thumb|Tuulivoimaloita Tanskassa. thumb|Tuulipuisto Belgian Estinnesissä. thumb|Estinnesin tuulipuisto

Tuulivoima tai tuulisähkö on tuulen liike-energian muuntamista sähköksi, yleensä tuuliturbiinien pyörivien lapojen välityksellä. 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. Maan- ja merenpinnan lähellä horisontaalinen virtaus koetaan tuulena, jota voidaan hyödyntää tuulivoimana. Tuulivoima on siten uusiutuvaa energiaa, joka muodostuu Auringon säteilystä.Tietoa tuulivoimasta, Suomen Tuulivoimayhdistys

Maailman tuulienergiajärjestön (WWEA) mukaan tuulivoiman maailmanlaajuinen kapasiteetti oli vuoden 2018 (2017) lopussa 598,9 (546,4) GW. Maailman tuulienergianeuvosto (GWEC) raportoi joitakin gigawatteja alempia lukuja (591,5 ja 540,4 GW). Kapasiteettina mitaten johtavan tuulivoimamaan Kiinan voimalakapasiteetti ylitti jo 210 GW. Vuonna 2018 (2017) tuotantokapasiteetti lisääntyi maailmanlaajuisesti noin 50 GW (52 GW). Vuonna 2017 tuulivoimalla tuotettiin noin 4,4 prosenttia maailman sähköntuotannosta. Euroopan yhteisön alueelle asennetut tuulivoimalat tuottivat vuonna 2017 yhteensä 336 TWh sähköä, joka vastaa noin 11,6 prosenttia EU:n sähkönkulutuksesta.

Merituulivoimaloiden eli offshore-tuulivoimaloiden koot ovat kasvaneet, mikä parantaa merituulivoiman kilpailukykyä suhteessa perinteisempään maalle rakennettuun tuulivoimaan. On esitetty arvioita, että vuoden 2025 jälkeen merituulivoimalat tuottavat edullisempaa sähköä kuin maalle rakennetut tuulivoimalat.

Historia

Tuulen hyödyntäminen rattaan pyörittämisessä vaatii huomattavasti monimutkaisempaa tekniikkaa, kuin esimerkiksi vesivoiman hyödyntäminen. Tuulen avulla on purjehdittu vuosituhansien ajan, mutta tuulimyllyjä ei arvelujen mukaan tunnettu antiikin Kreikassa tai roomalaisten tekniikassa. Ensimmäinen tunnettu kirjallinen viittaus tuulimyllyyn on vuodelta 644.Lindell 2009, s. 329.

Ensimmäiset tuulimyllyt kehittyivät ilmeisesti itsenäisesti samoihin aikoihin sekä Persiassa että Euroopassa. Persialaiset tuulimyllyt olivat kaksikerroksisia: Myllynkivet olivat ylemmässä kerroksessa, ja alemmassa kerroksessa oli pystysuora akseli, johon oli kiinnitetty vaakasuoraan tasaisin välimatkoin "käsiä". Tämä vaakasuora roottori tai turbiini pyöritti pystysuoralla akselilla toista ylemmän kerroksen myllykivistä. Ensimmäiset eurooppalaiset tuulimyllyt olivat erilaisia kuin persialaiset, koska niissä myllyn siivet pyörivät pystysuorassa vaakasuoran akselin varassa.

Euroopassa tuulimyllyt yleistyivät 1100-luvulta lähtien. Hollantilaiseksi tuulimyllyksi kutsuttu tuulimylly kehitettiin 1500-luvulla. Aiemmissa tuulimyllyissä koko rakennusta käännettiin tuulen suuntaan, mutta uudessa versiossa vain myllyn yläosa seurasi tuulen suuntaan. 1800-luvulla Amerikassa kehitetty Halladay-pyörä oli pienisiipinen tuuliratas, joka toimi tehokkaammin pienillä tuulen nopeuksilla. Kevyessä tuulirattaassa oli myös tuuliviiri, joka ohjasi rattaan aina tuulen suuntaan.Lindell 2009, s. 330.

Tuulimyllyjä käytettiin viljan jauhatukseen, vedennostoon ja kasteluun ja pienteollisuuden voimanlähteenä ennen höyrykoneen yleistymistä. Ensimmäinen sähköä tuottavan tuulivoimalan rakensi Charles F. Brush Clevelandissa, Ohiossa vuonna 1888. Lindell 2009, s. 331. Kyseessä oli myös ensimmäinen tuulivoimala, joka sisälsi vaihteiston (suhdeluku 50:1), jonka avulla generaattorin nopeus nostettiin 500 kierrokseen minuutissa. Voimalan teho oli 12 kW ja sähköä varastoitiin akkuihin.Lindell 2009, s. 331.

Vuonna 1891 tanskalainen Poul La Cour aloitti tuulivoiman aerodynamiikan tutkimisen Tanskan valtionrahoituksen turvin. Vuonna 1897 valmistui Askovin voimalaitoksen tuulimylly. Tuulimyllyn energia käytettiin vedyn ja hapen tuottamiseen vedestä. Voimala tuotti parhaimmillaan 1 000 litraa vetyä tunnissa. Tuulitunnelikokeiden perusteella la Cour päätyi suurella nopeudella pyörivään malliin, jossa on vähän lapoja. Tämä malli on ollut pohjana myös uusimpien tuulimyllyjen suunnittelussa.Lindell 2009, s. 331–332.

Euroopassa tuulivoimaloiden kehittely jatkui toisen maailmansodan jälkeen, kun fossiilisten polttoaineiden hinnat nousivat. Ensimmäisen maailmansodan loppuvaiheessa 25 kW:n tuulivoimaloiden käyttö oli levinnyt kaikkialle Tanskaan. Tanskassa toimi jo 1960-luvulla 200 kW:n tehoinen tuulivoimala. Suomen ensimmäinen sähköverkkoon kytketty tuulivoimala otettiin käyttöön 1986.

thumb|280px|Tuuliturbiini

Teknologia

Tuulivoimateknologia on monitieteinen kokonaisuus, jossa keskeisiä osaamisaloja ovat muun muassa sähkömekaaninen energianmuunto, turbiinitekniikka, tuulivoimaloiden konstruktiotekniikka, tuulivoiman integroiminen sähköverkkoihin sekä tuuli- ja ympäristöolosuhteiden tutkimus.

Paikallisten tuuliolosuhteiden tuntemus on tärkeää tuulivoiman kaupallisessa käytössä. Tuulioloilla tarkoitetaan mm. keskinopeutta, ajallista vaihtelua, tuulennopeuksien esiintymistodennäköisyyttä ja turbulenttisuutta. Tuulivoimatuotantoa rajoittavia tekijöitä ovat esimerkiksi laitteiden huurtuminen ja kylmyys.

Tuulivoimalaitoksen tuotanto riippuu voimakkaasti sijoituskohteensa tuulioloista, sillä tuulen energia on suoraan verrannollinen ilmavirtauksen nopeuden kolmanteen potenssiin. Näin ollen 7,5 m/s tuuli tuottaa yli kolminkertaisesti energiaa verrattuna 5 m/s virtaukseen.

Tuuliturbiini on turbiini, jolla tuulen eli virtaavan ilman liike-energiaa muutetaan turbiinin akselin pyörimisenergiaksi eli mekaaniseksi energiaksi. Akseli pyörittää edelleen sähköä tuottavaa generaattoria. Roottorin pyörimisliike sovitetaan vaihteiston avulla generaattorille sopivaksi. Mikäli energia käytetään suoraan esim. jauhinkivien pyöritykseen käytetään nimitystä tuulimylly. Usein tuuliturbiinista puhuttaessa tarkoitetaan koko tuulivoimalaitosta, johon turbiinin lisäksi kuuluu mm. generaattori, vaihteisto, masto ja perustukset.

Yleisimmän tuuliturbiinimallin rakenne on aksiaalinen eli siinä ilma virtaa akselin suuntaisesti. Myös radiaalisia tuuliturbiineja valmistetaan, mutta ne soveltuvat lähinnä pienille tehoille, korkeintaan noin 25 kW. Kaupallisena esimerkkinä tällaisista erikoisvoimaloista on suomalainen Windside.Faktaa tuulivoimasta -esite, Tuulivoimayhdistys, helmikuu 2005.

Tuulivoimalan koko mitoitetaan alueen tuulisuuden mukaan. Suuri voimala ei tuota sähköä pienellä tuulen nopeuksilla, mutta tuulen nopeuden kaksinkertaistuessa tuulivoimalan sähköntuotto nelinkertaistuuTuulivoimatieto. Pientuulivoimala tuottaa sähköä jo alhaisilla tuulen nopeuksilla ja voimaloiden avulla voidaan täydentää aurinkopaneelien ja dieselgeneraattorin energiantuotantoa.

Vuonna 2018 suurimmat tuuliturbiinit ovat 12 MW (GE Haliade-X), 9,5 MW (MHI Vestas V164) ja 8,0 MW (Siemens Gamesa SG 8.0-167 DD).

Käyttöikä ja tuulivoimalan purkaminen Tuulivoimalan käyttöiästä on esitetty erilaisia näkemyksiä. Tuulivoimateollisuuden vallitseva yleinen käsitys käyttöiästä on vakiintunut 20–30 vuoteen. Kaupallista tuulivoimalainvestointia tehtäessä lähdetään yleensä siitä, että laitoksen tulee pystyä maksamaan investointi takaisin 20 vuodessa.

Teollisissa tuulivoimaloissa vasta harvat turbiinit ovat saavuttaneet 20 vuoden iän vuonna 2012. Tanskassa vuoteen 2013 mennessä purettujen tuuliturbiinien keski-ikä oli noin 17 vuotta.

Suomessa oli purettu 24 tuulivoimalaa helmikuuhun 2021 mennessä.

Tuotantokapasiteetti Tuulivoimalaitosten tuotantoa voidaan tarkastella ns. huipunkäyttöajan avulla, joka lasketaan jakamalla vuosituotanto nimellisteholla. Koska tuuliolosuhteista riippuen tuulivoimala tuottaa sähköä eri tehoilla, huipunkäyttöaika kertoo kuinka monta tuntia tuulivoimalan pitäisi toimia nimellistehollaan, jotta toteutunut vuosituotanto täyttyy. Usein tuulivoimalan tuotantoa tarkastellaan myös kapasiteettikertoimen avulla. Kapasiteettikerroin on huipunkäyttöajan prosentuaalinen esitys ja saadaan jakamalla huipunkäyttöaika vuoden kaikilla tunneilla. Suomessa tuulivoimaloiden kapasiteettikerroin vuonna 2019 oli keskimääräisesti 33 prosenttia. Stanfordin yliopiston tutkijoiden mukaan vähintään viidesosa maailman tuulivoimapotentiaalista riittää koko maailman sähkönkulutukseen.

Yhdysvalloissa tuotiin tammikuussa 2015 esille se, että paremmista tuulioloista johtuen maa tuotti vuonna 2013 enemmän sähköä (167 mrd. kWh) kuin Kiina (138 mrd. kWh), vaikka Kiinassa oli asennettua tuulivoimalakapasiteettia noin 1,5 kertaisesti Yhdysvaltoihin verrattuna. Kiinan tavoitteena on rakentaa jopa 150 GW uutta tuulivoimakapasiteettiä vuoden 2017 loppuun mennessä. Yhdysvallat pyrkii rakentamaan samassa ajassa vajaa kymmenesosan tästä lisäkapasiteetista. Mikäli esitetyt suunnitelmat toteutuvat ja uusien tuulivoimaloiden kapasiteettikerroin pysyy ennallaan vuoden 2013 oloihin nähden, Kiina nousee vuoden 2017 loppuun mennessä tuotantomäärissä maailman johtavaksi tuulienergian tuottajamaaksi Yhdysvaltojen ohi.Tuulivoiman käyttö