Eleon_Salme_2014 1196Saksa füüsik Albert Betz näitas 1919. aastal, milline on teoreetiline piir, millest rohkem tuuleturbiiniga energiat pole võimalik ammutada. Füüsilised tuulegeneraatorid toimivad tänagi sest piirist kaugel maas. Tehnilise innovatsiooni ja andekate lahendustega saab sellele piirile jätkuvalt aina lähemale astuda. Üks võimalus on kasutusse võtta kahelabalised ja kiirema pöörlemissagedusega tuulikud. Saaremaal on aga Oleg ja Andres Sõnajalg läinud sootuks teist teed ja valmis ehitanud 3 MW tuulegeneraatori, kus mitmete tehniliselt nutikate võtetega on saavutatud nii kasuteguri kasv kui tuuliku komponentide parem

2. Augusti õhtupoolikul tutvustasid Andres ja Oleg Sõnajalg oma vastvalminud tuulikut, millel võimsust 3 MW ja mis paikneb Sõrves, samas kandis, kus nende varasemalt rajatud tuulegeneraatorid. Tegemist on aga sootuks uuel tehnilisel lahendusel põhineva tuulegeneraatoriga. Uuendusi ja seni suurte tuulegeneraatorite puhul rakendamata lahendusi on aga küllaga.

 Tuuleenergeetika ettevõtjateks said nad 2001. aastal, kui paigaldasid esimese 500 kW võimsusega kasutatud Vestas 39 tuuliku. Kasutatud masin seetõttu, et toona uusi seadmeid ja taastuvenergia tootmist sobilikul moel ei toetatud. Kasutatud masinatel on aga kasutatud masinate elu ja probleemid. Needki on õnneks aidanud Sõnajalgadel õppida ja kogeda – 7-aastase arendustöö tulemusel võib öelda, et nad on tänaseks suutnud luua täiesti uue tuulegeneraatorite segmendi.

 Esiteks on tegemist käigukastita tuulegeneraatoriga, kus tuulikulabad (tuulerootor) on otse seotud elektrigeneraatori rootoriga. Erinevatel pöörlemiskiirustel toodetud elekter muundatakse, nagu ikka, sobilikuks vooluks inverterite abil.

 Tuuliku suurem uudsus on aga asjaolu, et rootori diameeter on sel lahendusel märkimisväärselt suurem, kui 3 MW tuulikute puhul tavaks. Mida suurem on rootori diameeter, seda efektiivsem on ka tuuliku kasutus ehk siis täisvõimusel töötatud aja osakaal. Maismaal paiknevatel turbiinidel on see tänase kogemuse põhjal nii 25–30% ajast ning sõltuvalt tuuleoludest on avamerel energiasaagised suuremad.

 Merre tuuliku rajamine on aga ehituslikult märkimisväärselt suurem kulutus ning niiske õhu ja soolase vee keskkond pole elektrimasinale kõige meelepärasem. Nii ongi meretuulikud võrreldes maismaal paiknevatega isegi 2–3 korda oma võimsusühiku kohta kallimad. Oleg ja Andres kinnitavad, et ka nende uus tuulejõujaam on rakendatav avamerel, kuid sel juhul tuleks rootori läbimõõtu veidi vähendada. Praeguselt 116 meetrilt 100 meetri peale.

 Lahendus on paberil aga väga lihtne: suurendada generaatori võimsust ning rootori läbimõõtu ja ongi justkui kogu lugu. Paraku tähendaks see aga ka tohutut mehaaniliste pingete kasvu, mida tuulikulabadele antav tuulekoormus tekitab nii generaatori võllile, rootorile kui staatorilegi. Tavapärases lahenduses on kõik need komponendid mitmes punktis kinnitatud tuulegeneraatori gondlis olevale tugikonstruktsioonile. Kuna elektrigeneraatori rootori ja staatori vaheline õhupilu määrab ära selle tõhususe, ei ole ka mehaaniliste pingete kompenseerimiseks võimalik õhupilu märkimisväärselt kasvatada üle paari millimeetri. Nii jääbki just tehnilistel põhjustel tuuliku labade diameeter väiksemaks, kui oleks arvutuslikult otstarbekas, et tuuliku efektiivsust tõsta maksimumi lähedale. Majanduslikult on rootori diameetri kasvatamine aga selgelt soodsam samm kui ehitada võimsam generaator või kolida maalt merele püsivamate ja tugevamate tuulte juurde.

 Siit jõuan ka Eleoni tuuliku olulisima innovatsiooni juurde, mis võimaldabki generaatori energeetilist võimsust suurendamata koguda lihtsalt rohkem täisvõimusel töötatud tunde. Nii generaator kui rootor on kinnitatud alusele vaid ühest kohast: massikeskmest, mille ühes otsas on labad ja teises otsas elektrigeneraator (rootor ja staator). Vaid ühest punktist kinnitatud rootori ja staatori osade vahel pole nii suuri mehaanilisi pingeid, mistõttu pole vaja ka mures olla rootori ja staatori õhuvahe pärast, kui tuult püüdvate labade diameetrit kasvatatakse.

 EleonTuulegeneraatori eluiga sõltub paljuski sellest, kui stabiilselt see mehaaniline süsteem töötab ning kui vähe on vibratsiooni ja ettenägematuid mehaanilisi raputusi. 116 meetrise läbimõõduga rootori puhul on üsna ilmne, et tuuleolud on sellises vahemikus muutlikud. Ühtlasema tuuliku töö jaoks tuleb arusaadavalt tuuleolusid ette ennustada. Lisaks ilmateatele kasutab tuulik ka kahte lidarit, (ingl light detection and sensing) mille abil mõõdetakse tuuliku suunas liikuva õhu kiirusi ja kiiruste jaotust ruumis. Selle teadmise alusel reguleeritakse tuuliku labade lõikumisnurka nii, et ei teki labasid lõhkuvat vibratsiooni ja võnkumist.

 Elektroonikast on tuulikus, mille võimsus on 3 MW, kasutuses neli 1MW võimsusega inverterit. Üks iga süsteemi kohta nagu on süsteemi tööpingeks 600, mitte 690 V. Inverterites kasutatakse elektrivoolu muundamiseks bipolaarseid transistore (IBGT – insulated-gate bipolar transistor) ning need on tundlikud kosmilise kiirguse tekitatud defektide suhtes. Selline suurema võimusega ja madalama pingega toimimine aitab tagalat kindlustada kosmilise kiirguse mõjude vastu, sest just selle kiirguse tõttu kipuvad IBGT-d plahvatama. Seda temaatikat on põhjalikult uurinud ABB ja nende kogemustest lähtuvalt loodi ka selline lahendus. Süsteemi kaitseb lühiajaliste voolukatkestuste eest veel üks väike inverter koos võimsustakistiga, mis tagab kuni 3-sekundiliste võrgukatkestuste korral tuuliku häirimatu töö jätkumise (selgituseks: Eleringi nõue on vaid 350 ms).

 Algselt oli plaanis uuel tuulikul kasutada püsimagneteil generaatorit, kuid majandus teeb omad korrektuurid. Oleg Sõnajalg ütleb, et see oligi põhjus, miks asendati esmane püsimagnetgeneraator elektriliselt ergutatava generaatoriga. Tagantjärele tõdevad vennad Sõnajalad, et see ehk oligi hea variant, sest ergutusmähistega generaator käivitub sujuvalt 3–4 pöörde jooksul, seevastu kui püsimagneteil generaatoril ilmneb magnetnakkumine (sama nähtus, mida tunnete, kui pöörate jalgratta dünamot, kel see veel LED-valgustite ajastul siiski kasutuses on), mis paratamatult tekitab mehaanilisi võnkeid, mis omakorda tingivad labade võnkumise. Resonantssageduse saavutamisel on selline võnklemine labasid lammutav ja kogu tuuliku eluiga lühendav. Oleg Sõnajalg selgitab, et tuulik on konstrueeritud siiski nii, et soovi korral on see püsimagneteil generaatorile kohandatav.

 Inverterid tuli aga konstrueerida arendajail endil, sest näiteks olemasolevad ABB inverterid ei tööta alla 20 HZ, aga selle tuuliku töösageduseks on kuni 6 HZ ning ABB inverteritest pole võimalik pakkuda generaatorile vajalikku lisaergutust. Uue inverteri arendus ABB-s võtnuks aega kolm aastat. Neid aastaid lihtsalt polnud.

 Lisaks selgitab Oleg Sõnajalg ka oma arenduse eelist, mis on võimalus ise tarkvaraliselt inverteri tööd kontrollida, ehk siis ise kirjutada juhtimisalgoritme ning saavutada seeläbi generaatori ja võrgu parem koostöö. Eleoni tuuliku inverterid on loodud koostöös Saksa ettevõttega FeCon, mis on keskendunud just tuuleenergeetika vajadustele. FeCon on läbi viinud ka inverterite püsivustestid. Oleg Sõnajalg lausub, et nende juures nad nägid, mida võib tähendada transistoride plahvatus ning seetõttu on tuuliku töö ajal seadmekilbi uksed alati suletud. „Transistorid plahvatavad kui granaat ning üle millimeetri paksusest metallist kapi uksed, milles inverterid sees, on pärast sellist plahvatust korralikult kummis,” kommenteerib ta.

Häirete ja riskide vähendamiseks on süsteemide omavaheline suhtlus tuulikus korraldatud dubleeritult ja optilisel kaablil põhineva arvutivõrgu peal. Mistahes süsteemi osa rikke või päringutele mittevastamise korral käivitub tuuliku automaatne seiskamine. See on möödapääsmatu, et tagada pikk tuuliku tööiga ja vältida kulukaid remonttöid.

 Töö turvalisuse saavutamiseks on kogu tuuliku jõupool elektriliselt maast lahti ühendatud. Mõistagi on tuuliku konstruktsioonid maandatud äikesekindlaks. Selline jõuseadmete elektriline isoleeritus annab võimaluse mõõta aga jooksvalt elektrilist taksitust nende osade vahel, kus täielikult maandatud tuulikus tekiks automaatselt elektriline läbilöök. Sellist läbilööki põhjustab kogunev tolm ja niiskus. Märgates aga ennetavalt mingis ahelas vähenevat takistust, on loomulikult arukam otsida viga, kui hiljem asendada või remontida elektrikahjustatud komponente. Generaatori jahutussüsteemis on kaks 35kW mootoriga ventilaatorit ning eraldi loodud õhupuhastussüsteem, mida on seni kasutatud vaid tuumaelektrijaamades. Generaatori faktiline töötemperatuurgi on tänu tõhusale jahutusele osutunud madalamaks, kui arvutatu, mis on taas üks pikema tööea olulisi eeldusi.

 Edasiseks plaaniks on luua juba lähiajal 166-meetrise rootori diameetriga tuulik ning käivitada tuulikute tootmine. Oleg ja Andres mainivad, et oma tehnoloogia müüki või litsentseerimist neil plaanis pole, küll aga on soov tuulikuid toota, müüa ja paigaldada. Olegi sõnul on täna juba sadakond tuulikuhuvilist, kes on huvitatud just sellest uuest tuulikust. Ta ütleb, et just efektiivsuse tõusuga on saavutatav ulatuslikuma mahuga tuulenergeetika ning kombinatsioonis päikseelektriga võiks Eestis kulgeda üha enam taastuvenergia kasutuse suunas.

 Tuulikute tootmine eeldab koostööd 25 erineva allhankijaga Saksamaalt, Taanist, Soomest ja Lätist ning teistest Euroopa riikidest, kellest paljud on olnud ka esimese tuuliku loomise ja ehitamise juures.

 Uue tuuliku idee ise on üle 7 aasta vana. Sõnajalad püüdsid seda tuuleenergeetika buumi ajal valmistama hakata, aga siis olid just allhankijad end jõudnud laiendada ja tuulikutootjad olid hõivatud kasvavate tellimuste täitmisega. Just majanduskriis kasvatas huvi uue tuuliku vastu. Oleg Sõnajalg ütleb, et kriisiajal ei õnnestunud neil kasutada üksnes allhankijate kui tootjate kompetentsi, vaid neile sai osaks ka erinevate ettevõtete üsna lahke insenertehniline abi. „Viimase 2–3 aasta jooksul oli meid toetamas ja meie kasuks töötamas kokku 200 inseneri ringis, kelleta poleks kindlasti õnnestunud oma kava sedavõrd tulemuslikult ellu viia,” ütleb Oleg ja lisab, et partnerite valikul ei olnud määravaks niivõrd töö hind kui just kogemus ja oskused. Uue tuulegeneraatori loomine ei ole valmis osadest masina konstrueerimine, vaid ka need osad tuleb ise läbimõeldult luua. Nii on sündinud kõik komponendid nagu ka üks selle tuuliku peamisi võtmedetaile – laager, millel võiks öelda, et „hõljub” pea paarisajatonnise massiga kogu elektrigeneraator koos tuuleturbiiniga.

 Külastades Eleoni tuuliku gondliosa, kus asub generaator, panin oma rusikas käe, mis sinna ära mahtus, pilusse, mis jääb laagril hõljuva generaatori korpuse ja tuuliku gondliga jäigalt seotud konstruktsiooni vahele. 10 m/s tuule korral oli tunda ehk paarimillimeetrilist kõikumist.

 Kogu tuuliku arendusprojekt on maksma läinud 4,5 miljonit eurot, millest 1,5 miljonit on EAS-i osa. Põlevkivist naftalaadsete toodete tegemine ja väljavedu riigist on mõnes mõttes energiamajanduse eilne või isegi üleeilne päev. Loota tuleb, et uudsete energiaseadmete loomine, tootmine ja müük võiks Eesti majandusse tuua ka suuremahulisema kõrgtehnoloogia lõhna, millest jätkuvalt on tugevalt vajaka.

Oleg Sõnajalg

oleg_sõnajalgOleg Sõnajalg s. 1959 Lõpetanud Põltsmaa Keskkooli, õppinud Tartu Riiklikus Ülikoolis füüsikat 1979– 1981, Tallinna Polütehnilises Instituudis tööstuselektroonikat 1981–1983 ja Concordia Rahvusvahelises Ülikoolis meedia eriala. 1971–1987 aastani töötanud elektriku abi ja elektirkuna. 1987 oli kooperatiivi Sõnajalg asutaja, mitmete ettevõtete juht ja asutaja. Taastuvenergeetika eestvedaja. Kopteripiloot ja kopteripilootide koolitaja ja asjakohase ettevõtte asutaja ja juht. Muusik ja laulja (ansambel Sõnajalg), Abielus, viie lapse isa.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 Andres Sõnajalg

Andres SõnajalgAndres Sõnajalg s. 1961 Lõpetanud Põltsmaa Keskkooli, õppinud Tartu Riiklikus Ülikoolis füüsikat 1979–1981, Tallinna Polütehnilises Instituudis tööstuselektroonikat 1981–1983 ja Concordia Rahvusvahelises Ülikoolis meedia eriala. Töötanud koos venna ja isaga elektriku õpilase ja elektrikuna. Kooperatiivi Sõnajalg asutaja ja juht. Koos vennaga mitmete ettevõtete omanik ja samuti muusik. Kopteripiloot ja kopteripilootide koolitaja. Abielus ja kolme lapse isa.

Allikas: Inseneeria