Os seres humanos usam a energia eólica há milhares de anos, mas a geração renovada de energia não baseada em combustíveis fósseis tem gerado um aumento rápido na disseminação de turbinas eólicas. Extrair energia do vento é conceitualmente simples: o vento se move sobre as pás do ventilador que giram um eixo que gira um gerador elétrico. A capacidade de energia de uma turbina eólica é facilmente calculada, e sim, depende do tamanho da turbina.
Energia no vento
O vento consiste de ar em movimento e é composto de moléculas gasosas. A energia cinética de qualquer molécula de ar é igual a metade de sua massa multiplicando sua velocidade ao quadrado. Quando o vento está soprando, a massa de ar que passa por qualquer área em particular é igual à área vezes a velocidade do vento multiplicada pela densidade do ar. Colocando essas duas peças juntas, a energia contida no vento soprando através de uma determinada área é igual a metade da densidade do ar vezes a área vezes a velocidade do cubo. Uma maneira rápida de calcular a potência no vento, em watts por metro quadrado, é multiplicar o cubo da velocidade do vento em metros por segundo em 0,625. Se a velocidade do vento estiver em milhas por hora, multiplique o cubo por 0,056. Isso significa que um vento de 12 metros por segundo (pouco mais de 5 milhas por hora) transporta quase 1.100 watts por metro quadrado, enquanto uma brisa de 4 metros por segundo (menos de 2 milhas por hora) transporta apenas 40 watts por metro quadrado. A velocidade do vento que é três vezes maior transporta 27 vezes mais energia.
Área de varredura
A área varrida de uma turbina eólica é a área total coberta por uma rotação das pás. Para as turbinas eólicas de eixo horizontal familiares com duas ou mais pás que giram em um círculo, a área varrida é igual a pi vezes o comprimento de uma única pá. Em uma máquina com um comprimento de lâmina de 40 metros, a área varrida é de mais de 5.000 metros quadrados (quase 54.000 pés quadrados) - quase um acres e meio. A energia que passa por essa área pode ser calculada multiplicando-se 5.000 metros quadrados por 0.625 vezes a velocidade do vento em cubos para um vento de 12 metros por segundo, mostrando que o vento que sopra naquela área carrega mais de 5 megawatts de energia. O mesmo vento passando por uma turbina com pás de 28 metros tem uma área de cerca de 2.500 metros quadrados, e transporta cerca de 2,5 megawatts de potência.
Eficiência
Só porque o vento carrega uma certa quantidade de energia através da área varrida de uma turbina eólica não significa que a turbina eólica produz muita energia. Na verdade, até mesmo a melhor turbina possível não pode coletar toda essa energia. Se o fizesse, então o ar imediatamente atrás das lâminas ficaria parado, o que significa que o vento na frente não teria para onde ir. A quantidade máxima possível de energia que uma turbina eólica pode colher é inferior a 60% do total. No mundo real, outras ineficiências se infiltram - coisas como energia perdida no atrito, ruído e resistência nos fios - para reduzir a extração total de energia para cerca de 30 a 40% da energia eólica total.
Toda turbina eólica carrega uma potência nominal. Essa é a potência máxima que produzirá para cada momento em que a turbina opera em sua velocidade nominal do vento. Infelizmente, cada turbina tem uma velocidade de vento nominal diferente, tornando um pouco mais difícil compará-las. Além disso, cada turbina tem uma velocidade de entrada e saída. Essas são, respectivamente, as baixas e altas velocidades de vento além das quais a turbina não produz eletricidade. A eficiência da turbina entre esses dois extremos é medida em uma curva de potência. A quantidade de energia que uma turbina eólica pode produzir em um determinado ano depende da curva de potência e do perfil de velocidade do vento. A energia real produzida, dividida pela energia que a turbina poderia produzir se sempre funcionasse em tempo integral, é chamada de fator de capacidade. Embora uma turbina eólica maior geralmente seja capaz de capturar mais energia eólica, ela pode não ter o fator de maior capacidade em um determinado local.
