Tuuliturbiinin koko vs. Teho

Ihmiset ovat käyttäneet tuulivoimaa tuhansia vuosia, mutta uusi kiinnostus muuhun kuin fossiilisiin polttoaineisiin perustuvaan energiantuotantoon on johtanut tuuliturbiinien leviämisen nopeaan lisääntymiseen. Energian ottaminen tuulesta on käsitteellisesti yksinkertaista: tuuli liikkuu tuulettimen siipien yli, jotka kääntävät sähkögeneraattoria pyörivän akselin. Tuuliturbiinin teho on helposti laskettavissa, ja kyllä, se riippuu turbiinin koosta.

Tuuli koostuu liikkuvasta ilmasta ja koostuu kaasumaisista molekyyleistä. Minkä tahansa yksittäisen ilmamolekyylin kineettinen energia on yhtä suuri kuin puolet sen massasta ja sen nopeuden neliö. Kun tuuli puhaltaa, minkä tahansa tietyn alueen läpi kulkevan ilman massa on yhtä suuri kuin pinta-ala kertaa tuulen nopeus ja ilman tiheys. Yhdistämällä nämä kaksi kappaletta yhteen tietyn alueen läpi puhaltavan tuulen energia on yhtä suuri kuin puolet ilman tiheydestä kertaa pinta-ala kerrottuna kuutioitunopeudella. Nopea tapa laskea tuulen teho watteina neliömetriä kohti on kertoa tuulen nopeuden kuutio metreinä sekunnissa 0,625: llä. Jos tuulen nopeus on mailia tunnissa, kerro kuutio 0,056: lla. Tämä tarkoittaa, että 12 metriä sekunnissa (hieman yli 5 mailia tunnissa) tuuli kuljettaa lähes 1100 wattia neliötä kohti metri, kun taas 4 metriä sekunnissa (alle 2 mailia tunnissa) tuuli kuljettaa vain 40 wattia neliömetriä kohden mittari. Kolme kertaa suurempi tuulen nopeus kuluttaa 27 kertaa enemmän energiaa.

Tuuliturbiinin pyyhkäisema alue on terien pyörimisen kattama kokonaispinta-ala. Tuttujen vaakasuoran akselin tuuliturbiinien kanssa, joissa on kaksi tai useampia siipiä pyöriviä siipiä, pyyhkäisykenttä on yhtä suuri kuin pi kertaa yhden terän pituus. Koneessa, jonka terän pituus on 40 metriä (131 jalkaa), lakaistu pinta-ala on yli 5000 neliömetriä (lähes 54 000 neliöjalkaa) - melkein yhden ja neljänneksen hehtaarin. Tämän alueen läpi kulkeva teho voidaan laskea kertomalla 5000 neliömetriä 0,625 kertaa tuulen nopeudella kuutioina 12 metriä sekunnissa tuottavalle tuulelle, mikä osoittaa, että tuon alueen läpi puhaltava tuuli kuljettaa yli 5 megawattia teho. Sama tuuli puhaltaa turbiinin ohi, jossa on 28 metriä (92 jalkaa) terät, pyyhkäisyn pinta-ala on noin 2500 neliömetriä (27 000 neliöjalkaa), ja sillä on noin 2,5 megawatin teho.

Se, että tuuli kuljettaa tietyn määrän voimaa tuuliturbiinin pyyhkäisyn läpi, ei tarkoita sitä, että tuuliturbiini tuottaa niin paljon tehoa. Itse asiassa edes paras mahdollinen turbiini ei voi kerätä kaikkea sitä energiaa. Jos se tapahtui, ilma välittömästi terien takana olisi pysähtynyt, mikä tarkoittaa, että edessä olevalla tuulella ei olisi minne mennä. Tuuliturbiinin korjuun suurin mahdollinen energiamäärä on alle 60 prosenttia kokonaismäärästä. Todellisessa maailmassa hiipuu muita tehottomuutta - esimerkiksi kitkaan, meluun ja johtimien vastus - vähentää kokonaisenergianottoa noin 30-40 prosenttiin kokonaismäärästä tuulivoima.

Jokaisella tuuliturbiinilla on teholuokka. Se on suurin teho, jonka se tuottaa jokaiselle hetkelle, kun turbiini toimii nimellistuulenopeudella. Valitettavasti jokaisella turbiinilla on erilainen tuulen nopeus, joten niiden vertaaminen on hieman vaikeampi. Lisäksi jokaisella turbiinilla on katkaisu- ja katkaisunopeus. Nämä ovat vastaavasti alhaiset ja suuret tuulen nopeudet, joiden yli turbiini ei tuota sähköä. Turbiinin hyötysuhde näiden kahden ääripään välillä mitataan tehokäyrällä. Tuuliturbiinin odotettavissa olevan energiamäärän tiettynä vuonna riippuu tehokäyrästä ja tuulen nopeusprofiilista. Todellista tuotettua energiaa jaettuna energialla, jonka turbiini voisi tuottaa, jos se käy aina koko ajan, kutsutaan kapasiteettikertoimeksi. Vaikka suurempi tuuliturbiini pystyy yleensä sieppaamaan enemmän tuulienergiaa, sillä ei ehkä ole suurinta kapasiteettikerrointa tietyssä paikassa.