Vindkraftstorlek vs. Kraft

Människor har använt vindkraft i tusentals år, men förnyat intresse som inte bygger på fossila bränslen har lett till en snabb ökning av spridningen av vindkraftverk. Att extrahera energi från vind är begreppsmässigt enkelt: vind rör sig över fläktblad som vrider en axel som roterar en elektrisk generator. En vindkrafts kapacitet beräknas enkelt, och ja, den beror på vindkraftens storlek.

Vind består av luft i rörelse och består av gasformiga molekyler. Den kinetiska energin för en enda luftmolekyl är lika med hälften av dess massa gånger dess hastighet i kvadrat. När det blåser är luftmassan som passerar genom ett visst område lika med området gånger vindhastigheten gånger luftens densitet. Att sätta ihop dessa två delar är energin i vinden som blåser genom ett givet område lika med hälften av lufttätheten gånger området gånger den kuberade hastigheten. Ett snabbt sätt att beräkna effekten i vind, i watt per kvadratmeter, är att multiplicera vindhastighetens kub i meter per sekund med 0,625. Om vindhastigheten är i miles per timme multiplicerar du kuben med 0,056. Det betyder att en vind på 12 meter per sekund (drygt 5 miles per timme) bär nästan 1100 watt per kvadrat meter, medan en vind på 4 meter per sekund (mindre än 3 mil per timme) bara bär 40 watt per kvadrat meter. Vindhastigheten som är tre gånger högre bär 27 gånger mer energi.

En vindturbins svepade yta är den totala ytan som täcks av knivarnas rotation. För de välkända vindkraftverk med horisontell axel med två eller flera blad som snurrar i en cirkel är det svepade området lika med pi gånger längden på ett enda blad. På en maskin med en bladlängd på 40 meter (131 fot) är det svepade området mer än 5 000 kvadratmeter (nästan 54 000 kvadratfot) - nästan en och en fjärdedel tunnland. Kraften som går genom området kan beräknas genom att multiplicera 5000 kvadratmeter med 0,625 gånger vindhastigheten kubad för en vind på 12 meter per sekund, vilket visar att vinden som blåser genom det området bär mer än 5 megawatt kraft. Samma vind som blåser förbi en turbin med 28 meter (92 fot) blad har en svept yta på cirka 2500 kvadratmeter och bär cirka 2,5 megawatt kraft.

Bara för att vinden bär en viss effekt genom en vindkrafts svepte område betyder inte att vindkraftverket producerar så mycket kraft. Faktum är att även den bästa möjliga turbinen inte kan skörda all den energin. Om det gjorde det skulle luften omedelbart bakom knivarna vara stilla, vilket innebär att vinden framför inte skulle ha någonstans att gå. Den maximala möjliga mängden energi som en vindkraftverk kan skörda är mindre än 60 procent av totalen. I den verkliga världen kryper andra ineffektiviteter in - saker som energi förlorad till friktion, buller och motstånd i ledningar - för att minska det totala kraftuttaget ner till cirka 30 till 40 procent av det totala vindkraft.

Varje vindkraftverk har ett effektvärde. Det är den maximala effekten den kommer att producera för varje ögonblick som turbinen arbetar med sin nominella vindhastighet. Tyvärr har varje turbin olika nominell vindhastighet, vilket gör det lite svårare att jämföra dem. Dessutom har varje turbin in- och urkopplingshastigheter. Det är respektive de låga och höga vindhastigheterna över vilka turbinen inte producerar någon elektricitet. Effektiviteten hos turbinen mellan dessa två ytterligheter mäts i en effektkurva. Hur mycket energi en vindkraftverk kan förväntas producera under ett visst år beror på effektkurvan och vindhastighetsprofilen. Den faktiska producerade energin dividerat med den energi turbinen skulle kunna producera om den alltid gick på heltid kallas kapacitetsfaktorn. Även om en större vindkraftverk i allmänhet kommer att kunna fånga mer vindenergi, kanske den inte har den högsta kapacitetsfaktorn på en viss plats.