen kiinnitetään tornin alin osa.. pienoiskuva|Näkymä Vestaksen varastoalueen konehuoneita, tornin osia ja turbiinin nuppeja sisältävästä osastosta. Tuulivoimalaitokset rakennetaan maalle tai merelle. Voimaloiden koon kasvaessa niiden tärkein ominaisuus on seisominen perustuksensa varassa. Perustuksen tulee olla riittävän massivinen, jottei korkea voimalaitos ala huojumaan. Merellä voimalat rakennetaan merenpohjaan valetun peurustuksen varaan. On myös kelluvia voimalaitoksia, mutta ne ovat pienempiä. Tuulen voima kasvaa korkeuden myötä, joten voimalaitokset kannattaa rakentaa korkeiksi. Pystyakselisia voimalaitoksia vaivaavat tuulen aiheuttaman vääntömomentin hallintavaikeudet ja tärinän aiheuttamat rasitukset sen rakenteisiin. Niiden pystyasentoa tuetaan monesti vaijereilla, mutta tästäkin huolimatta niiden koko on jäänyt pieneksi. Nykyiset vaaka-akseliset voimalat on voitu rakentaa yli 150 metriä korkeiksi niiden rakenteiden siitä kärsimättä. Vaaka-akselisten voimaloiden tuuliturbiinit pyörivät pystyasennossa, joten korkean voimalan torni voidaan rakentaa puolet lyhyemmäksi kuin pystyakselisella voimalalla. Tuuliturbiinin siivet ovat taidokkaita rakentaa ja niitä pitäisi voida kääntää eri asentoihin tuulen voimakkuuden muuttuessa. Pystyakselisten voimaloiden siivet ovat joko suoria tai kaarevia eikä niiden asentoa tarvitse tuulen voimakkuuden vuoksi kääntää. Pystyakselisen voimalan sähkögeneraattori ja muut tuotannonohjaukseen liittyvät laitteet voidaan sijoittaa maan pinnalle, kun taas vaaka-akselisten voimaloiden vastaavat laitteet sijoitetaan tornin huipulla sijaitsevaan konehuoneeseen. Sen sijaan sähköverkkoon kytkeminen tehdään kaikissa voimaloissa maan pinnalla sijaitsevassa yksikössä.
Sanastoa huippukäyttöaika: se kuvitteellinen tuotantoaika, jolla voimalaitos tuottaisi vuotuisen energiansa käyttäen koko kapasiteettaiaan eli nimellisteoaan. Kapasiteettikerroin kuvaa saman asian prosentteina. häiriöaika: se aika, jolloin voimalaitos on poissa käytöstä johtuen hollosta, vian korjauksesta, tms. offshore, onshore: vastaavasti maatuulivoiman ja merituulivoiman määre napakorkeus: korkeusero maasta tuuliturbiinin pyörimisakselille naselli eli konehuone: tornin päässä sijaitseva huone, jossa pyörii voimalaitoksen aksli, generaattori ja johon kiinnittyy tuuliturbiini eli roottori pyyhkäisykorkeus tai kokonaiskorkeus: korkeusero maasta tuuliturbiinin pyörivän siiven korkeimpaan kohtaan tuulenottoalue: tuulivoimalaitoksen ympärillä oleva vaikutusalue, jossa tuulen nopeus on ympäristöään alempi. Alempi tuulennopeus johtuu ilmavirtauksen liike-energian vähenemisestä, kun tuulivoimalaitos hyödyntää sitä sähköenergian tuotannossa. tuuliturbiini eli roottori: siivistä eli lavoista ja navasta muodostuva kokonaisuus, joka hyödyntää tuulen virtausta tehokäyrä: kuvaaja, jossa tuotettu sähköteho (MW) esitetään tuulen nopeuden (m/s) funktiona
Perustukset Perustusten tarkoituksena on sekä estää tuulivoimalaitosta uppoamasta maahan että estää sen kallistuminen ja samalla myös kaatuminen. Perustusta suunnitellessa huomioidaan voimalaitoksen ympäristö ja maaston rakenne. Perustus voidaan tarvittaessa paaluttaa, jos maaperä on pehmeää. Suurin vaikutus on kuitenkin perustuksen suurella massalla, josta vaaka-akselisen voimalan kokonaismassasta on 70 prosenttia maan alla. Tuulivoimalaitoksen perustus voi olla halkaisijaltaan 30-metrinen ja ulottua 3–4 metrin syvyyteen. Se on voitu valmistaa yli tuhannesta kuutiometristä raudoitettua betonia. Suomessa on vuonna 2022 toiminnassa olevissa tuulivoimaloissa käytetty yli miljoona kuutiometriä betonia ja yli 145 000 tonnia terästä. Pystyakselisen voimalan perustus ei tarvitse olla yhtä massiivinen, jos pystyakselia tuetaan eri suuntiin jännitetyillä vaijereilla eli haruksilla. Käytännössä vaijerit voivat olla suhteellisen ohuita, koska pystyakseliset voimalat ovat vaaka-akselisia merkittävästi pienempiä.
Torni tai masto Pienet pystyakseliset tuulivoimalaitokset tarvitsevat lyhyen ja kapearakenteisen maston, jolla voimalan rakenteet tuetaan maahan ja jolla siipien tuottama momentti ohjataan tyvessä sijaitsevaan sähkögeneraattoriin. Suuret vaaka-akseliset tuulivoimalaitokset rakennetaan korkeiksi ja niiden pitkäsiipiset tuuliturbiinit vaativat vankan tornin, joka kestää tuulen aiheuttamat vääntömomentit ja kestää yläpuoliset raskaat rakenteet. Tornin pääasiallinen tehtävä on nostaa tuulitubiini mahdollisimman korkealle nopeamman tuulen ulottuville. Myös maaston muotojen aiheuttamat turbulenssit vähenevät korkeammalle noustessa.
Vaikka tuulivoimalaitoksen torni on korkea, tulee huoltohenkiläkunnan käyttää liikkumiseen tornin sisällä olevia tikkaita. Jos torni on putken sijasta ristikkorakenteinen, ovat tikkaat sään armoilla. Huoltotehtävät voivat vaatia laitteiden raskaiden osien vaihtamista eikä niitä voi kantaa mukanaan tikkaita ylös kiivetessä. Konehuoneen katolla on tätä varten huoltoluukku, josta konehuoneeseen voidaan toimittaa tarvikkeita nosturilla tai helikopterilla tuoden. Merellä toimivissa merituulivoimaloissa käytetään hankalassa merenkäynnissä usein helikopteria.
Konehuone eli naselli pienoiskuva|Konehuone odottaa paikalleen nostoa. pienoiskuva|Konehuoneen asennus pienoisnosturilla. pienoiskuva|Pääakselin, vaihdelaatikon ja levujarrun muodostama kokonaisuus nostetaan paikalleen. pienoiskuva|Näkymä Vestaksen konehuoneen sähkögeneraattorista. Konehuone (myös naselli) erottuu vaaka-akselisessa voimalaitoksessa tornin yläpäässä sijaitsevana koppina, johon on kiinnitetty tuuliturbiini. Pystyakselisessa voimalassa konehuone on maassa tai maan alla. Konehuoneessa tuuliturbiinin hitaasti pyörittävän pääakselin pyörimisliike laakeroidaan kiinni konehuoneen jäykkään tukirakenteeseen. Pyörivän akselin liike johdetaan suoraan, tai vahdelaatikon välityksellä, sähkögeneraattorin akselille. Vaihdelaatikon tehtävänä on muuttaa pääakselin pyörimisnopeus sähkögeneraattorille sopivaan nopeuteen. Konehuoneen katolla tai maston huipulla sijaitsevat varoitusvalot lentoliikenteelle, tuulen nopuden mittarit eli anemometrit sekä tuulen suuntaa ilmaisevat tuuliviirit. Niiden antama tieto syötetään kontrolleriin, joka huolehtii tuulivoimalaitoksen automatiikasta. Automatiikan eräänä tehtävänä on kääntää vaaka-akselisen tuulivoimalaitoksen konehuone ja samalla sen tuuliturbiini kohti tuulta. Siihen käytetään tornissa olevaa kääntölaitteistoa. Automatiikka huolehtii usein myös kääntyväsiipisten voimaloiden siipien asennoista. Siipiä käännetään turbiinin nupissa sijaitsevilla kääntölaitteistoilla. Kun voimalaa huolletaan, eivät siivet saa pyöriä. Ne pysäytetään ensin sopivalla tavalla ja lopuksi pääakselilla kytketään seisontajarru päälle.
Sähkögeneraattori Sähkögeneraattoreissa on kaksi pääkomponenttia: staattori, joka ei pyöri, ja roottori, jota vaihteistosta tuleva akseli pyörittää. Generaattoreina käytetään nykyään yleisesti joko epätahtigeneraattoria tai tahtigeneraattoria.