Rozmiar turbiny wiatrowej Vs. Moc

Ludzie korzystają z energii wiatru od tysięcy lat, ale ponowne zainteresowanie wytwarzaniem energii nie opartej na paliwach kopalnych doprowadziło do szybkiego wzrostu rozpowszechnienia turbin wiatrowych. Pozyskiwanie energii z wiatru jest koncepcyjnie proste: wiatr porusza się nad łopatkami wentylatora, które obracają wałek, który obraca generator elektryczny. Moc turbiny wiatrowej można łatwo obliczyć i tak, zależy to od wielkości turbiny.

Wiatr składa się z powietrza w ruchu i składa się z cząsteczek gazowych. Energia kinetyczna każdej pojedynczej cząsteczki powietrza jest równa połowie jej masy pomnożonej przez kwadrat jej prędkości. Kiedy wieje wiatr, masa powietrza przechodzącego przez dany obszar jest równa powierzchni razy prędkość wiatru razy gęstość powietrza. Łącząc te dwa kawałki, energia zawarta w wietrze wiejącym przez dany obszar jest równa połowie gęstości powietrza razy powierzchnia razy prędkość do sześcianu. Szybkim sposobem obliczenia mocy wiatru w watach na metr kwadratowy jest pomnożenie sześcianu prędkości wiatru w metrach na sekundę przez 0,625. Jeśli prędkość wiatru jest wyrażona w milach na godzinę, pomnóż sześcian przez 0,056. Oznacza to, że wiatr o prędkości 12 metrów na sekundę (nieco ponad 5 mil na godzinę) przenosi prawie 1100 watów na kwadrat metr, podczas gdy bryza o prędkości 4 metrów na sekundę (mniej niż 2 mile na godzinę) przenosi zaledwie 40 watów na kwadrat metr. Trzykrotnie większa prędkość wiatru przenosi 27 razy więcej energii.

Omiatany obszar turbiny wiatrowej to całkowity obszar objęty obrotem łopat. W przypadku znanych turbin wiatrowych o osi poziomej z dwiema lub więcej łopatami, które obracają się po okręgu, obszar omiatania jest równy pi razy długość pojedynczej łopaty. Na maszynie o długości ostrza 40 metrów (131 stóp) obszar zamiatania wynosi ponad 5000 metrów kwadratowych (prawie 54 000 stóp kwadratowych) - prawie jeden i ćwierć akra. Moc przechodzącą przez ten obszar można obliczyć, mnożąc 5000 metrów kwadratowych przez 0,625 razy prędkość wiatru sześcienny dla wiatru o prędkości 12 metrów na sekundę, pokazując, że wiatr wiejący przez ten obszar przenosi ponad 5 megawatów moc. Ten sam wiatr, który wieje obok turbiny z 28-metrowymi (92-stopowymi) łopatami, ma powierzchnię około 2500 metrów kwadratowych (27 000 stóp kwadratowych) i przenosi około 2,5 megawata energii.

Tylko dlatego, że wiatr przenosi pewną ilość energii przez omiatany obszar turbiny wiatrowej, nie oznacza to, że turbina wiatrowa wytwarza tyle energii. W rzeczywistości nawet najlepsza możliwa turbina nie jest w stanie zebrać całej tej energii. Gdyby tak było, powietrze tuż za łopatami byłoby nieruchome, co oznaczałoby, że wiatr z przodu nie miałby dokąd uciec. Maksymalna możliwa ilość energii, jaką może zebrać turbina wiatrowa, wynosi mniej niż 60 procent całości. W prawdziwym świecie wkradają się inne nieefektywności – rzeczy takie jak energia tracona na tarcie, hałas i… rezystancja w przewodach – w celu zmniejszenia całkowitego poboru mocy do około 30 do 40 procent całości moc wiatru.

Każda turbina wiatrowa ma swoją moc znamionową. Jest to maksymalna moc, jaką wyprodukuje w każdej chwili, gdy turbina pracuje przy znamionowej prędkości wiatru. Niestety każda turbina ma inną znamionową prędkość wiatru, przez co nieco trudniej jest je porównać. Ponadto każda turbina ma prędkość włączania i wyłączania. Są to odpowiednio niskie i wysokie prędkości wiatru, powyżej których turbina nie wytwarza prądu. Sprawność turbiny pomiędzy tymi dwoma skrajnościami jest mierzona krzywą mocy. Ilość energii, jaką turbina wiatrowa może wyprodukować w danym roku, zależy od krzywej mocy i profilu prędkości wiatru. Rzeczywista wyprodukowana energia podzielona przez energię, którą turbina mogłaby wytworzyć, gdyby zawsze pracowała w pełnym wymiarze godzin, nazywana jest współczynnikiem wydajności. Chociaż większa turbina wiatrowa na ogół będzie w stanie przechwycić więcej energii wiatrowej, może nie mieć najwyższego współczynnika wydajności w danej lokalizacji.