Mensen gebruiken al duizenden jaren windenergie, maar hernieuwde belangstelling voor energieopwekking op basis van niet-fossiele brandstoffen heeft geleid tot een snelle toename van de verspreiding van windturbines. Het onttrekken van energie aan wind is conceptueel eenvoudig: wind beweegt over ventilatorbladen die een as draaien die een elektrische generator ronddraait. Het vermogen van een windturbine is eenvoudig te berekenen, en ja, het hangt wel af van de grootte van de turbine.

Energie in de wind

Wind bestaat uit lucht in beweging en bestaat uit gasvormige moleculen. De kinetische energie van elk enkel luchtmolecuul is gelijk aan de helft van zijn massa maal de snelheid in het kwadraat. Wanneer de wind waait, is de luchtmassa die door een bepaald gebied gaat gelijk aan het gebied maal de windsnelheid maal de dichtheid van de lucht. Door deze twee stukken samen te voegen, is de energie die de wind bevat die door een bepaald gebied blaast gelijk aan de helft van de luchtdichtheid maal het gebied maal de kubieke snelheid. Een snelle manier om het vermogen in wind te berekenen, in watt per vierkante meter, is om de kubus van de windsnelheid in meter per seconde te vermenigvuldigen met 0.625. Als de windsnelheid in mijlen per uur ligt, vermenigvuldigt u 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 vierkante meter transporteert, terwijl een briesje van 4 meter per seconde (minder dan 2 mijl per uur) slechts 40 watt per uur vervoert vierkante meter. De windsnelheid die drie keer zo groot is, draagt ​​27 keer meer energie.

Bewolkt gebied

Het veeggebied van een windturbine is het totale gebied dat wordt bestreken door een rotatie van de bladen. Voor de bekende windturbines met horizontale as met twee of meer bladen die in een cirkel ronddraaien, is het geveegde gebied gelijk aan pi maal de lengte van een enkel blad. Op een machine met een blade-lengte van 40 meter, is het geveegde gebied meer dan 5.000 vierkante meter (bijna 54.000 vierkante voet) - bijna een en een kwart hectare. De stroom die door dat gebied gaat, kan worden berekend door 5.000 vierkante meter te vermenigvuldigen met 0.625 keer de windsnelheid die is gekubeerd voor een wind van 12 meter per seconde, wat aangeeft dat de wind die door dat gebied waait meer dan 5 megawatt aan vermogen heeft. Dezelfde wind die langs een turbine blaast met 28-meter (92-voet) bladen heeft een geveegd gebied van ongeveer 2.500 vierkante meter (27.000 vierkante voet) en heeft ongeveer 2,5 megawatt stroom.

Efficiëntie

Alleen omdat de wind een bepaalde hoeveelheid kracht door het bewogen gebied van een windturbine vervoert, wil dat nog niet zeggen dat de windturbine zoveel kracht produceert. In feite kan zelfs de best mogelijke turbine niet al die energie winnen. Als dat zo zou zijn, zou de lucht direct achter de messen 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 - dingen als energie verloren door wrijving, lawaai en weerstand in draden - om de algehele vermogensonttrekking terug te brengen tot ongeveer 30 tot 40 procent van de totale windenergie.

Capaciteitsfactor

Elke windturbine heeft een vermogen. Dat is het maximale vermogen dat het zal produceren voor elk moment dat de turbine op de nominale windsnelheid werkt. Helaas heeft elke turbine een andere nominale windsnelheid, waardoor het wat moeilijker is om ze te vergelijken. Bovendien heeft elke turbine een in- en uitschakelsnelheid. Dat zijn respectievelijk de lage en hoge windsnelheden waarboven de turbine geen elektriciteit produceert. Het rendement van de turbine tussen deze twee uitersten wordt gemeten in een vermogenscurve. De hoeveelheid energie die een windturbine in een bepaald jaar kan produceren, hangt af van de vermogenscurve en het windsnelheidsprofiel. De werkelijke geproduceerde energie gedeeld door de energie die de turbine kan produceren als deze altijd voltijds draait, wordt de capaciteitsfactor genoemd. Hoewel een grotere windturbine doorgaans meer windenergie kan opvangen, heeft deze mogelijk niet de hoogste capaciteitsfactor op een bepaalde locatie.