Mensen gebruiken al duizenden jaren windenergie, maar hernieuwde belangstelling voor niet-fossiele energieopwekking heeft geleid tot een snelle toename van de verspreiding van windturbines. Energie halen uit wind is conceptueel eenvoudig: wind beweegt over ventilatorbladen die een as laten draaien die een elektrische generator laat draaien. Het vermogen van een windturbine is eenvoudig te berekenen, en ja, het hangt af van de grootte van de turbine.
Energie in wind
Wind bestaat uit bewegende lucht en is opgebouwd uit gasvormige moleculen. De kinetische energie van een enkel luchtmolecuul is gelijk aan de helft van zijn massa maal zijn snelheid in het kwadraat. Wanneer wind waait, is de luchtmassa die door een bepaald gebied gaat gelijk aan het gebied maal de windsnelheid maal de dichtheid van de lucht. Als we die twee stukken samenvoegen, is de energie in de wind die door een bepaald gebied waait gelijk aan de helft van de luchtdichtheid maal het oppervlak maal de snelheid in blokjes. Een snelle manier om het vermogen in wind, in watt per vierkante meter, te berekenen is door de derde macht van de windsnelheid in meter per seconde te vermenigvuldigen met 0,625. Als de windsnelheid in mijl per uur is, vermenigvuldig je de kubus met 0,056. Dat betekent dat een wind van 12 meter per seconde (iets meer dan 5 mijl per uur) bijna 1.100 watt per vierkant draagt meter, terwijl een briesje van 4 meter per seconde (minder dan 2 mijl per uur) slechts 40 watt per vierkante meter draagt meter. De windsnelheid die drie keer groter is, draagt 27 keer meer energie.
Leeggeruimd gebied
Het slagoppervlak van een windturbine is het totale oppervlak dat wordt bestreken door een rotatie van de wieken. Voor de bekende windturbines met horizontale as met twee of meer bladen die in een cirkel draaien, is het bestreken gebied gelijk aan pi maal de lengte van een enkel blad. Op een machine met een bladlengte van 40 meter (131 voet), is het geveegde gebied meer dan 5.000 vierkante meter (bijna 54.000 vierkante voet) - bijna anderhalve hectare. Het vermogen dat door dat gebied gaat, kan worden berekend door 5.000 vierkante meter te vermenigvuldigen met 0,625 keer de windsnelheid in blokjes voor een wind van 12 meter per seconde, wat aantoont dat de wind die door dat gebied waait meer dan 5 megawatt aan macht. Dezelfde wind die langs een turbine met bladen van 28 meter (92 voet) waait, heeft een bestreken gebied van ongeveer 2500 vierkante meter (27.000 vierkante voet) en heeft een vermogen van ongeveer 2,5 megawatt.
efficiëntie
Alleen omdat de wind een bepaalde hoeveelheid vermogen door het bestreken gebied van een windturbine voert, wil nog niet zeggen dat de windturbine zoveel vermogen produceert. In feite kan zelfs de best mogelijke turbine niet al die energie oogsten. Als dat zo was, zou de lucht direct achter de wieken stil zijn, wat betekent dat de wind vooraan nergens heen kan. De maximaal mogelijke hoeveelheid energie die een windturbine kan oogsten is minder dan 60 procent van het totaal. In de echte wereld sluipen er andere inefficiënties in -- zaken als energie die verloren gaat door wrijving, lawaai en weerstand in draden - om de totale stroomafname te verminderen tot ongeveer 30 tot 40 procent van het totaal windkracht.
Capaciteitsfactor:
Elke windturbine heeft een vermogen. Dat is het maximale vermogen dat het zal produceren voor elk moment dat de turbine werkt met de nominale windsnelheid. Helaas heeft elke turbine een andere nominale windsnelheid, waardoor het wat moeilijker is om ze te vergelijken. Daarnaast heeft elke turbine een in- en uitschakeltoerental. Dat zijn respectievelijk de lage en hoge windsnelheden waarboven de turbine geen elektriciteit produceert. Het rendement van de turbine tussen die twee uitersten wordt gemeten in een vermogenscurve. De hoeveelheid energie die een windturbine naar verwachting in een bepaald jaar kan produceren, hangt af van de vermogenscurve en het windsnelheidsprofiel. De werkelijk geproduceerde energie gedeeld door de energie die de turbine zou kunnen produceren als deze altijd voltijds zou draaien, wordt de capaciteitsfactor genoemd. Hoewel een grotere windturbine over het algemeen meer windenergie kan opvangen, heeft deze op een bepaalde locatie misschien niet de hoogste capaciteitsfactor.
