風力タービンのサイズと 力

人間は何千年もの間風力発電を使用してきましたが、化石燃料に基づかないエネルギー生成への新たな関心により、風力タービンの普及が急速に進んでいます。 風からエネルギーを抽出することは、概念的には簡単です。風は、発電機を回転させるシャフトを回転させるファンブレード上を移動します。 風力タービンの出力容量は簡単に計算できます。もちろん、タービンのサイズによって異なります。

風は運動中の空気で構成され、気体分子で構成されています。 単一の空気分子の運動エネルギーは、質量の半分に速度の2乗を掛けたものに等しくなります。 風が吹いているとき、特定の領域を通過する空気の質量は、その領域に風速を掛けたものに空気の密度を掛けたものに等しくなります。 これら2つの要素を組み合わせると、特定の領域を吹き抜ける風に含まれるエネルギーは、空気密度の半分に領域を掛けたものに速度の3乗を掛けたものに等しくなります。 風速（ワット/平方メートル）を計算する簡単な方法は、風速の3乗（メートル/秒）に0.625を掛けることです。 風速がマイル/時の場合、立方体に0.056を掛けます。 つまり、毎秒12メートル（時速5マイル強）の風が1平方あたり約1,100ワットを運ぶということです。 メートル、毎秒4メートル（時速2マイル未満）のそよ風は1平方あたりわずか40ワットを運びます メーター。 3倍の風速は27倍のエネルギーを運びます。

風力タービンの掃引面積は、ブレードの回転によってカバーされる総面積です。 円周率で回転する2つ以上のブレードを備えたおなじみの水平軸風力タービンの場合、掃引面積はpiに1つのブレードの長さを掛けたものに等しくなります。 ブレードの長さが40メートル（131フィート）のマシンでは、掃引面積は5,000平方メートル（約54,000平方フィート）を超え、ほぼ1.5エーカーです。 そのエリアを通過する電力は、5,000平方メートルに風速の0.625倍を掛けることで計算できます。 毎秒12メートルの風の立方体であり、その領域を吹く風が5メガワット以上を運ぶことを示しています パワー。 28メートル（92フィート）のブレードを備えたタービンを通過する同じ風は、約2,500平方メートル（27,000平方フィート）の掃引面積を持ち、約2.5メガワットの電力を運びます。

風が風力タービンの掃引領域を介して一定量の電力を運ぶからといって、風力タービンがそれほど多くの電力を生成することを意味するわけではありません。 実際、可能な限り最高のタービンでさえ、そのすべてのエネルギーを収穫することはできません。 もしそうなら、ブレードのすぐ後ろの空気はまだ残っているでしょう、それは前の風が行くところがないことを意味します。 風力タービンが収穫できるエネルギーの最大可能量は、全体の60パーセント未満です。 現実の世界では、他の非効率性が忍び寄ります-摩擦、ノイズ、および ワイヤの抵抗-全体の電力抽出を全体の約30〜40パーセントに削減します 風力。

すべての風力タービンには電力定格があります。 これは、タービンが定格風速で動作するすべての瞬間に生成される最大出力です。 残念ながら、タービンごとに定格風速が異なるため、比較が少し難しくなります。 さらに、すべてのタービンにはカットイン速度とカットアウト速度があります。 これらはそれぞれ、タービンが電気を生成しない低風速と高風速です。 これら2つの極値の間のタービンの効率は、出力曲線で測定されます。 風力タービンが特定の年に生成すると予想できるエネルギー量は、出力曲線と風速プロファイルによって異なります。 タービンが常にフルタイムで稼働している場合にタービンが生成できるエネルギーで割った実際のエネルギーは、設備利用率と呼ばれます。 より大きな風力タービンは一般により多くの風力エネルギーを取り込むことができますが、特定の場所で最大の設備利用率を持たない場合があります。