Õhuringlus atmosfääris ehk üldine tsirkulatsioon on põhjustatud päikesekiirgusest ja selle ebaühtlasest jaotusest. Õhuliikumised saavad alguse ekvaatorilt, kus õhk tõuseb suurtesse kõrgustesse ja hakkab siis jahtudes liikuma pooluste suunas. Nii tekib tuul ja ühtlasi lokaalsed tugevad tuuled soojade ja külmade õhumasside liikumise tulemusena, mis sõltuvad päikeseenergia tugevusest. Tuule ehk liikuva õhu kineetilist energiat, saab muundada teisteks energialiikideks, sh elektrienergiaks. Seejuures saab mõõta tuuleenergiat ehk energiatihedust (W/m²), mis on defineeritud kui ühikulise suurusega pindala risti läbiva õhuvoolu hetkeline energia, mis sõltub temperatuuri muutustest atmosfääris. Eesti Tuuleenergia Assotsiatsiooni tuuleatlasest on näha, et tuule kiirus kõigub rohkem rannikupiirkondades, samal ajal kui Eesti sisemaal on tuule jaotus ühtlane (Kull 1996, Eesti Tuuleenergia Assotsiatsiooni kodulehel). Seetõttu on ka keskmine energiatihedus rannikupiirkondades märkimisväärselt kõrgem kui sisemaal.

Tuule kineetiline energia muudetakse elektrienergiaks tuulikute tuuleturbiinide abil. Tuuleturbiin koosneb tiibadest ehk labadest, rootorist, masinaruumist, tornist, elektroonikseadmetest, mõnedel juhtudel käigukastist ja tuulegeneraatorist, mille ringikäimise tulemuse tekibki elektrivool. Täpsemalt kirjeldades on enamikul tuulikutest kolm aerodünaamilise ehitusega laba. Tuul liigub üle labade ning tiivik hakkab pöörlema. Gondli keres asub aeglaselt pöörlev võll, käigukast (või aeglaselt pöörlev generaator), kiirelt pöörlev võll ning generaator. Pöörlevad labad panevad aeglaselt pöörleva võlli pöörlema kiirusel 30-60 pööret minutis.

Aeglaselt pöörlev võll on kiirelt pöörleva võlliga hammasrataste abil ühendatud. Need tõstavad kiirelt pöörleva võlli pöörlemiskiiruse 1000-1800 pöördeni minutis. Kiirelt pöörlev võll paneb käima elektrienergiat tootva generaatori. Generaatori väljundvõimsus suunatakse transformaatorisse, mis muundab selle laiemas elektrivõrgus kasutatavale pingele vastavaks.

Tuuleturbiinide skeem (Cavallo, 1993).

 

Hetkel on enim kasutust leidnud horisontaalteljelised tuuleturbiinid (vt tuuleturbiinide skeem), millel on rootori võll ja generaator torni otsas ning suunatud tuule suunda. Nende tuuleturbiinide suureks miinuseks on müra, seoses tuule suuna jälgimisega väiksem töömoment ning see, et nad on ebaefektiivsed tuuleturbulentsis. Eeliseks aga odavam hind võrreldes sama võimsate vertikaaltuulikutega. Kui on võimalus paigaldada horisontaaltuulik elamust kaugemale ning tuultele avatud kohta, siis ei ole eelnevalt nimetatud miinused niivõrd märkimisväärsed.

Vähem levinud on vertikaalteljelised tuuleturbiinid (vt tuuleturbiinide skeem), mida on arendatud juba mõnda aega, ent tööstuslikult toodetakse neid veel vähe. Nendel tuuleturbiinidel on rootori võll paigutatud vertikaalselt, mis võimaldab generaatori ja käigukasti paigutada maapinna lähedale, nii et torn ei peaks seda toetama.

Vertikaalse tuuliku eeliseks peetakse eelkõige asjaolu, et see ei vaja tuulde pööramise mehhanismi, teeb vähest müra. Vaikne töötamine tähendab väiksemat labade pöörlemiskiirust, mistõttu arvestatava tootlikkuse saavutamiseks peab pöörlemismoment olema suurem - see tähendab aga suuri mehaanilisi koormusi labadele ja muule konstruktsioonile, samuti suureneb siis tuuliku mass. Väiksem müratase võrreldes horisontaalsete tuulikutega annab võimaluse paigaldada tuulik tiheasustuse alasse. Madal "start-up" tuulekiirus ja püsimagnet generaator tagavad stabiilse töö ka vähese tuule korral.

Uuemate tuulikute tiibade ehitus on töötatud välja spetsiaalselt pidurdamaks suure tuulekiiruse korral turbiini pöörlemiskiirust. Nimetatud probleem esineb horisontaalsete tuulikute tootmises - nimelt tuulekiirus üle 25-30m/s on neile ohtlik ja turbiini pöörlemiskiirust tuleb piirata piduritega.

Kuna vertikaaltuuliku turbiini pole vaja tuule suunda keerata, siis pikeneb töösoleku aeg, olenevalt kuidas tuuled pööravad - ca 10-35%. Erinevalt horisontaaltuulikust töötab vertikaalturbiin ka tuulepööristes, võimaldades paigaldust hoonete vahele ning katustele.

Hoone või muu takistus tekitab tuulepöörised, mis on kuni 2 korda kõrgemad kui takistus ja pikkuselt kuni 20'ne takistuse pikkused. Nii peab paigaldama horisontaalse tuuliku turbulentsi tsoonist välja - vertikaaltuulikuga sellist probleemi ei esine ning ta on võimeline töötama selles tsoonis kasutades ära olemasoleva tuuleenergia.

Mille poolest erinevad horisontaal- ja vertikaalteljega tuuleturbiinid?