Wind Power

(Technology and Economics)

The wind is a source of free energy which has been used since ancient times in windmills for

pumping water or grinding flour. The technology of high power, geared transmissions was

developed centuries ago by windmill designers and the fantail wheel for keeping the main

sales pointing into the wind was one of the world's first examples of an automatic control

system.

Though modern technology has made dramatic improvements to the efficiency of windmills,

they are still dependent on the vagaries of the weather. Not just on the wind direction but on

the intermittent and unpredictable force of the wind. Too little wind and they can't deliver

sufficient sustained power to overcome frictional losses in the system. Too much and they are

susceptible to damage. Between these extremes, cost efficient installations have been

developed to extract energy from the wind.

Available Power

Theoretical Power

The power P available in the wind impinging on a wind driven generator is given by:

P = ½CAρv3

where C is an efficiency factor known as the Power Coefficient which depends on the

machine design, A is the area of the wind front intercepted by the rotor blades (the

swept area), ρ is the density of the air (averaging 1.225 Kg/m3 at sea level) and v is

the wind velocity.

Note that the power is proportional to area swept by the blades, the density of the air

and to the cube of the wind speed. Thus doubling the blade length will produce four

times the power and doubling the wind speed will produce eight times the power.

Note also that the effective swept area of the blades is an annular ring, not a circle,

because of the dead space around the hub of the blades.

A similar equation applies to the theoretical power generated by a "run of river" and

"tidal flow" hydro turbines.

Practical Power and Conversion Efficiency

German aerodynamicist Albert Betz showed that a maximum of only 59.3% of the

theoretical power can be extracted from the wind, no matter how good the wind

turbine is, otherwise the wind would stop when it hit the blades. He demonstrated

mathematically that the optimum occurs when the rotor reduces the wind speed by

one third. After inefficiencies in the design and frictional losses are taken into account

the practical power available from the wind will rarely exceed 40% of the theoretical

power.

Converting this wind power into electrical power incurs further losses of 10% or more

in the drive train and the generator and another 10% in the inverter and cabling such

that ultimately, the wind turbine will capture only about 30% to 35% of the wind

energy available.

Note that the power output from commercially available wind turbines is usually

specified at a steady, gust free, wind speed of 12.5 m/s. (Force 6 on the Beaufort scale

corresponding to a strong breeze)

In the many locations, particularly urban installations, the prevailing wind will rarely

reach this speed.

Yaw Control

Windmills can only extract the maximum power from the available wind when the

plane of rotation of the blades is perpendicular to the direction of the wind. To ensure

this the rotor mount must be free to rotate on its vertical axis and the installation must

include some form of yaw control to turn the rotor into the wind.

For small, lightweight installations this is normally accomplished by adding a tail fin

behind the rotor in line with its axis. Any lateral component of the wind will tend to

push the side of the tail fin causing the rotor mount to turn until the fin is in line with

the wind. When the rotor is facing into the wind there will be no lateral force on the

fin and the rotor will remain in position. Friction and inertia will tend to hold it in

position so that it does not follow small disturbances.

Large turbine installations have automatic control systems with wind sensors to

monitor the direction of the wind and a powered mechanism to drive the rotor into its

optimum position.

Capacity Factor

Electrical generating equipment is usually specified at its rated capacity. This is

normally the maximum power or energy output which can be generated in optimal

conditions. Since a wind turbine rarely works at its optimal capacity the actual energy

output over a year will be much less than its rated capacity. The capacity factor is

simply the wind turbine generator's actual energy output for a given period divided by

the theoretical energy output if the machine had operated at its rated power output for

the same period. Typical capacity factors for wind turbines range from 0.25 to 0.30.

Thus a wind turbine rated at 1 MegaWatt will deliver on average only about 250

kiloWatts of power. (For comparison, the capacity factor of thermal power generation

is between 0.70 and 0.90)

Supply Characteristics

Wind speed

Though the force and power of the wind are difficult to quantify, various scales and

descriptions have been used to characterise its intensity. The Beaufort scale is one

measure in common use. The lowest point or zero on the Beaufort scale corresponds

to the calmest conditions when the wind speed is zero and smoke rises vertically. The

highest point is defined as force 12 when the wind speed is greater than 34 metres per

second (m/s) or 75 m.p.h. as occurs in tropical cyclones when the countryside is

devastated by hurricane conditions.

Wind turbines generally operate between force 3 and force 7 on the Beaufort scale

with the rated capacity commonly being defined at force 6 with a wind speed of

12m/s.

Below force 3 the wind turbine will not generate significant power.

At force 3, wind speeds range from 3.6 to 5.8 m/s or 8 to 13 m.p.h. Wind conditions

are described as "light" and leaves are in movement and flags begin to extend.

At force 7, wind speeds range from 14 to 17 m/s or 32 to 39 m.p.h. Wind conditions

are described as "strong" and whole trees are in motion.

With winds above force 7 the wind turbine should be shut down to prevent damage.

Wind Consistency

Wind power has the advantage that it is normally available 24 hours per day, unlike

solar power which is only available during daylight hours. Unfortunately the

availability of wind energy is less predictable than solar energy. At least we know that

the sun rises and sets every day. Nevertheless, based on data collected over many

years, some predictions about the frequency of the wind at various speeds, if not the

timing, are possible.

Wind Speed Distribution

Care should be taken in calculating the amount of energy available from the wind as it

is quite common to overestimate its potential. You can not simply take the average of

the wind speeds throughout the year and use it to calculate the energy available from

the wind because its speed is constantly changing and its power is proportional to the

cube of the wind speed. (Energy = Power X Time). You have to weigh the probability

of each wind speed with the corresponding amount of energy it carries.

Experience shows that for a given height above ground, the frequency at which the

wind blows with any particular speed follows a Rayleigh Distribution. An example is

shown below.

Important Notes

1. The modal wind speed, that is the the speed at which the wind most frequently

blows, is less than the average wind speed which is the speed often quoted as

representing the typical wind conditions. For reference, the average wind

speed across the UK quoted by the Department of Trade and Industry (DTI), is

approximately 5.6 metres per second [m/s] at 10 metres above ground level

(agl)."

2. Published average wind speeds are only reliable for open rural environments.

Wind speeds just above roof level in urban environments will be considerably

less than the quoted averages because of turbulence and shielding caused by

buildings and trees. A wind turbine sited below the ridge of a building or at a

similar height in the garden of an urban dwelling as often shown in the product

sales literature is unlikely to provide the energy levels claimed in the

specifications.

3. The distribution does not represent the energy content of the wind since this is

proportional to the cube of the wind speed.

4. A distribution such as the one above is only valid for the prevailing wind

conditions at a particular height above the ground. Average wind speeds

usually tend to increase with height then level off which is why wind turbines

are usually installed as high above ground as possible.

An empirical formula developed by D.L. Elliott of Pacific Northwest Labs

gives the wind speed V at a height H above ground level as

V = Vref ( H / Href )α

Where Vref is the reference wind speed at a reference height Href and the

exponent α is a correction factor dependent on obstacles on the ground, the

density of the air and wind stability factors. In wind resource assessments α is

commonly assumed to be a constant 1/7th . The histogram below shows this

relationship.

Wind Energy Distribution

The histogram below shows the resulting distribution of the wind energy content

superimposed on the the Rayleigh wind speed distribution (above) which caused it.

Unfortunately not all of this wind energy can be captured by conventional wind

turbines.

Notes

1. The peak wind energy occurs at wind speeds considerably above both the

modal and average wind speeds since the wind energy content is proportional

to the cube of its speed.

2. Very little energy is available at low speeds and most of this will be needed to

overcome frictional losses in the wind turbine. Energy generation typically

does not cut in until wind is blowing at speeds of at least 3 m/s to 5 m/s.

3. High wind speeds cause high rotation speeds and high stresses in the wind

turbine which can can result in serious damage to the installation. To avoid

these dangerous conditions, wind turbines are usually designed to cut out at

wind speeds of around 14 m/s either by braking or feathering the rotor blades

allowing the wind to spill over the blades.

4. Because of the upper speed limit at which the wind turbine can safely be used,

it may capture only half or less of the available wind energy.

For a given wind speed the wind energy also depends on the elevation of the wind

turbine above sea level. This is because the density of the air decreases with altitude

and the wind energy is proportional to the air density. This effect is shown in the

following histogram.

Notes

5. For a given wind speed the wind energy density decreases with increases in

altitude. However at the same time the actual wind speeds tend to increase

with height above ground level. Since the wind energy is proportional to the

cube of the wind speed, the net effect is that wind energy tends to increase

with the height above ground level.

6. As the density of air decreases with altitude, the wind energy density also

decreases. By contrast the available solar energy increases with altitude due to

lower atmospheric absorption.

Location Considerations

Generally marine locations and exposed hilltops provide the most favourable wind

conditions with wind speeds consistently greater than 5 m/s.

Turbulent conditions will reduce the amount of energy which can be extracted from

the wind reducing in turn the overall efficiency of the system. This is more likely to

be the case over land than over the sea. Raising the height of the turbine above the

ground effectively lifts it above the worst of the turbulence and improves efficiency.

Domestic wind turbines located between buildings in urban environments rarely

operate at peak efficiency suffering from turbulence as well as being shielded from

the wind by buildings and trees.

Community/Grid Installations

Large scale wind turbine generators of up to 5 MWe or more with rotor diameters of up to

120 metres are now functioning in many regions of the world.

A typical system employs a fixed speed rotor with three variable pitch blades which are

controlled automatically to maintain a fixed rotation speed for any wind speed. The rotor

drives a synchronous generator through a gear box and the whole assembly is housed in a

nacelle on top of a substantial tower with massive foundations requiring hundreds of cubic

metres of reinforced concrete.

Source US DOE (EERE)

Large rotor blades are necessary to intercept the maximum air stream but these give rise to

very high tip speeds. The tip speeds however must be limited, mainly because of

unacceptable noise levels, resulting in very low rotation speeds which may be as low as 10 to

20 rpm for large wind turbines. The operating speed of the generator is however is much

higher, typically 1200 rpm, determined by the number of its magnetic pole pairs and the

frequency of the grid electrical supply. Consequently a gearbox must be used to increase the

shaft speed to drive the generator at its synchronous speed.

Grid connected systems are dimensioned for average wind speeds 5.5 m/s on land and 6.5

m/s offshore where wind turbulence is less and wind speeds are higher. While offshore plants

benefit from higher sustainable wind speeds, their construction and maintenance costs are

higher.

Wind Farms

Grouping 10 to 100 wind turbines together in so called "wind farms" can lead to savings of

10% to 20% in construction, distribution and maintenance costs.

According to NREL the"footprint" of land needed to provide space for turbine towers, roads,

and support structures is typically between 0.1 and 0.2 hectares (0.25 and 0.50 acres) per

turbine. With the typical capacity of the current generation of wind turbines being around 2

MW, it would take a wind farm with 2000 wind turbines covering up to 200 hectares (1000

acres) just to replace the power generated by the UK's Drax coal fired power station.

Domestic Wind Turbine Installations

In a typical domestic system the wind turbine is coupled directly to a three phase

asynchronous permanent magnet AC generator mounted on the same shaft. To save on capital

costs, domestic installations do not have variable pitch rotor blades so the rotor speed varies

with the wind speed. The generator output voltage and frequency are proportional to the rotor

speed and the current is proportional to the torque on the shaft. The output is rectified and fed

through a buck-boost regulator to an inverter which generates the required fixed amplitude

and frequency AC voltage.

Note: There is possible confusion in the classification of the generator. It is actually a

synchronous generator because the frequency of its output is directly synchronised with the

rotor speed. In this application however it is called an asynchronous generator because the

output frequency of the generator is not synchronised with the mains/utility frequency.

Urban Installations

Wind turbine blade sizes in urban applications are usually limited for practical reasons

to less than about 1 metre (2 metres diameter) as well as by local planning ordinances

and for similar reasons the height of the turbine above ground is limited to just above

rooftop level but below treetop level.

o Economics

A typical domestic installation with a 1.75m swept diameter, (swept area of

2.4m2), costs around £1500 ($2250). At the rated wind speed of 12.5m/s (28

mph) the wind power intercepted will be 2870 Watts, but after taking into

account all the unavoidable system losses, the actual electrical output power

will be around 1000 Watts. However this is at the upper end of the

performance possibilities. Wind turbulence and shielding due to buildings and

trees inhibits sustained strong, gust free wind flow and in any case, for most of

the time, the wind speed will more likely be towards the lower end of the

performance specification at 4 m/s (9 mph), that is a light breeze. At this speed

the power output of the system will be about 32 Watts - Not enough to power

a single light bulb. For much of the time the power generated could be less

than the quiescent power drain of the inverter.

Running with a constant power output of 32 Watts for a full year would

generate only 280 kWh (280 Units) of electrical energy worth £28 at todays

price of £0.10 ($0.15) per kWh. To put it into perspective, a typical UK

household consumes about 5,000 kWh of electrical energy per year.

Because the system is connected directly to the grid there is no need for

battery back-up and in any case the cost of the batteries would make an

already weak economic case for the system even weaker. See also Grid

Connected Systems

Thus small domestic rooftop wind turbine installations do not make a serious

contribution to the household energy supply.

Self sufficiency and selling surplus energy back to the utility are out of the

question and the payback period on the capital investment is out of sight.

o Carbon Footprints

As with solar power, if the investment fails the conventional economic tests,

the notion of carbon footprints is often used to jusify the expense, based on the

potential for reducing the amount of greenhouse gases emitted by alternative

methods of power generation.

Rural Installations

The economics of rural and remote locations make wind power more attractive than

for urban locations. Because of the remoteness, connection to the electricity grid may

be impossible or prohibitively expensive. Furthermore, larger, more efficient wind

power installations are possible and the prevailing winds will also be higher. See also

Stand Alone Systems

Hybrid Installations

Hybrid systems combining wind and solar power provide energy diversity reducing

the risk of power outages. Wind speeds are often high in the winter when the available

solar energy is low and low in the summer when the available solar energy is high.

Hybrid systems are discussed in more detail in the section on Remote Area Power

Systems

Wind power provides a valuable complement to large scale base load power stations. Where

there is an economic back-up, such as hydro power or large scale storage batteries, which can

be called upon at very short notice, a significant proportion of electricity can be provided

from wind.

See also Generators

Wind Power

(Teknologi dan Ekonomi)

Angin merupakan sumber energi gratis yang telah digunakan sejak zaman kuno di kincir angin untuk

memompa air atau menggiling tepung. Teknologi daya tinggi, transmisi diarahkan dikembangkan

berabad-abad lalu oleh desainer kincir angin dan roda ekor kipas untuk menjaga penjualan utama

menunjuk ke angin adalah salah satu contoh pertama di dunia sistem kontrol otomatis.

Meskipun teknologi modern telah membuat perbaikan yang dramatis untuk efisiensi kincir angin,

mereka masih tergantung pada keanehan cuaca. Bukan hanya pada arah angin tapi pada gaya

intermiten dan tak terduga angin. Terlalu angin sedikit dan mereka tidak dapat memberikan daya

berkelanjutan cukup untuk mengatasi kerugian gesekan dalam sistem. Terlalu banyak dan mereka

rentan terhadap kerusakan. Antara ekstrem, instalasi efisien biaya telah dikembangkan untuk

mengekstrak energi dari angin.

Tersedia Daya

• Teoritis Daya

P daya yang tersedia dalam angin menimpa generator angin didorong diberikan oleh:

P = ½ CAρv3

di mana C adalah faktor efisiensi dikenal sebagai Koefisien Daya yang tergantung pada desain mesin,

A adalah luas dari depan angin dicegat oleh baling-baling (daerah menyapu), ρ adalah densitas udara

(rata-rata 1,225 Kg/m3 di permukaan laut) dan v adalah kecepatan angin.

Perhatikan bahwa kekuasaan adalah proporsional ke daerah tersapu oleh pisau, kepadatan udara

dan kubus dari kecepatan angin. Jadi dua kali lipat panjang pisau akan menghasilkan empat kali

kekuatan dan menggandakan kecepatan angin akan menghasilkan delapan kali daya.

Perhatikan juga bahwa daerah menyapu efektif pisau adalah sebuah cincin melingkar, bukan

lingkaran, karena ruang mati di sekitar pusat pisau.

Sebuah persamaan yang sama berlaku untuk kekuatan teoritis yang dihasilkan oleh "run sungai" dan

"aliran pasang surut" hidro turbin.

• Praktis Power dan Efisiensi Konversi

Jerman aerodinamis Albert Betz menunjukkan bahwa maksimal hanya 59,3% dari daya teoritis dapat

diekstraksi dari angin, tidak peduli seberapa baik turbin angin, jika angin akan berhenti ketika

menghantam pisau. Dia menunjukkan secara matematis bahwa optimal terjadi ketika rotor

mengurangi kecepatan angin per satu ketiga. Setelah inefisiensi dalam desain dan kerugian gesekan

diperhitungkan kekuatan praktis tersedia dari angin jarang akan melebihi 40% dari daya teoritis.

Konversi ini tenaga angin menjadi tenaga listrik menimbulkan kerugian lebih lanjut sebesar 10% atau

lebih dalam drive train dan generator dan 10% pada inverter dan kabel seperti yang pada akhirnya,

turbin angin akan menangkap hanya sekitar 30% sampai 35% dari angin tersedia energi.

Perhatikan bahwa output daya dari turbin angin yang tersedia secara komersial biasanya ditentukan

pada kecepatan, embusan stabil, angin bebas dari 12,5 m / s. (Angkatan 6 pada skala Beaufort sesuai

dengan angin kuat)

Di banyak lokasi, instalasi khususnya perkotaan, angin yang berlaku akan jarang mencapai kecepatan

ini.

• Yaw Kontrol

Kincir angin hanya dapat mengekstrak daya maksimum dari angin tersedia ketika pesawat rotasi dari

pisau tegak lurus terhadap arah angin. Untuk memastikan gunung ini rotor harus bebas berputar

pada sumbu vertikal dan instalasi harus mencakup beberapa bentuk kontrol yaw untuk mengubah

rotor menjadi angin.

Untuk kecil, instalasi ringan ini biasanya dicapai dengan menambahkan sirip ekor belakang rotor

sesuai dengan porosnya. Setiap komponen lateral angin akan cenderung mendorong sisi sirip ekor

menyebabkan gunung rotor untuk mengubah sampai sirip ini sejalan dengan angin. Ketika rotor

menghadap ke angin tidak akan ada gaya lateral pada sirip dan rotor akan tetap dalam posisi.

Gesekan dan inersia akan cenderung terus dalam posisi sehingga tidak mengikuti gangguan kecil.

Instalasi turbin besar memiliki sistem kontrol otomatis dengan sensor angin untuk memantau arah

angin dan mekanisme bertenaga untuk mendorong rotor ke posisi optimal.

• Kapasitas Faktor

Peralatan pembangkit listrik biasanya ditentukan pada kapasitasnya. Hal ini biasanya daya

maksimum atau output energi yang dapat dihasilkan dalam kondisi yang optimal. Sejak turbin angin

jarang bekerja pada kapasitas yang optimal output energi sebenarnya lebih dari satu tahun akan

jauh kurang dari kapasitasnya. Faktor kapasitas sebenarnya hanyalah energi turbin angin generator

output untuk suatu periode tertentu dibagi dengan output energi teoritis jika mesin telah

dioperasikan pada daya output dinilai untuk periode yang sama. Faktor kapasitas khas untuk turbin

angin berkisar 0,25-0,30. Jadi sebuah turbin angin dinilai pada 1 megawatt akan memberikan rata-

rata hanya sekitar 250 kilowatt tenaga. (Sebagai perbandingan, faktor kapasitas pembangkit listrik

termal adalah antara 0,70 dan 0,90)

Pasokan Karakteristik

• kecepatan angin

Meskipun kekuatan dan kekuatan angin yang sulit untuk dihitung, berbagai skala dan deskripsi telah

digunakan untuk mengkarakterisasi intensitasnya. Skala Beaufort merupakan salah satu ukuran

umum digunakan. Titik terendah atau nol pada skala Beaufort sesuai dengan kondisi paling tenang

ketika kecepatan angin adalah nol dan asap naik vertikal. Titik tertinggi didefinisikan sebagai

kekuatan 12 ketika kecepatan angin lebih besar dari 34 meter per detik (m / s) atau 75 mph seperti

yang terjadi pada siklon tropis saat pedesaan hancur oleh kondisi badai.

Turbin angin umumnya beroperasi antara gaya 3 dan kekuatan 7 skala Beaufort dengan laju

kapasitasnya umum yang pasti pada angkatan 6 dengan kecepatan angin 12m / s.

Di bawah kekuatan 3 turbin angin tidak akan menghasilkan kekuatan yang signifikan.

Pada angkatan 3, kecepatan angin berkisar 3,6-5,8 m / s atau 8 sampai 13 mph Kondisi angin yang

digambarkan sebagai "cahaya" dan daun berada dalam gerakan dan bendera mulai memperpanjang.

Pada angkatan 7, kecepatan angin berkisar dari 14 hingga 17 m / s atau 32-39 mph Kondisi angin

yang digambarkan sebagai "kuat" dan pohon utuh berada dalam gerakan.

Dengan kekuatan angin di atas 7 turbin angin harus ditutup untuk mencegah kerusakan.

• Angin Konsistensi

Tenaga angin memiliki keuntungan yang biasanya tersedia 24 jam per hari, tidak seperti tenaga surya

yang hanya tersedia pada siang hari. Sayangnya ketersediaan energi angin kurang dapat diprediksi

daripada energi surya. Setidaknya kita tahu bahwa matahari terbit dan terbenam setiap hari. Namun

demikian, berdasarkan data yang dikumpulkan selama bertahun-tahun, beberapa prediksi tentang

frekuensi angin pada berbagai kecepatan, jika tidak waktu, yang mungkin.

• Kecepatan angin Distribusi

Harus diperhatikan dalam menghitung jumlah energi yang tersedia dari angin karena cukup umum

untuk melebih-lebihkan potensinya. Anda tidak bisa hanya mengambil rata-rata kecepatan angin

sepanjang tahun dan menggunakannya untuk menghitung energi yang tersedia dari angin karena

kecepatan terus berubah dan kekuatannya sebanding dengan pangkat tiga dari kecepatan angin.

(Energi = Daya Waktu X). Anda harus mempertimbangkan kemungkinan masing-masing dengan

kecepatan angin sesuai dengan jumlah energi yang dibawanya.

Pengalaman menunjukkan bahwa untuk ketinggian tertentu di atas tanah, frekuensi di mana angin

bertiup dengan kecepatan tertentu mengikuti Distribusi Rayleigh. Contoh ditunjukkan di bawah ini.

Catatan Penting

1. Kecepatan angin modal, yaitu kecepatan di mana angin bertiup paling sering, kurang dari

kecepatan angin rata-rata yang merupakan kecepatan sering dikutip sebagai mewakili kondisi angin

khas. Untuk referensi, kecepatan angin rata-rata di Inggris dikutip oleh Departemen Perdagangan

dan Industri (DTI), adalah sekitar 5,6 meter per detik [m / s] pada 10 meter di atas permukaan tanah

(AGL). "

2. Diterbitkan kecepatan angin rata-rata hanya dapat diandalkan untuk lingkungan pedesaan

terbuka. Kecepatan angin tepat di atas tingkat atap di lingkungan perkotaan akan jauh lebih kecil

dari rata-rata dikutip karena turbulensi dan perisai disebabkan oleh bangunan dan pohon. Sebuah

turbin angin diletakkan di bawah punggungan sebuah bangunan atau pada ketinggian yang sama di

taman sebuah hunian perkotaan sering ditampilkan dalam literatur penjualan produk tidak mungkin

untuk memberikan tingkat energi diklaim dalam spesifikasi.

3. Distribusi tidak menyajikan isi energi angin karena ini adalah sebanding dengan pangkat tiga dari

kecepatan angin.

4. Sebuah distribusi seperti yang di atas hanya berlaku untuk kondisi angin yang berlaku pada

ketinggian tertentu di atas tanah. Kecepatan angin rata-rata biasanya cenderung meningkat dengan

tinggi kemudian dari tingkat yang mengapa turbin angin biasanya dipasang sebagai tanah di atas

setinggi mungkin.

Sebuah rumus empiris dikembangkan oleh D.L. Elliott dari Pacific Northwest Labs memberikan V

kecepatan angin pada ketinggian H di atas permukaan tanah sebagai

V = Vref (H / href) α

Dimana Vref adalah kecepatan angin referensi pada href ketinggian referensi dan eksponen α adalah

faktor koreksi tergantung pada hambatan di lapangan, kepadatan udara dan faktor angin stabilitas.

Dalam penilaian sumber daya angin α umumnya diasumsikan sebagai 1/7th konstan. Histogram di

bawah ini menunjukkan hubungan ini.

• Energi Angin Distribusi

Histogram di bawah ini menunjukkan distribusi yang dihasilkan dari kandungan energi angin

ditumpangkan pada distribusi kecepatan angin Rayleigh (di atas) yang menyebabkannya. Sayangnya

tidak semua ini energi angin dapat ditangkap oleh turbin angin konvensional.

Catatan

1. Energi angin puncak terjadi pada kecepatan angin jauh di atas baik kecepatan angin modal dan

rata-rata sejak kandungan energi angin sebanding dengan pangkat tiga dari kecepatan.

2. Sangat sedikit energi yang tersedia pada kecepatan rendah dan sebagian besar akan dibutuhkan

untuk mengatasi kerugian gesekan dalam turbin angin. Pembangkit energi biasanya tidak dipotong

sampai angin bertiup dengan kecepatan minimal 3 m / s sampai 5 m / s.

3. Kecepatan angin tinggi menyebabkan kecepatan putaran tinggi dan tekanan tinggi di turbin angin

yang dapat dapat mengakibatkan kerusakan serius pada instalasi. Untuk menghindari kondisi ini

berbahaya, turbin angin biasanya dirancang untuk memotong pada kecepatan angin sekitar 14 m / s

baik dengan pengereman atau bulu-bulu baling-baling yang memungkinkan angin untuk tumpah

pisau.

4. Karena batas kecepatan atas di mana turbin angin dapat dengan aman digunakan, mungkin

menangkap hanya setengah atau kurang dari energi angin yang tersedia.

Untuk kecepatan angin diberi energi angin juga tergantung pada elevasi dari turbin angin di atas

permukaan laut. Hal ini karena kerapatan udara berkurang dengan ketinggian dan energi angin

sebanding dengan kepadatan udara. Efek ini ditunjukkan pada histogram berikut.

Catatan

5. Untuk kecepatan angin mengingat kepadatan energi angin menurun dengan kenaikan ketinggian.

Namun pada saat yang sama kecepatan angin yang sebenarnya cenderung meningkat dengan

ketinggian di atas permukaan tanah. Karena energi angin sebanding dengan pangkat tiga dari

kecepatan angin, efek bersih adalah bahwa energi angin cenderung meningkat dengan ketinggian di

atas permukaan tanah.

6. Sebagai kerapatan udara berkurang dengan ketinggian, kepadatan energi angin juga menurun.

Sebaliknya daya surya yang ada meningkat dengan ketinggian akibat rendahnya penyerapan

atmosfer.

• Lokasi Pertimbangan

Umumnya lokasi laut dan puncak-puncak bukit terkena menyediakan kondisi angin yang paling

menguntungkan dengan kecepatan angin secara konsisten lebih besar dari 5 m / s.

Kondisi turbulen akan mengurangi jumlah energi yang bisa digali dari angin pada gilirannya

mengurangi efisiensi keseluruhan sistem. Ini lebih cenderung menjadi kasus atas tanah dari atas laut.

Menaikkan ketinggian dari turbin di atas tanah efektif mengangkatnya di atas terburuk dari

turbulensi dan efisiensi akan meningkat.

Turbin angin dalam negeri terletak antara gedung-gedung di lingkungan perkotaan jarang beroperasi

pada efisiensi puncak menderita turbulensi serta yang terlindung dari angin oleh bangunan dan

pohon.

Komunitas / Grid Instalasi

Besar skala generator turbin angin hingga 5 MWe atau lebih dengan diameter rotor hingga 120

meter sekarang berfungsi di banyak daerah di dunia.

Sebuah sistem yang khas mempekerjakan rotor kecepatan tetap dengan tiga Baling-baling yang

dikendalikan secara otomatis untuk mempertahankan kecepatan rotasi tetap untuk setiap kecepatan

angin. Rotor drive generator sinkron melalui gear box dan seluruh hadirin ini bertempat di sebuah

nacelle di atas sebuah menara besar dengan yayasan besar yang membutuhkan ratusan meter kubik

beton bertulang.

Sumber US DOE (EERE)

Baling-baling besar diperlukan untuk mencegat aliran udara maksimum tetapi ini menimbulkan

kecepatan ujung yang sangat tinggi. Kecepatan ujung namun harus dibatasi, terutama karena tingkat

kebisingan yang tidak dapat diterima, sehingga kecepatan rotasi yang sangat rendah yang mungkin

serendah 10 sampai 20 rpm untuk turbin angin besar. Kecepatan operasi generator Namun jauh

lebih tinggi, biasanya 1200 rpm, ditentukan oleh jumlah pasangan magnet kutub dan frekuensi suplai

jaringan listrik. Akibatnya gearbox harus digunakan untuk meningkatkan kecepatan poros untuk

menggerakkan generator pada kecepatan sinkron nya.

Grid sistem terhubung yang dimensioned untuk kecepatan angin rata-rata 5,5 m / s pada tanah dan

6,5 m / s lepas pantai dimana turbulensi angin kurang dan kecepatan angin lebih tinggi. Sementara

tanaman lepas pantai mendapatkan keuntungan dari lebih tinggi kecepatan angin yang

berkelanjutan, konstruksi dan pemeliharaan biaya yang tinggi.

Angin Farms

Pengelompokan 10 sampai 100 turbin angin bersama dalam apa yang disebut "ladang angin" dapat

mengakibatkan penghematan 10% sampai 20% dalam biaya konstruksi, distribusi dan pemeliharaan.

Menurut NREL "jejak" dari lahan yang dibutuhkan untuk memberikan ruang untuk menara turbin,

jalan, dan struktur pendukung biasanya antara 0,1 dan 0,2 hektar (0,25 dan 0,50 hektar) per turbin.

Dengan kapasitas khas dari generasi saat ini turbin angin berada di sekitar 2 MW, akan mengambil

sebuah peternakan angin dengan 2000 turbin angin yang mencakup hingga 200 hektar (1000 hektar)

hanya untuk menggantikan daya yang dihasilkan oleh stasiun batubara Drax di Inggris listrik

berbahan bakar.

Turbin Angin Instalasi Domestik

Dalam sistem domestik khas turbin angin digabungkan langsung ke asinkron tiga fase magnet

permanen AC generator yang dipasang pada poros yang sama. Untuk menghemat biaya modal,

instalasi rumah tangga tidak memiliki Baling-baling rotor variabel sehingga kecepatan rotor

bervariasi dengan kecepatan angin. Output generator tegangan dan frekuensi yang sebanding

dengan kecepatan rotor dan arus sebanding dengan torsi pada poros. Output dikoreksi dan makan

melalui regulator buck-dorongan untuk inverter yang menghasilkan amplitudo tetap dibutuhkan dan

frekuensi tegangan AC.

Catatan: Ada kemungkinan kekeliruan dalam klasifikasi generator. Hal ini sebenarnya generator

sinkron karena frekuensi outputnya secara langsung disinkronisasi dengan kecepatan rotor. Pada

aplikasi ini namun disebut generator asinkron karena frekuensi output dari generator tidak

disinkronkan dengan listrik / frekuensi utilitas.

• Perkotaan Instalasi

Angin ukuran blade turbin dalam aplikasi perkotaan biasanya terbatas untuk alasan praktis menjadi

kurang dari sekitar 1 meter (2 meter diameter) maupun oleh peraturan perencanaan lokal dan untuk

alasan yang sama puncak turbin di atas tanah terbatas hanya di atas permukaan atap namun bawah

tingkat puncak pohon.

o Ekonomi

Sebuah instalasi domestik khas dengan diameter 1.75m menyapu, (area menyapu dari 2.4m2), biaya

sekitar £ 1500 ($ 2250). Pada kecepatan angin dinilai dari 12.5m / s (28 mph) kekuatan angin akan

dicegat 2870 Watt, tetapi setelah mempertimbangkan semua kerugian sistem tidak dapat dihindari,

daya output aktual listrik akan menjadi sekitar 1000 Watt. Namun hal ini di ujung atas kemungkinan

kinerja. Angin turbulensi dan perisai karena bangunan dan pohon menghambat berkelanjutan yang

kuat, aliran embusan angin gratis dan dalam hal apapun, untuk sebagian besar waktu, kecepatan

angin akan lebih mungkin juga menjelang akhir lebih rendah dari spesifikasi kinerja pada 4 m / s (9

mph), yaitu angin sepoi-sepoi. Pada kecepatan ini daya output dari sistem akan menjadi sekitar 32

Watt - Tidak cukup untuk menyalakan sebuah bola lampu. Untuk sebagian besar waktu daya yang

dihasilkan bisa lebih kecil dari saluran kekuasaan diam dari inverter.

Menjalankan dengan output daya konstan dari 32 Watt selama setahun penuh akan menghasilkan

hanya 280 kWh (280 Unit) energi listrik senilai £ 28 di harga todays dari £ 0,10 ($ 0,15) per kWh.

Untuk memasukkannya ke dalam perspektif, sebuah rumah tangga khas Inggris mengkonsumsi

sekitar 5.000 kWh energi listrik per tahun.

Karena sistem yang terhubung langsung ke grid tidak ada kebutuhan untuk baterai back-up dan

dalam hal apapun biaya baterai akan membuat kasus ekonomi sudah lemah untuk sistem bahkan

lebih lemah. Lihat juga Sistem Grid Connected

Jadi kecil instalasi turbin angin atap domestik tidak memberikan kontribusi yang serius terhadap

pasokan energi rumah tangga.

Swasembada dan menjual energi surplus kembali ke utilitas adalah keluar dari pertanyaan dan

periode pengembalian pada modal investasi dari pandangan.

o Karbon Footprints

Seperti tenaga surya, jika investasi gagal tes ekonomi konvensional, konsep jejak kaki karbon sering

digunakan untuk jusify biaya, berdasarkan potensi untuk mengurangi jumlah gas rumah kaca yang

dipancarkan oleh metode alternatif untuk pembangkit listrik.

• Pedesaan Instalasi

Ekonomi lokasi pedesaan dan terpencil membuat tenaga angin lebih menarik daripada untuk lokasi

perkotaan. Karena keterpencilan, koneksi ke jaringan listrik mungkin tidak mungkin atau mahal.

Lebih jauh lagi, lebih besar, instalasi angin lebih efisien daya yang mungkin dan angin yang berlaku

juga akan lebih tinggi. Lihat juga Stand Alone Sistem

• Hybrid Instalasi

Sistem hibrida menggabungkan angin dan tenaga surya memberikan keragaman energi mengurangi

risiko pemadaman listrik. Kecepatan angin sering tinggi di musim dingin ketika energi surya yang

tersedia rendah dan rendah di musim panas ketika energi surya yang tersedia adalah tinggi.

Sistem hibrida dibahas secara lebih rinci pada bagian Power Systems Daerah Terpencil

Tenaga angin memberikan pelengkap berharga untuk skala besar stasiun beban dasar listrik. Mana

ada ekonomi back-up, seperti tenaga air atau baterai skala besar penyimpanan, yang dapat dipanggil

dalam waktu yang singkat, sebagian besar listrik dapat disediakan dari angin.

Lihat juga Generator