Människor har använt vindkraft i tusentals år, men förnyad ränta som inte är fossilbränslebaserad energiproduktion har lett till en snabb ökning av vindkraftens spridning. Att extrahera energi från vind är konceptuellt enkel: Vind rör sig över fläktblad som vrider en axel som roterar en elektrisk generator. Vindkraftens kraftkapacitet beräknas enkelt, och det beror på turbinens storlek.
Energi i vind
Vind består av luft i rörelse och består av gasformiga molekyler. Den kinetiska energin hos en enda luftmolekyl är lika med hälften av dess massa gånger sin hastighet kvadrerade. När vinden blåser, är luftmassan som passerar genom ett visst område lika med området gånger vindhastigheten gånger luftens densitet. Att sätta dessa två bitar samman, är den energi som finns i vinden som blåser genom ett visst område lika med hälften av lufttätheten gånger området, hur snabbt hastigheten töms. Ett snabbt sätt att beräkna kraften 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 en 12 meter per sekund (drygt 5 miles per timme) vind bär nästan 1100 watt per kvadratmeter, medan en bråk på 4 meter per sekund (mindre än 2 miles per timme) bär bara 40 watt per kvadratmeter. Vindhastigheten, som är tre gånger större, bär 27 gånger mer energi.
Försvagad yta
En vindturbines uppsamlade område är det totala arealet som omfattas av en rotation av bladen. För de välkända horisontella axlarna vindkraftverk 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 40 meter lång bladlängd är det svepade området mer än 5 000 kvadratmeter (nästan 54 000 kvadratfot) - nästan en och en kvart kvadratmeter. Kraften som går genom detta område kan beräknas genom att multiplicera 5 000 kvadratmeter med 0,625 gånger vindhastigheten kubad för en 12 meter per sekund vind, 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 långa blad har ett svepområde på cirka 2500 kvadratmeter och har ca 2,5 megawatt kraft.
Effektivitet
Bara för att vinden bär en viss mängd kraft genom en vindturbin sopade område betyder det inte att vindturbinen producerar så mycket kraft. Faktum är att även den bästa möjliga turbinen inte kan skörda all den energin. Om det gjorde så skulle luften omedelbart bakom bladet fortfarande vara, vilket innebär att vinden framför skulle ha ingenstans att gå. Den maximala möjliga mängd energi som en vindturbin kan skörda är mindre än 60 procent av den totala. I den verkliga världen snubblar andra ineffektiviteter - saker som energi som förloras för friktion, ljud och motstånd i ledningar - för att minska den totala effektutvinningen ner till cirka 30 till 40 procent av den totala vindkraften.
Varje vindkraftverk har en effektbedömning. Det är den maximala effekten som den kommer att producera för varje ögonblick som turbinen arbetar med sin nominella vindhastighet. Tyvärr har varje turbin en annan nominell vindhastighet, vilket gör det lite svårare att jämföra dem. Dessutom har varje turbin en inbromsning och utklippshastigheter. Det är respektive de låga och höga vindhastigheter utöver vilka turbinen producerar ingen el. Effektiviteten hos turbinen mellan dessa två ytterligheter mäts i en kraftkurva. Mängden energi som en vindkraftverk kan förväntas producera under ett givet år beror på effektkurvan och vindhastighetsprofilen. Den faktiska energin som produceras dividerat med den energi som turbinen kan producera om den alltid springer heltid kallas kapacitetsfaktorn. Även om en större vindkraftverk i allmänhet kan fånga mer vindkraft, kanske den inte har den högsta kapacitetsfaktorn på en viss plats.
