Veľkosť veternej turbíny vs. Moc

Ľudia využívajú veternú energiu už tisíce rokov, ale obnovený záujem o výrobu energie bez fosílnych palív viedol k rýchlemu nárastu šírenia veterných turbín. Získavanie energie z vetra je koncepčne jednoduché: vietor sa pohybuje cez lopatky ventilátora, ktoré otáčajú hriadeľom, ktorý otáča elektrický generátor. Výkonová kapacita veternej turbíny sa dá ľahko vypočítať a áno, záleží to na veľkosti turbíny.

Vietor sa skladá zo vzduchu v pohybe a je tvorený plynnými molekulami. Kinetická energia ktorejkoľvek jednej molekuly vzduchu sa rovná jednej polovici jej hmotnosti krát jej druhej mocnine rýchlosti. Keď fúka vietor, hmotnosť vzduchu, ktorý prechádza určitou oblasťou, sa rovná oblasti krát rýchlosť vetra krát hustota vzduchu. Keď sa tieto dva kúsky dajú dohromady, energia obsiahnutá vo vetre vanúcom cez danú oblasť sa rovná jednej polovici hustoty vzduchu krát ploche krát kubická rýchlosť. Rýchly spôsob výpočtu výkonu vo vetre, vo wattoch na meter štvorcový, je vynásobiť kocku rýchlosti vetra v metroch za sekundu 0,625. Ak je rýchlosť vetra v míľach za hodinu, kocku vynásobíte 0,056. To znamená, že vietor s rýchlosťou 12 metrov za sekundu (niečo cez 5 míľ za hodinu) prenáša takmer 1 100 wattov na štvorec meter, zatiaľ čo vánok s rýchlosťou 4 metre za sekundu (menej ako 2 míle za hodinu) prenáša iba 40 wattov na štvorec meter. Rýchlosť vetra, ktorá je trikrát vyššia, nesie 27-krát viac energie.

Pozametaná plocha veternej turbíny je celková plocha pokrytá rotáciou lopatiek. Pre známe veterné turbíny s horizontálnou osou s dvoma alebo viacerými lopatkami, ktoré sa krútia v kruhu, sa plocha záberu rovná pi násobku dĺžky jednej lopatky. Na stroji s dĺžkou čepele 40 metrov má zametaná plocha viac ako 5 000 metrov štvorcových (takmer 54 000 štvorcových stôp) - takmer jeden a štvrť akra. Výkon, ktorý prechádza touto oblasťou, sa dá vypočítať vynásobením 5 000 metrov štvorcových 0,625-násobkom rýchlosti vetra kubický na vietor s rýchlosťou 12 metrov za sekundu, čo ukazuje, že vietor vanúci touto oblasťou nesie viac ako 5 megawattov moc. Rovnaký vietor vanúci okolo turbíny s lopatkami s dĺžkou 28 metrov má plochu záberu asi 2 500 metrov štvorcových a prenáša asi 2,5 megawattu energie.

To, že vietor prenáša určité množstvo energie cez oblasť záberu veternej turbíny, ešte neznamená, že veterná turbína produkuje toľko energie. V skutočnosti ani tá najlepšia možná turbína nedokáže zhromaždiť všetku túto energiu. Keby sa to stalo, potom by bol vzduch bezprostredne za lopatkami nehybný, čo znamená, že vietor vpredu by nemal kam ísť. Maximálne možné množstvo energie, ktoré môže veterná turbína získať, je menej ako 60 percent z celkového množstva. V skutočnom svete sa objavujú ďalšie neefektívnosti - napríklad energia stratená trením, hluk a odpor v drôtoch - na zníženie celkovej extrakcie energie na približne 30 až 40 percent z celkového počtu sila vetra.

Každá veterná turbína má menovitý výkon. To je maximálny výkon, ktorý vyrobí v každom okamihu, keď turbína pracuje pri svojej menovitej rýchlosti vetra. Bohužiaľ, každá turbína má inú menovitú rýchlosť vetra, čo sťažuje ich porovnanie. Každá turbína má navyše zapínacie a vypínacie rýchlosti. Jedná sa o nízku a vysokú rýchlosť vetra, nad ktorou turbína neprodukuje elektrinu. Účinnosť turbíny medzi týmito dvoma extrémami sa meria na výkonovej krivke. Očakáva sa, že množstvo energie, ktoré môže veterná turbína vyrobiť v danom roku, závisí od výkonovej krivky a profilu rýchlosti vetra. Skutočná vyprodukovaná energia vydelená energiou, ktorú by turbína mohla vyprodukovať, ak by vždy bežala na plný úväzok, sa nazýva kapacitný faktor. Aj keď väčšia veterná turbína bude všeobecne schopná zachytiť viac veternej energie, nemusí mať v danom mieste najvyšší kapacitný faktor.