Velikost větrné turbíny vs. Napájení

Lidé využívají větrnou energii po tisíce let, ale obnovený zájem o výrobu energie bez fosilních paliv vedl k rychlému nárůstu šíření větrných turbín. Získávání energie z větru je koncepčně jednoduché: vítr se pohybuje přes lopatky ventilátoru, které otáčejí hřídelí, které otáčí elektrický generátor. Energetická kapacita větrné turbíny se snadno vypočítá a ano, záleží na velikosti turbíny.

Vítr se skládá ze vzduchu v pohybu a je tvořen plynnými molekulami. Kinetická energie jakékoli jednotlivé molekuly vzduchu se rovná jedné polovině její hmotnosti krát její druhé mocniny na druhou. Když fouká vítr, hmotnost vzduchu, který prochází určitou oblastí, se rovná ploše krát rychlosti větru krát hustotě vzduchu. Když dáme tyto dva kusy dohromady, energie obsažená ve větru, který fouká danou oblastí, se rovná jedné polovině hustoty vzduchu krát plochy krát rychlosti kubu. Rychlým způsobem výpočtu výkonu ve větru ve wattech na metr čtvereční je vynásobení krychle rychlosti větru v metrech za sekundu 0,625. Pokud je rychlost větru v mílích za hodinu, vynásobíte krychli o 0,056. To znamená, že vítr s rychlostí 12 metrů za sekundu (něco přes 5 mil za hodinu) nese téměř 1100 wattů na čtverec metr, zatímco vánek 4 metry za sekundu (méně než 2 míle za hodinu) nese pouhých 40 wattů na čtvereční Metr. Třikrát vyšší rychlost větru nese 27krát více energie.

Zametená plocha větrné turbíny je celková plocha pokrytá rotací lopatek. U známých větrných turbín s horizontální osou se dvěma nebo více lopatkami, které se točí v kruhu, je zametená plocha rovna pí násobku délky jedné lopatky. Na stroji s délkou čepele 40 metrů (131 stop) je zametená plocha více než 5 000 metrů čtverečních (téměř 54 000 metrů čtverečních) - téměř jeden a čtvrt akru. Síla procházející touto oblastí lze vypočítat vynásobením 5 000 metrů čtverečních 0,625násobkem rychlosti větru krychlí pro vítr o rychlosti 12 metrů za sekundu, což ukazuje, že vítr fouká touto oblastí a nese více než 5 megawattů Napájení. Stejný vítr, který fouká kolem turbíny s lopatkami o délce 28 metrů, má plochu o rozloze asi 2 500 metrů čtverečních a nese asi 2,5 megawattů energie.

Jen proto, že vítr nese určité množství energie přes oblast šíření větrné turbíny, neznamená, že větrná turbína produkuje tolik energie. Ve skutečnosti ani ta nejlepší možná turbína nemůže sklízet veškerou tuto energii. Pokud by se to stalo, pak by vzduch bezprostředně za lopatkami byl klidný, což znamená, že vítr vpředu by neměl kam jít. Maximální možné množství energie, které může větrná turbína sklízet, je méně než 60 procent z celkového počtu. Ve skutečném světě se vkrádají další neúčinnosti - věci jako energie ztracená třením, hluk a odpor vodičů - ke snížení celkového odběru energie na přibližně 30 až 40 procent z celkového počtu síla větru.

Každá větrná turbína má jmenovitý výkon. To je maximální výkon, který vyprodukuje v každém okamžiku, kdy turbína pracuje při své jmenovité rychlosti větru. Každá turbína má bohužel jinou jmenovitou rychlost větru, takže je o něco obtížnější je porovnat. Každá turbína má navíc zapínací a vypínací rychlost. Jedná se o nízkou a vysokou rychlost větru, nad kterou turbína neprodukuje elektřinu. Účinnost turbíny mezi těmito dvěma extrémy se měří v křivce výkonu. Lze očekávat, že množství energie, které větrná turbína v daném roce vyprodukuje, závisí na křivce výkonu a profilu rychlosti větru. Skutečná vyrobená energie vydělená energií, kterou by turbína mohla vyprodukovat, kdyby vždy běžela na plný úvazek, se nazývá kapacitní faktor. Ačkoli větší větrná turbína bude obecně schopna zachytit více větrné energie, nemusí mít v daném místě nejvyšší faktor kapacity.