Windturbinengröße vs. Leistung

Der Mensch nutzt die Windkraft seit Tausenden von Jahren, aber das erneute Interesse an der nicht-fossilen Energieerzeugung hat zu einer raschen Zunahme der Verbreitung von Windkraftanlagen geführt. Die Gewinnung von Energie aus Wind ist konzeptionell einfach: Wind bewegt sich über Ventilatorflügel, die eine Welle drehen, die einen elektrischen Generator dreht. Die Leistungskapazität einer Windkraftanlage lässt sich leicht berechnen, und ja, sie hängt von der Turbinengröße ab.

Wind besteht aus bewegter Luft und besteht aus gasförmigen Molekülen. Die kinetische Energie eines einzelnen Luftmoleküls ist gleich der Hälfte seiner Masse mal seiner Geschwindigkeit im Quadrat. Wenn Wind bläst, ist die Luftmasse, die durch ein bestimmtes Gebiet strömt, gleich der Fläche mal der Windgeschwindigkeit mal der Dichte der Luft. Wenn man diese beiden Teile zusammenfügt, ist die Energie, die im Wind enthalten ist, der durch eine gegebene Fläche bläst, gleich der Hälfte der Luftdichte mal der Fläche mal der Geschwindigkeit im Quadrat. Eine schnelle Methode zur Berechnung der Windleistung in Watt pro Quadratmeter besteht darin, die Kubik der Windgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde mit 0,625 zu multiplizieren. Wenn die Windgeschwindigkeit in Meilen pro Stunde angegeben ist, multiplizieren Sie den Würfel mit 0,056. Das bedeutet, dass ein Wind von 12 Metern pro Sekunde (etwas mehr als 8 Meilen pro Stunde) fast 1.100 Watt pro Quadrat transportiert Meter, während eine 4 Meter pro Sekunde (weniger als 2 Meilen pro Stunde) Brise nur 40 Watt pro Quadrat trägt Meter. Die dreimal höhere Windgeschwindigkeit trägt 27-mal mehr Energie.

Die überstrichene Fläche einer Windkraftanlage ist die Gesamtfläche, die durch eine Rotation der Rotorblätter abgedeckt wird. Bei den bekannten Horizontalachsen-Windturbinen mit zwei oder mehr Rotorblättern, die sich im Kreis drehen, entspricht die überstrichene Fläche pi mal der Länge eines einzelnen Rotorblatts. Bei einer Maschine mit einer Blattlänge von 40 Metern (131 Fuß) beträgt die überstrichene Fläche mehr als 5.000 Quadratmeter (fast 54.000 Quadratfuß) – fast eineinhalb Hektar. Die Leistung, die durch dieses Gebiet fließt, kann berechnet werden, indem man 5.000 Quadratmeter mit dem 0,625-fachen der Windgeschwindigkeit multipliziert gewürfelt für einen Wind von 12 Metern pro Sekunde, was zeigt, dass der Wind, der durch dieses Gebiet weht, mehr als 5 Megawatt von. trägt Leistung. Der gleiche Wind, der an einer Turbine mit 28 Meter langen Blättern vorbeibläst, hat eine überstrichene Fläche von etwa 2.500 Quadratmetern (27.000 Quadratfuß) und trägt eine Leistung von etwa 2,5 Megawatt.

Nur weil der Wind eine gewisse Leistung durch die überstrichene Fläche einer Windkraftanlage trägt, heißt das nicht, dass die Windkraftanlage so viel Leistung produziert. Tatsächlich kann selbst die bestmögliche Turbine nicht all diese Energie ernten. Wenn dies der Fall wäre, wäre die Luft direkt hinter den Blättern still, was bedeutet, dass der Wind vorn nirgendwo hingehen könnte. Die maximal mögliche Energiemenge, die eine Windkraftanlage ernten kann, beträgt weniger als 60 Prozent der Gesamtmenge. In der realen Welt schleichen sich andere Ineffizienzen ein – Dinge wie Energieverlust durch Reibung, Lärm und Widerstand in Drähten – um die Gesamtleistungsentnahme auf etwa 30 bis 40 Prozent der Gesamtleistung zu reduzieren Windkraft.

Jede Windkraftanlage trägt eine Nennleistung. Das ist die maximale Leistung, die sie in jedem Moment produziert, in dem die Turbine mit ihrer Nennwindgeschwindigkeit betrieben wird. Leider hat jede Turbine eine andere Nennwindgeschwindigkeit, was den Vergleich etwas schwieriger macht. Außerdem hat jede Turbine eine Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit. Das sind die niedrigen bzw. hohen Windgeschwindigkeiten, ab denen die Turbine keinen Strom mehr produziert. Der Wirkungsgrad der Turbine zwischen diesen beiden Extremen wird in einer Leistungskurve gemessen. Wie viel Energie eine Windkraftanlage in einem bestimmten Jahr produzieren kann, hängt von der Leistungskurve und dem Windgeschwindigkeitsprofil ab. Die tatsächlich produzierte Energie dividiert durch die Energie, die die Turbine produzieren könnte, wenn sie immer Vollzeit lief, wird als Kapazitätsfaktor bezeichnet. Obwohl eine größere Windkraftanlage im Allgemeinen in der Lage sein wird, mehr Windenergie zu gewinnen, hat sie an einem bestimmten Standort möglicherweise nicht den höchsten Kapazitätsfaktor.