Lehdetön tuuliturbiinit: Puhdas energian tulevaisuus

Glasgow’n yliopiston tutkijat tutkivat aktiivisesti keinoja lisätä lehdetönten tuuliturbiinin (BWT) tehoa. Tätä varten he tarjoavat tietokonesimulaatioista johdettuja näkemyksiä¹ näistä turbiineista, tunnistaen tehokkaimmat suunnitelmat tulevia malleja varten.

The researchers said:

“Tulokset voisivat auttaa uusiutuvan energian alaa viemään BWT:t, jotka ovat edelleen tutkimuksen ja kehityksen varhaisessa vaiheessa, pienimuotoisista kenttäkokeista käytännön muotoihin sähköntuotannossa kansallisille sähköverkoille.”

Lehdetön tuuliturbiinit ovat kehittyvä tuulivoiman tuotantomenetelmä, jota tutkijat pääasiassa tutkivat. Ne kuitenkin keräävät nopeasti huomiota, ja niiden markkinat kasvavat yhtä nopeasti.

Vuonna 2022 globaalin lehdetönten tuuliturbiinien markkinakoko oli arviolta $60.5 miljardia, ja sen odotetaan ylittävän $116 miljardia vuoteen 2030 mennessä, johtuen kasvavasta uusiutuvan energian kysynnästä maailmanlaajuisesti.

Toisin kuin tavalliset tuuliturbiinit, lehdetön tuuliturbiinit (BWT) ovat hiljaisempia ja vievät vähemmän tilaa. Ne myös sopeutuvat nopeammin tuulen suunnan muutoksiin, mikä tekee niistä erittäin hyödyllisiä kaupunkialueilla, joilla tuuli on epätasaista.

Toinen merkittävä BWT:n etu on ympäristövaikutusten vähentäminen, erityisesti villieläinten osalta. Laitteet, joissa on roottorit, lisäävät lintujen törmäysriskiä, koska nopeasti pyörivät roottorit voivat näyttää sumulta tai olla kokonaan näkymättömiä. Lehdetön turbiini liikkuu merkittävästi vähemmän, jolloin linnut voivat helpommin väistää sen.

Alhainen paino ja alempi painopiste vähentävät BWT:n perustustarvetta, mikä puolestaan yksinkertaistaa niiden asennusta.

Lehdetön turbiinin yksinkertaisempi rakenne vaatii myös vähemmän huoltoa kuin tavallinen turbiini, mikä pidentää sen käyttöikää.

Klikkaa tästä oppiaksesi, voiko tuulienergia todella voimaannuttaa maailman.

What Are Bladeless Wind Turbines and How Do They Work?

Uusiutuvat energialähteet, jotka periytyvät luonnollisesti, ovat avain siirtymiseen vähemmän hiilipitoisiin ja kestävämpiin energiajärjestelmiin.

Uusiutuvat energialähteet sisältävät tuulen, auringonvalon, sateen, aallot, vuorovedet, lämpöenergian ja biomassan. Nämä resurssit ovat kriittisiä paitsi fossiilisten polttoaineiden riippuvuuden vähentämiseksi myös ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi.

Uusiutuvista energialähteistä tuulienergia on nopeasti kasvava sektori. Vuonna 2024 uusiutuvat energialähteet ja ydinvoima yhdessä tuottivat lähes 41 % maailman sähköntuotannosta. Uusiutuvista lähteistä aurinko oli suurin kontribuutio, jota seuraa tuulienergia, joka kasvoi 8,1 % maailman sähköstä.

Kansainvälisen energiajärjestön (IEA) mukaan aurinko‑PV ja tuuli ennustetaan kattavan 95 % kaikista uusiutuvan kapasiteetin lisäyksistä vuoteen 2030 asti.

Tuulienergian hyödyntämiseksi käytetään tavallisesti tuuliturbiineja, jotka muuntavat tuulen mekaanisen energian sähköksi. Vaihtoehtoinen tapa käyttää tuulienergiaa on energiankeruumenetelmät, jotka perustuvat joustavien rakenteiden aeroelastiseen värähtelyyn.

Viimeisten vuosikymmenten aikana aeroelastinen energiankeruu on saanut paljon huomiota, erityisesti vortex-indusoituneen värähtelyn (VIV) tutkimiseen sylinterimäisissä massoissa. VIV-teknologia on herättänyt merkittävää kiinnostusta, mikä on johtanut lukuisiin numeerisiin malleihin ja kokeelliseen tutkimukseen.

Vortex-indusoitu värähtely syntyy, kun vortexit irtoavat vuorotellen massan kummaltakin puolelta, aiheuttaen säännöllisiä noste- ja veto-voimia sekä suuria poikkisuuntaisia värähtelyjä rakenteessa.

Kun vortexin irtoamistiheys vastaa rakenteen omaa taajuutta, syntyy epävakaa liike ja erittäin suuria värähtelyamplitudin. Tätä ilmiötä kutsutaan lukkiutumiseksi (lock‑in).

Innovatiivinen konsepti, joka hyödyntää VIV:n ja lock‑in ilmiön aiheuttamia suuria värähtelyitä, on lehdetön tuuliturbiini (BWT).

BWT toimii kuin sylinterimäinen massi, joka asetetaan virtaukseen ja aiheuttaa vortexien muodostumisen virtauserottelun kautta. Näin BWT:llä on suuri potentiaali tuottaa tehoa tietyllä tuulinopeusalueella. Suurempi värähtelyn amplitudi voi lisätä sekä tehoa että toiminta‑tuulinopeusaluetta.

Koska BWT:llä on potentiaalia uusiutuvan energian hyödyntämisessä, niiden VIV‑pohjaista sähköntuottoa tutkitaan pienillä tehoalueilla 1–100 W.

Tutkimuksia on myös tehty BWT:n teho‑ ja suunnittelumuuttujien, kuten maston pituuden, painon ja tuulinopeuden, välisen suhteen arvioimiseksi. Lisäksi tutkimus tutkii BWT:n toiminta‑tuulinopeusaluetta säätöjärjestelmän avulla. Kuitenkin BWT:n hyötysuhteesta ei ole vielä selkeää tietoa.

Koska tuuli ei ole rajallinen resurssi, on tärkeää selvittää, tuottaako maksimaalinen hyötysuhde maksimaalisen BWT‑tehon.

Tällä hetkellä ei kuitenkaan tiedetä, voidaanko tehoa lisätä vakioituun tuulitehoon. Lisäksi lehdetönten tuuliturbiinien fluidi‑rakenne‑vuorovaikutusmallinnus on harvinaista, vaikka se olisi hyödyllinen parametrien tutkimiseen ja tehokkuuden arviointiin.

Siksi Glasgow’n yliopiston tutkijoiden uusin tutkimus pyrkii nopeuttamaan nykyisten BWT‑mallien skaalaamista pienimuotoisista kokeista suurempiin offshore‑sovelluksiin.

Tämä tutkimus käsittelee lehdetönten tuuliturbiinin tehokkuutta ja tehoa kehittämällä yksinkertaisen numeerisen mallin, joka tarkastelee VIV‑mekanismeja BWT:ssä. Tutkijat ovat tarjonneet kattavan analyysikehyksen, joka pyrkii optimoimaan BWT:t maksimaaliseksi energian talteenotoksi säilyttäen rakenteellisen eheyden.

Can Bladeless Wind Turbines Compete With Traditional Ones?

Perinteiset roottorituuliturbiinit ovat pitkään olleet suosittu tapa muuntaa tuuli sähköksi. Ne muuttavat suoraan tuulen kineettisen energian roottorin pyörimisliikkeeksi, joka puolestaan pyörittää generaattoria.

Lehdetön tuuliturbiini (BWT) toimii eri periaatteella kuin roottoriturbiinit. Keskeinen periaate on VIV, ja roottorien sijaan nämä turbiinit käyttävät pitkiä, ohuita, sylinterimäisiä mastoja, jotka värähtelevät tai keinuvat tuulessa.

Rakentaakseen maksimaalisen tehokkuuden BWT:t, Glasgow’n yliopiston tutkijaryhmä suoritti tuhansia BWT‑suunnitelmien simulaatioita.

Tämä mahdollisti optimaalisimman pisteen löytämisen, joka maksimoi energian tuotannon ilman rakenteen kestävyyden heikentymistä. Dr. Wrik Mallik, James Watt School of Engineering:

“Mitä tämä tutkimus ensimmäistä kertaa osoittaa, on että vastoin intuitiota, rakenne, jonka hyötysuhde energian talteenotossa on korkein, ei ole se, joka tuottaa eniten tehoa. Sen sijaan olemme tunnistaneet ihanteellisen keskipisteen suunnittelumuuttujien välillä, jotta BWT:t voivat tuottaa maksimaalista tehoa säilyttäen rakenteellisen vahvuuden.”

Tutkimus antaa näkemyksen siitä, miten maston mitat, mukaan lukien leveys ja korkeus, vaikuttavat sekä tuotettuun tehoon että turbiinien rakenteelliseen eheyteen.

Tämä paljasti aiemmin tuntemattoman kompromissin: maston halkaisijan kasvattaminen parantaa sekä hyötysuhdetta että energian talteenottoa, mutta huippuhyötysuhde 6 % ja maksimaalinen teho 600 W saavutetaan eri geometrisilla kokoonpanoilla.

Kuitenkin pelkästään tehon maksimoimiseksi optimoidut kokoonpanot ylittävät rakenteelliset turvallisuusrajat, kun taas hyötysuhteen maksimoiminen tuottaa alitehoista tuotantoa.

Ihanteellinen malli on 31,4‑tuuman (80 cm) masto, jonka halkaisija on 25,4 tuumaa (65 cm), kuten tutkimuksessa julkaistussa Renewable Energy -artikkelissa.

Tällainen optimaalinen tasapaino mahdollistaa turvallisen 460 watin tehon, mikä on parempi kuin nykyiset prototyypit, jotka maksimoivat noin 100 wattia.

“Tulevaisuudessa BWT:t voivat näytellä korvaamatonta roolia tuulivoiman tuottamisessa kaupunkiympäristöissä, joissa perinteiset turbiinit ovat vähemmän hyödyllisiä.”

– Dr. Malik

Tutkimustulokset voivat olla keskeisiä rakenteen turvallisuuden varmistamisessa 20–70 mph (32–113 km/h) tuulen nopeuksilla. Tutkijoiden mukaan menetelmä mahdollistaa lehdetönten tuuliturbiinin skaalaamisen 1 000 watin (1 kW) tai enemmän tuottavaksi.

Tämän tutkimuksen avulla pyritään kannustamaan alaa kehittämään uusia BWT‑prototyyppejä selkeästi osoittamalla tehokkain malli.

“Arvailun poistaminen prototyyppien kehittämisen epävarmuustekijöistä voi viedä BWT:t lähemmäs roolia maailman työkalupakissa kohti nettonollaa uusiutuvien energialähteiden avulla.”

– Professori Sondipon Adhikari, James Watt School of Engineering

Adhikarin mukaan insinöörit aikovat jatkaa BWT‑suunnittelun ymmärtämisen syventämistä ja teknologian skaalaamista laajempaan käyttöön.

He ovat myös “innokkaita” tutkimaan erityisesti suunniteltuja metamateriaaleja, jotka on hienosäädetty antamaan ominaisuuksia, joita luonnossa ei ole, ja jotka voivat “parantaa BWT:iden tehokkuutta tulevina vuosina.”

New Designs and Materials for Next-Gen BWTs

Toisessa tutkimuksessa², jonka ovat tehneet Alexandria Universityn tutkijat tänä vuonna, esiteltiin kaksi uutta mekanismia BWT‑suunnitteluun, joilla pyritään ratkaisemaan lehdetönten tuuliturbiinin toiminnallisia rajoitteita, jotka johtuvat lock‑in‑ilmiöstä ja rajoittavat toiminta‑alueen rakenteen luonnollisen taajuuden lähelle.

Mekanismeina esiteltiin säätömassamekanismi ja elastinen säätömekanismi, jotka mahdollistavat toiminnan laajalla tuulinopeusalueella 2–10 m/s.

Tutkimus osoitti myös, että mastoyksikön ekvivalenttinen massa ja polaarinen hitausmomentti vapaan pään kantavassa palkissa ovat tärkeitä turbiinin suunnittelussa ja lock‑in‑olosuhteiden täyttämisessä.

Tutkimuksen tavoitteena on ylläpitää optimaalista suorituskykyä säätämällä turbiinin luonnollista taajuutta mekanismien avulla.

Matemaattinen malli rakennettiin myös säätämään luonnollista taajuutta vastaamaan vortexin irtoamistiheyttä määritellyllä tuulinopeudella. Mallin validointi osoitti korkean tarkkuuden.

Ensimmäinen mekanismi voi saavuttaa 99,2 % lisäyksen mekaaniseen hyötysuhteeseen 7 m/s, mutta korkeamman taivutusmoduulin arvojen saavuttamiseksi toinen mekanismi on otettava käyttöön, jotta turbiinin kokonaiskoko pienenee. Yhdistetty lähestymistapa parantaa hyötysuhdetta 55,7 %.

Säätömekanismien lisäksi sopivien materiaalien valinta turbiinin joustaville komponenteille on kriittistä, jotta saavutetaan riittävä lujuus ja suorituskyky, sillä ne vaikuttavat rakenteen kokonaisjäykkyyteen. Tämä vaikuttaa rakenteen luonnolliseen taajuuteen ja siten kaikkiin BWT‑suorituksiin.

Tutkimus raportoi hiili- ja lasikuitujen olevan parhaat materiaalit BWT:n pääkomponenttien valmistukseen.

Komposiittimateriaalien mekaanisia ominaisuuksia voidaan hallita muuttamalla valmistusparametreja, kuten kerrosten määrää ja suuntausta, mikä mahdollistaa vahvuuden, jäykkyyden ja muiden ominaisuuksien räätälöinnin eri sovellusten vaatimuksiin.

Vaikka teknologia on vielä varhaisessa kehitysvaiheessa ja rajoittuu kokeellisiin ja laboratoriotesteihin, se on alkanut osoittaa merkkejä todellisesta sovelluksesta.

Viime vuonna BMW Group aloitti kokeilut lehdetöntä tuulienergian yksikköä varten. Saksalainen autonvalmistaja asensi Aeromine Technologiesin lehdetöntä tuulienergian yksikön MINI‑tehtaan Oxfordissa.

Tämä tehdas toimii testisijana teknologialle, jossa arvioidaan yksikön potentiaalia energiatehokkuuden parantamisessa yrityksen maailmanlaajuisissa laitoksissa ja Yhdistyneen kuningaskunnan liikekeskuksissa.

Aerominen tuulienergian yksikkö on asennettu rakennuksen reunalle, kohdistettuna tuuleen. Yksikön pystysuorat siivet, jotka toimivat kuin siivet, luovat alipainetehon, poimien ilmaa sisäisen potkurin takaa puhtaaseen ja vihreään sähköön.

“‘Liikkumaton’ tuulienergiateknologiamme on suunniteltu toimimaan saumattomasti aurinkojärjestelmien rinnalla, maksimoiden uusiutuvan energian tuotannon kattojen päältä ja auttaen ratkaisemaan haasteita kuten melua, värähtelyä ja villieläinvaikutuksia. Olemme innoissamme nähdessämme, miten tämä alkuasennus voi johtaa laajempiin sovelluksiin BMW:n maailmanlaajuisissa laitoksissa.”

– Claus Lønborg, toimitusjohtaja Aeromine Technologiesissa.

Klikkaa tästä oppiaksesi liikkumattomasta tuulienergiasta

Investing in Wind Energy

Tuulienergian alalla General Electric (GE.TO ) (GE ) on yksi suurimmista tuuliturbiinivalmistajista tytäryhtiönsä GE Vernova (GEV ) kautta, joka on globaali energiayritys, joka suunnittelee, valmistaa ja toimittaa teknologioita kestävän sähköjärjestelmän luomiseksi. Sen segmentteihin kuuluvat Power (keskittyen veteen, kaasuun, höyryyn ja ydinvoimaan), Wind (maalla ja merellä toimivat turbiinit ja roottorit) sekä Electrification (virranmuunnos, verkko‑ratkaisut, aurinko ja varastointiratkaisut).

Yrityksellä on noin 120 gigawattia (GW) energiaa asennettuna 57 000:n tuuliturbiinin laivastossa, jotka toimivat yli 4 miljardia tuntia maailmanlaajuisesti.

GE Vernova (GEV ) 

Markkina-arvo on $132,9 miljardia, ja GEV‑osakkeet kaupankäynnissä hintaan $486, nousussa yli 48 % vuoden alusta. EPS (TTM) on 6,94 ja P/E (TTM) 70,18, ja osinkotuotto on 0,21 %.

Huhtikuussa yritys raportoi vuoden 2025 ensimmäisen neljänneksen tulokset, jotka paljastivat $8 miljardia liikevaihtoa, $0,3 miljardia nettotulosta ja $1,2 miljardia kassavirtaa operatiivisesta toiminnasta. GE Vernova raportoi myös 8 % tilauskasvun $10,2 miljardiin.

Neljänneksen lopussa kassavarat olivat $8,1 miljardia. Samanaikaisesti $1,3 miljardia palautettiin osakkeenomistajille.

“Toimitimme vahvat tulokset ensimmäisessä neljänneksessä ja liiketoimintamme jatkoi hyvää suoritusta. Kasvoimme laitteiden ja palveluiden tilauskannan, paransimme merkittävästi marginaaleja jokaisessa segmentissä, ja palautimme merkittävän määrän pääomaa osakkeenomistajille. Olen innoissani tulevasta, sillä olemme vasta alkutaipaleella sähköinvestointien super-syklissä.”

– Toimitusjohtaja Scott Strazik

GE Vernovan tuulibisnes on kuitenkin osoittanut sekavaa suorituskykyä, sillä se kohtaa haasteita merituulivoimassa, kun maatuulivoiman toiminta kasvaa.

Tämän seurauksena maatuulivoiman toimitus kasvoi parantuneiden hintojen myötä, kun taas merituulivoiman toiminta supistui. Vaikka tuulisegmentti on edelleen tappiollinen, se näyttää merkkejä parantumisesta.

GE Vernovan tuulibisneksen tilaukset olivat $0,6 miljardia, ja liikevaihto $1,8 miljardia. Yritys investoi myös yli $100 miljoonaa parantaakseen laivaston suorituskykyä.

Viime kuussa GE Vernova ilmoitti hyödyntävänsä robotiikkaa ja tekoälyä jokaisen valmistamansa roottorin laadun tarkastamiseen sekä raaka-aineiden laatuun ennen mallinnusta ja kokoonpanoa. Pitkällä aikavälillä AI‑pohjainen laadunvalvonta odotetaan parantavan kriittisten komponenttien käyttöikää ja siten turbiinien elinikää.

Latest GE Vernova (GEV) Stock News and Developments

Final Thoughts: Are Bladeless Wind Turbines the Future?

Perinteiset tuuliturbiinit ovat olennaisia tuulienergian tehokkaassa hyödyntämisessä, mutta niillä on vakavia, sisäänrakennettuja heikkouksia, kuten korkeat alkuinvestoinnit, melusaaste, säännöllinen huolto, visuaaliset ja ympäristövaikutukset, rakennusrajoitukset kaupunkialueilla sekä tehokas toiminta vain korkeilla tuulinopeuksilla.

Kaikki nämä tekijät ovat ajaneet vaihtoehtoisten teknologioiden kehittämistä, joista lehdetön tuuliturbiini (BWT) edustaa nousevaa ja jännittävää uutta lukua uusiutuvan energian teknologiassa.

BWT:issä tuulen liike tuottaa vortex‑virtoja, jotka saavat koko rakenteen värähtelemään, ja kun keinuliike vastaa rakenteen luonnollista värähtelytaajuutta, liike vahvistuu dramaattisesti. Tämä vahvistettu liike tai värähtely muutetaan sähköksi. Vaikka teknologia on voimakas, se on edelleen kehityksen alkuvaiheessa.

Kun tutkijat optimoivat suunnitelmia, jotka voivat saavuttaa korkeampia tuotantoja ja parempaa rakenteellista eheyttä, BWT:t voivat lopulta tulla arvokkaiksi lisäyksiksi energiaportfolioihin.

Kun puhtaan energian kysyntä jatkaa kasvuaan ja jatkuva tutkimus auttaa skaalaamaan innovaatiota kaupallisesti toteutettaviksi ratkaisuiksi, voimme nopeuttaa matkaamme kohti nettonollaa.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista tuulienergian osakkeista.

Studies Referenced:

1. Breen, J.; Mallik, W.; Adhikari, S. Performance Analysis and Geometric Optimization of Bladeless Wind Turbines Using Wake Oscillator Model. Renew. Energy 2025, 215, 123549. https://doi.org/10.1016/j.renene.2025.123549

2. Mohamed, Z.; Soliman, M.; Feteha, M.; et al. A Novel Optimal Design Approach for Bladeless Wind Turbines Considering Mechanical Properties of Composite Materials Used. Sci. Rep. 2025, 15, 1355. https://doi.org/10.1038/s41598-024-82385-9