Velikost vetrne turbine vs. Moč

Ljudje vetrno energijo uporabljamo že tisoče let, vendar je obnovljeno zanimanje za proizvodnjo energije, ki ne temelji na fosilnih gorivih, povzročilo hitro povečanje širjenja vetrnih turbin. Pridobivanje energije iz vetra je konceptualno preprosto: veter se premika po lopaticah ventilatorjev, ki obračajo gred, ki vrti električni generator. Moč vetrne turbine je enostavno izračunati in res je odvisna od velikosti turbine.

Veter je sestavljen iz zraka v gibanju in je sestavljen iz plinastih molekul. Kinetična energija katere koli posamezne molekule zraka je enaka polovici njene mase, pomnožene s kvadratom njene hitrosti. Ko piha veter, je masa zraka, ki prehaja skozi katero koli območje, enaka površini, pomnoženi s hitrostjo vetra in gostoto zraka. Če skupaj sestavimo ta dva kosa, je energija, ki jo piha veter skozi določeno območje, enaka polovici gostote zraka, pomnoženi s površino, pomnoženo s kocko hitrosti. Hiter način izračuna moči vetra v vatih na kvadratni meter je, da kocko hitrosti vetra v metrih na sekundo pomnožimo z 0,625. Če je hitrost vetra v miljah na uro, kocko pomnožite z 0,056. To pomeni, da veter z 12 metri na sekundo (nekaj več kot 5 milj na uro) prenaša skoraj 1100 vatov na kvadrat 4 metra na sekundo (manj kot 2 milji na uro) prenaša le 40 vatov na kvadrat meter. Trikrat večja hitrost vetra nosi 27-krat več energije.

Območje vetrne turbine je skupna površina, ki jo pokriva vrtenje lopatic. Za znane turbine z vodoravno osjo z dvema ali več lopaticami, ki se vrtijo v krogu, je pometano območje enako pi-krat dolžine posamezne lopatice. Na stroju z 40-metrsko dolžino rezila je pometena površina več kot 5000 kvadratnih metrov (skoraj 54.000 kvadratnih metrov) - skoraj četrt hektarjev. Moč, ki gre skozi to območje, lahko izračunamo tako, da 5.000 kvadratnih metrov pomnožimo z 0,625-kratno hitrostjo vetra na 12 metrov na sekundo, kar kaže, da veter, ki piha skozi to območje, prenaša več kot 5 megavatov moč. Isti veter, ki piha mimo turbine z 28-metrskimi lopaticami, ima zajetih približno 2.500 kvadratnih metrov (27.000 kvadratnih metrov) in ima približno 2,5 megavata moči.

Samo zato, ker veter prenaša določeno količino energije skozi premeščeno območje vetrnice, še ne pomeni, da vetrna turbina proizvede toliko moči. Pravzaprav niti najboljša možna turbina ne more pridobiti vse te energije. Če bi se, potem bi bil zrak takoj za rezili miren, kar pomeni, da veter spredaj ne bi imel več kam iti. Največja možna količina energije, ki jo lahko pridobi vetrna turbina, je manj kot 60 odstotkov celotne količine. V resničnem svetu se prikradejo druge neučinkovitosti - stvari, kot so energija, izgubljena zaradi trenja, hrupa in upornost žic - za zmanjšanje celotnega odvajanja moči na približno 30 do 40 odstotkov celotne vetrna energija.

Vsaka vetrna turbina ima nazivno moč. To je največja moč, ki jo bo proizvedla za vsak trenutek, ko turbina deluje pri nazivni hitrosti vetra. Na žalost ima vsaka turbina drugačno nazivno hitrost vetra, zato je malo težje primerjati. Poleg tega ima vsaka turbina vklopno in izklopno hitrost. To sta nizki in visoki hitrosti vetra, preko katerih turbina ne proizvaja električne energije. Učinkovitost turbine med tema dvema skrajnostma se meri v krivulji moči. Pričakovana količina energije, ki bi jo v določenem letu proizvedla vetrna turbina, je odvisna od krivulje moči in profila hitrosti vetra. Dejansko proizvedena energija, deljena z energijo, ki bi jo lahko proizvedla turbina, če bi vedno delovala polni delovni čas, se imenuje faktor zmogljivosti. Čeprav bo večja vetrna turbina na splošno lahko zajela več energije vetra, na določeni lokaciji morda ne bo imela največjega faktorja zmogljivosti.