Gli esseri umani hanno usato l'energia eolica per migliaia di anni, ma una rinnovata generazione di energia basata sul combustibile non fossile ha portato ad un rapido aumento della diffusione delle turbine eoliche. Estrarre energia dal vento è concettualmente semplice: il vento si muove sopra le pale del ventilatore che girano un albero che fa ruotare un generatore elettrico. La capacità di potenza di una turbina eolica è facilmente calcolabile, e sì, dipende dalle dimensioni della turbina.
Energia nel vento
Il vento è costituito da aria in movimento ed è costituito da molecole gassose. L'energia cinetica di ogni singola molecola d'aria è pari alla metà della sua massa moltiplicata per la sua velocità. Quando soffia il vento, la massa d'aria che attraversa una particolare area è uguale all'area in cui la velocità del vento varia la densità dell'aria. Mettendo insieme questi due pezzi, l'energia contenuta nel vento che soffia attraverso una determinata area è pari a metà della densità dell'aria moltiplicata per l'area moltiplicata per la velocità. Un modo rapido per calcolare la potenza del vento, in watt per metro quadrato, è moltiplicare il cubo della velocità del vento in metri al secondo per 0,625. Se la velocità del vento è espressa in miglia all'ora, moltiplichi il cubo di 0,056. Ciò significa che un vento di 12 metri al secondo (poco più di 5 miglia all'ora) trasporta quasi 1.100 watt per metro quadrato, mentre una brezza di 4 metri al secondo (meno di 2 miglia all'ora) trasporta solo 40 watt per metro quadro. La velocità del vento che è tre volte maggiore porta 27 volte più energia.
Area spazzata
L'area spazzata di una turbina eolica è l'area totale coperta da una rotazione delle pale. Per le turbine eoliche ad asse orizzontale con due o più pale che ruotano in cerchio, l'area spazzata è uguale a pi volte la lunghezza di una singola lama. Su una macchina con una lunghezza della lama di 40 metri (131 piedi), l'area spazzata è più di 5.000 metri quadrati (quasi 54.000 piedi quadrati) - quasi un pollice e un quarto di acri. La potenza che attraversa quell'area può essere calcolata moltiplicando 5.000 metri quadrati per 0,625 volte la velocità del vento cubettata per un vento di 12 metri al secondo, dimostrando che il vento che soffia attraverso quell'area trasporta più di 5 megawatt di potenza. Lo stesso vento che soffia davanti a una turbina con pale da 28 metri (92 piedi) ha un'area spazzata di circa 2.500 metri quadrati (27.000 piedi quadrati) e trasporta circa 2,5 megawatt di potenza.
Efficienza
Proprio perché il vento trasporta una certa quantità di energia attraverso l'area spazzata di una turbina eolica non significa che la turbina eolica produca tanta potenza. Infatti, anche la migliore turbina possibile non può raccogliere tutta quell'energia. Se così fosse, allora l'aria immediatamente dietro le pale sarebbe ferma, il che significa che il vento davanti non avrebbe un posto dove andare. La quantità massima possibile di energia che una turbina eolica può raccogliere è inferiore al 60 percento del totale. Nel mondo reale, altre inefficienze si insinuano - cose come l'energia persa per attrito, rumore e resistenza nei fili - per ridurre l'estrazione di potenza complessiva fino a circa il 30-40% della potenza eolica totale.
Ogni turbina eolica ha una potenza nominale. Questa è la potenza massima che produrrà per ogni momento in cui la turbina funziona alla velocità nominale del vento. Sfortunatamente, ogni turbina ha una diversa velocità del vento nominale, il che rende un po 'più difficile il loro confronto. Inoltre, ogni turbina ha una velocità di inserimento e di interruzione. Quelli sono, rispettivamente, le velocità del vento basse e alte oltre le quali la turbina non produce elettricità. L'efficienza della turbina tra questi due estremi è misurata in una curva di potenza. La quantità di energia che una turbina eolica può produrre in un determinato anno dipende dalla curva di potenza e dal profilo di velocità del vento. L'energia effettiva prodotta divisa per l'energia che la turbina potrebbe produrre se è sempre a pieno regime viene chiamata fattore di capacità. Anche se una turbina eolica più grande sarà generalmente in grado di catturare più energia eolica, potrebbe non avere il fattore di capacità più alto in un dato luogo.
