הספק באוויר נע
אוויר בתנועה נושא אנרגיה. הרוטור של טורבינה סורק מעגל, ובכל שנייה עובר דרכו גליל של אוויר. ההספק שהרוח מביאה הוא ½ρAv³: חצי מצפיפות האוויר כפול השטח שהלהבים סורקים, כפול מהירות הרוח בחזקת שלוש.
החזקה השלישית היא ההפתעה. גורם אחד של מהירות בא מכמות האוויר שמגיעה בכל שנייה, ועוד שניים מהאנרגיה שכל קילוגרם נושא, שגדלה עם ריבוע המהירות. רוח כפולה מביאה פי שמונה הספק. בריזה של 6 מטרים לשנייה שעוברת דרך רוטור בקוטר 120 מטרים נושאת כ־1.5 מגה־ואט; רוח של 12 מטרים לשנייה נושאת שנים־עשר.
למה טורבינה לעולם לא לוקחת הכול
אילו לקח הרוטור את כל האנרגיה של הרוח עד תומה, האוויר היה נעצר לגמרי מאחוריו, ואוויר חדש לא היה יכול לעבור. אילו לא לקח דבר, האוויר היה חולף דרכו בלי שום שינוי. הטוב ביותר שרוטור יכול להשיג נמצא בין השניים. טורבינה פועלת בכך שהיא מאטה את הרוח, והאוויר חייב להישאר מהיר מספיק כדי לפנות את הדרך.
אם עוקבים אחר האוויר לאורך הדרך, הוא מתחיל להאט עוד לפני שהוא מגיע לרוטור וממשיך להאט מאחוריו, ועמוד האוויר שעובר דרכו מתרחב כדי להעביר את אותה מסה במהירות נמוכה יותר. אלברט בץ הראה בשנת 1919 שההספק הגדול ביותר שרוטור כלשהו יכול לקחת הוא 16/27 מהספק הרוח, כ־59 %. זה קורה כשהאוויר שעובר דרך הרוטור מואט לשני שלישים ממהירות הרוח, והרחק מאחוריו לשליש. להבים אמיתיים מאבדים עוד קצת לגרר ולסחרור שהם משאירים מאחוריהם; הטורבינות המודרניות הטובות ביותר הופכות כ־45 % מהספק הרוח לחשמל.
נסו: כוונו את מהירות הרוח ל־9 m/s ובחרו פועל תחת הצגת ההספק. שפופרת הזרם מתרחבת כשהאוויר מאט מ־9 ל־6 ברוטור ול־3 בערך מאחוריו, והגרף שליד הסצנה מראה שהטורבינה לוקחת 44 % ממה שהרוח מביאה.
התנעה, החזקה, עצירה
מתחת לכ־3 מטרים לשנייה, סף ההפעלה, יש מעט מדי הספק כדי שיהיה כדאי לסובב גנרטור, ולכן הרוטור ממתין. מעליו הרוטור מסתובב כשקצות הלהבים נעים מהר פי שבעה וחצי בערך מהרוח, המהירות שבה הלהבים פוגשים את האוויר בצורה הטובה ביותר, וההספק עולה עם החזקה השלישית.
בסביבות 11 מטרים לשנייה הגנרטור מגיע להספק הנקוב שלו, המרבי שהוא בנוי לספק. מעבר לזה, רוח נוספת רק הייתה מעמיסה עליו יותר מדי. לכן הטורבינה מסובבת כל להב סביב ציר האורך שלו, פעולה שנקראת שינוי זווית הפסיעה, כך שהוא פוגש את האוויר בזווית מתונה יותר ומניח לרוח העודפת לחלוף על פניו. התפוקה נשארת קבועה בזמן שהרוח ממשיכה להתחזק.
בכ־25 מטרים לשנייה, סף העצירה, הכוחות על הלהבים ועל המגדל נעשים מסוכנים. הטורבינה מסובבת את להביה כך שהשפה שלהם פונה אל הרוח, הנצה (מצב נוצה), והרוטור עומד עד שהסופה חולפת. זו הסיבה שטורבינה שעומדת ביום שקט וטורבינה שעומדת בסערה מושבתות מסיבות הפוכות.
רוטורים גדולים יותר
ההספק גדל עם השטח הנסרק, ולכן הוא גדל עם ריבוע הקוטר של הרוטור. רוטור בקוטר 160 מטרים סורק פי שבעה מהשטח של רוטור בקוטר 60 מטרים, ובאותה רוח נותן פי שבעה הספק. להבים גדולים יותר גם מסתובבים לאט יותר, כי מהירות הקצוות שלהם מוגבלת לכ־85 מטרים לשנייה. זו הסיבה שטורבינות גדלו כל כך, ולמה הן ניצבות על מגדלים גבוהים, למעלה, שם הרוח חזקה ויציבה יותר.
מה המודל הזה משמיט
הסצנה מתייחסת לרוח כיציבה וזהה בכל גובה. רוח אמיתית מתחזקת עם הגובה, באה במשבים ובמערבולות ומשנה כיוון; הטורבינה מסובבת את כל הראש שלה כדי לפנות אליה. האטת האוויר נובעת מתורת התנע הפשוטה לרוטור שדוחף באופן אחיד על פני כל הדיסק שלו, ומתעלמת מהסחרור שהלהבים משאירים מאחוריהם ומההאצה הקלה של האוויר שזורם סביב החלק החיצוני של שפופרת הזרם. זוויות הפסיעה מקורבות, עקומת ההספק אידיאלית ובעלת פינות חדות במקום שבו טורבינות אמיתיות מעגלות אותן, והגנרטור מותאם להספק קבוע של 400 ואט לכל מטר רבוע של רוטור, כך שכל רוטור מגיע להספק הנקוב באותה מהירות רוח.