Kuasa angin

Kuasa angin adalah penukaran tenaga angin kepada bentuk tenaga yang berguna, seperti turbin angin bagi menghasilkan eletrik, kincir angin bagi kuasa mekanikal, pam angin bagi mengepam air atau penyaliran, atau berlayar bagi menggerakkan kapal.
Kuasa angin, sebagai pilihan lain kepada bahan api fosil, adalah banyak, boleh diperbaharui, tersebar luas, bersih, dan tidak menghasilkan sebarang gas rumah hjau ketika beroperasi. Ladang angin yang besar mungkin terdiri daripada beberapa ratus turbin angin individu yang bersambung dengan jaringan penghantar kuasa eletrik. Pada penghujung tahun 2010, keupayaan pengeluaran sejagat penjana kuasa angin adalah 197 gigawatt (GW). Penghasilan tenaga sebanyak 430 TWh, yang merupakan sekitar 2.5% penggunaan elektrik seluruh dunia. Beberapa negara telah mencapai kadar penembusan kuasa angin yang agak tinggi, seperti 21% pengeluaran eletrik tetap di Denmark, 18% di Portugis, 16% di Sepanyol, 14% di Ireland dan 9% di Jerman pada 2010. Sehingga 2011, 83 negara di seluruh dunia menggunakan kuasa angin pada skala perdagangan.
Pembinaan ladang angin tidak diterima secara sejagat kerana dianggap mencacatkan pemandangan, tetapi sebarang kesan alam sekitar kuasa angin pada persekitaran biasanya kurang bermasaalah berbanding sumber kuasa yang lain. Angin terputus-putus jarang memberi masaalah apabila menggunakan kuasa angin bagi membekalkan sehingga 20% jumlah keseluruhan permintaan eletrik, tetapi apabila kadar meningkat, peningkatan kos, keperluan menaik taraf jaringan, dan keupayaan lebih rendah bagi menambah pengeluaran biasa mungkin berlaku. Teknik pengurusan kuasa seperti mengeksport dan mengimport tenaga kepada negeri jiran atau mengurangkan penggunaan apabila penghasilan kuasa angin berkurangan, mampu mengurangkan masaalah tersebut.
Kemudahan kuasa angin kecil yang digunakan bagi menghasilkan eletrik bagi kawasan terasing dan syarikat utiliti semakin meningkatkan pembelian eletrik lebihan yang dihasilkan oleh turbin angin rumah kecil-kecilan.

Pengagihan kuasa angin

Kekuatan angin berbeza-beza, dan nilai purata bagi kawasan yang ditetapkan sendiri tidak menunjukkan jumlah tenaga sesebuah turbin udara mampu menghasilkannya di situ. Bagi menilai kekerapan kelajuan angin di tempat tertentu, fungsi kebangkalian sering kali dimuatkan dengan data dipantau. Kawasan berlainan akan memiliki taburan kelajuan angin yang berbeza. Model taburan Weibull menggambarkan dengan rapat taburan sebenar kelajuan angin menurut jam di kebanyakan kawasan. Faktor Weibull sering kali menghampiri 2 dan dengan itu taburan Rayleigh boleh digunakan sebagai model kurang tepat tetapi lebih mudah.

Pola pertumbuhan

Pada tahun 2010, lebih dari separuh keseluruhan kuasa angin baru ditambah di luar pasaran tradisi di Europah dan Amerika Syarikat. Ini kebanyakannya dari pembinaan baru di China, yang menyumbang hampir separuh dari pemasangan kincir angin baru (16.5 GW). 
Angka Majlis Tenaga Angin Sejagat ("Global Wind Energy Council - GWEC") menunjukkan bahawa tahun 2007 merekodkan peningkatan pemasangan keupayaan di pasang 20 GW, menjadikan jumlah keseluruhan keupayaan angin sedia pasang pada 94 GW, meningkat dari 74 GW pada tahun 2006. Disebalik kekangan yang dihadapi rantaian bekalan bagi turbin angin, pasaran tahunan bagi angin terus meningkat pada kadar 37%, selepas pertumbuhan 32% pada tahun 2006. Dari segi nilai ekonomi, sektor tenaga angin telah menjadi dalah satu peserta penting dalam pasaran tenaga, dengan jumlah keseluruhan peralatan penngeluar baru di pasang pada tahun 2007 mencapai €25 bilion, atau US$36 bilion.
Sunguhpun industri kuasa angin terjejas oleh kegawatan kewangan sejagat pada 2009 dan 2010, unjuran "BTM Consult" lima tahun menjangkakan sehingga 2013 terdapat pertumbuhan pesat. Sepanjang lima tahun lalu purata pertumbuhan pada pemasangan baru mencecah 27.6 peratus setiap tahun. Dalam unjuran sehingga 2013 jangkaan kadar pertumbuhan tahunan purata adalah 15.7 paratus. Lebih dari 200 GW keupayaan kuasa angin baru akan masuk ke talian sebelum akhir tahun 2013. Penembusan pasaran kuasa angin dijangka mencecah 3.35 peratus menjelang 2013 dan 8 peratus menjelang 2018.

Penghasilan eletrik

Di ladang angin, turbin individual disambung dengan voltan serdahana (sering kali 34.5 kV), sistem pengumpulan tenaga dan jaringan perhubungan. Di stesyen kecil, arus eletrik voltan-serdahana ditingkatkan voltannya dengan transformer bagi sambungan kepada sistem pengagihan tenaga eletrik voltan tinggi.
Kuasa lebihan yang dihasilkan oleh penjana mikro domestik boleh, di sesetengah perundangan, dimuat masuk ke jaringan eletrik dan dijual kepada syarikat eletrik, menghasilkan kredit retail bagi pemilik penjana mikro bagi menolak kos tenaga mereka.

Pengurusan grid

Penjana perangsang induksi ("Induction"), sering digunakan bagi kuasa angin, memerlukan kuasa reaktif bagi penggalak dengan itu substesyen eletrik digunakan dalam sistem pengumpul kuasa angin termasuk himpunan kapasitor yang banyak bagi pembetulan faktor kuasa. Penjana turbin angin jenis berlainan bertindak berlainan semasa gangguan grid penghantar, dengan itu model menyeluruh perisian tenaga angin bagi ciri-ciri elektromagnetik dinamik bagi ladang angin yang baru diperlukan oleh pengoperasi sistem penghantar bagi memastikan kelakuan stabil boleh dijangka semasa kerosakan sistem (lihat: Melalui masa voltan rendah "Low voltage ride through"). Khususnya, penjana perangsang tidak mampu menyokong voltan sistem semasa kerosakan, tidak seperti penjana selaras pacuan wap atau air. Mesin eletrik muat berkembar biasanya memiliki ciri-ciri lebih diingini bagi saling sambungan grid. Pengoperasi sistem penghantar akan membekalkan pembangun ladang angin dengan kod grid bagi menetapkan syarat bagi saling sambungan kepada grid penghantar. Ini termasuk faktor kuasa, frekuensi tetap dan kelakuan dinamik turbin ladang angin semasa kerosakan sistem.

Faktor kapasiti

Oleh kerana kelajuan angin tidak tetap, pengeluaran tahunan ladang tenaga tidak pernah sama dengan jumlah nilai keupayaan penjana yang didarab dengan jumlah jam keseluruhan dalam setahun. Kadar penghasilan sebenar setahun berbanding maksima theori ini dikenali sebagai faktor kapasiti. Faktor kapasiti biasa adalah sekitar 20–40%, dengan nilai pada julat atas adalah di tapak amat bersesuaian. Sebagai contoh, satu turbin 1 MW dengan faktor kapasiti 35% tidak akan menghasilkan 8,760 MW·h setahun (1 × 24 × 365), tetapi hanya 1 × 0.35 × 24 × 365 = 3,066 MW·h, purata sehingga 0.35 MW. Data di talian terdapat bagi sesetengah tempat dan faktor kapasiti boleh dikira dari keluaran tahunan.
Tidak seperti logi pengeluar bahanapi, faktor kapasiti penjana tenaga angin terjejas oleh beberapa parameter, termasuk perubahan angin di tapak, dan juga saiz penjana-memiliki penjana kecil adalah lebih mudah dan mencapai faktor kapasiti lebih tinggi, tetapi akan menghasilkan kurang eletrik (dan pendapatan) ketika angin laju. Demikian juga penjana yang lebih besar mungkin dan mampu menghasilkan sedikit kuasa tambahan dan, bergantung kepada jenis, mungkin pegun pada kelajuan angin rendah. Dengan itu faktor kapasiti optima boleh digunakan, yang biasanya sekitar 20-35%.
Pada tahun 2008 kajian yang diterbitkan oleh Pejabat Jabatan Tenaga bagi Tenaga Diperbaharui dan Keberkesanan Tenaga ("Energy Efficiency and Renewable Energy"), faktor kapasiti yang dicapai oleh angkatan turbin angin menunjukkan peningkatan selaras dengan peningkatan teknologi. Faktor kapasiti dicapai oleh turbin angin baru pada tahun 2004 dan 2005 mencecah 36%.

Faktor keupayaan

Oleh kerana kelajuan angin tidak tetap, pengeluaran tahunan ladang tenaga tidak pernah sama dengan jumlah nilai keupayaan penjana yang didarab dengan jumlah jam keseluruhan dalam setahun. Kadar penghasilan sebenar setahun berbanding maksima theori ini dikenali sebagai faktor kapasiti. Faktor kapasiti biasa adalah sekitar 20–40%, dengan nilai pada julat atas adalah di tapak amat bersesuaian. Sebagai contoh, satu turbin 1 MW dengan faktor kapasiti 35% tidak akan menghasilkan 8,760 MW·h setahun (1 × 24 × 365), tetapi hanya 1 × 0.35 × 24 × 365 = 3,066 MW·h, purata sehingga 0.35 MW. Data di talian terdapat bagi sesetengah tempat dan faktor kapasiti boleh dikira dari keluaran tahunan.
Tidak seperti logi pengeluar bahanapi, faktor kapasiti penjana tenaga angin terjejas oleh beberapa parameter, termasuk perubahan angin di tapak, dan juga saiz penjana-memiliki penjana kecil adalah lebih mudah dan mencapai faktor kapasiti lebih tinggi, tetapi akan menghasilkan kurang eletrik (dan pendapatan) ketika angin laju. Demikian juga penjana yang lebih besar mungkin dan mampu menghasilkan sedikit kuasa tambahan dan, bergantung kepada jenis, mungkin pegun pada kelajuan angin rendah. Dengan itu faktor kapasiti optima boleh digunakan, yang biasanya sekitar 20-35%.
Pada tahun 2008 kajian yang diterbitkan oleh Pejabat Jabatan Tenaga bagi Tenaga Diperbaharui dan Keberkesanan Tenaga ("Energy Efficiency and Renewable Energy"), faktor kapasiti yang dicapai oleh angkatan turbin angin menunjukkan peningkatan selaras dengan peningkatan teknologi. Faktor kapasiti dicapai oleh turbin angin baru pada tahun 2004 dan 2005 mencecah 36%.

Penembusan

"Penembusan" kuasa angin merujuk kepada peratusan tenaga dihasilkan oleh angin berbanding keseluruhan keupayaan yang ada. Tidak terdapat sebarang tahap "maksima" diterima umum bagi penembusan tenaga angin. Had bagi grid tertentu akan bergantung kepada logi pengeluaran sedia ada, mekanisma harga, keupayaan bagi simpanan atau pengurusan permintaan, dan faktor yang lain. Grid eletrik bersambung telahpun termasuk pengeluaran simpanan dan keupayaan penghantar bagi membenarkan kegagalan peralatan; keupayaan simpanan ini juga boleh digunakan bagi mengawal penghasilan tenaga berubah-ubah oelh logi angin. Kajian menunjukkan bahawa 20% dari keseluruhan penggunaan tenaga eletrik boleh dimasukkan dengan kesukaran minima. Kajian ini adalah bagi lokasi dengan ladang angin tersebar secara geografi, sesetengah tahap tenaga boleh dikeluarkan, atau tenaga hidro dengan keupayaan simpanan, pengurusan permintaan, dan sambungan ke kawasan grid eksport luas apabila diperlukan. Melepasi tahap ini, terdapat beberapa had teknikal, tetapi iplikasi ekonomi menjadi penting. Pembekal eletrik berterusan mengkaji kesan skala penembusan besar (20% atau lebih) penjana angin pada kestabilan sistem dan ekonomi.
Pada masa kini, hanya sedikit sistem grid yang memiliki penembusan kuasa angin melebihi 5%: Denmark (nilai melebihi 19%), Sepanyol dan Portugal (nilai melebihi 11%), Jerman dan Republik Ireland (nilai melebihi 6%). Tetapi sungguhpun dengan tahap penembusan serdahana, terdapat ketika di mana kuasa angin membekalkan peratusan besar bagi kuasa pada grid. Sebagai contoh, pada waktu pagi 8 November 2009, tenaga angin yang dihasilkan melitupi lebih dari separuh permintaan eletrik di Sepanyol, menetapkan rekod baru.

Trend kos

Kuasa angin memiliki kos bahan api yang boleh diabaikan, tetapi kos pelaburan yang tinggi. Anggaran kos purata setiap unit memasukkan kos pembinaan turbin dan kemudahan penyaluran, dana dipinjam, pulangan kepada pelabur (termasuk kos risiko/"keuntungan"), anggaran penghasilan tahunan, dan komponen lain, purata sepanjang unjuran tempoh hayat perkakasan, yang mungkin melebihi dua puluh tahun. Anggaran kos tenaga amat bergantung kepada jangkaan ini dengan itu nilai kos diterbitkan boleh berbeza dengan banyaknya. Lapuran Persatuan tenaga Angin British "British Wind Energy Association" memberikan kos penghasilan purata bagi kuasa angin di pantai sebanyak 3.2 pence (antara US 5 dan 6 sen) per kW·h (2005). Kos setiap unit tenaga yang dihasilkan dianggarkan pada tahun 2006 sebagai setanding dengan kos keupayaan penghasilan baru di Amerika Syarikat yang menggunakan arang batu dan gas asli: kos angin dianggarkan pada $55.80 setiap MW·h, arang batu pada $53.10/MW·h dan gas asli pada $52.50. Sumber lain dalam pelbagai kajian menganggarkan kos angin sebagai lebih mahal berbanding sumber yang lain. Satu kajian kuasa angin pada tahun 2009 di Sepanyol oleh Gabriel Calzada Alvarez dari Universiti Rey Juan Carlos menyimpulkan bahawa setiap MW kuasa angin yang dibina menbawa kepada kehilangan 4.27 kerja, dengan meningkatkan kos tenaga dan menjauhi perniagaan yang banyak menggunakan eletrik. Jabatan tenaga Amerika Syarikat mendapati kajian itu sebagai banyak kecacatan, dan kesimpulannya tidak disokong.  Kewujudan tenaga angin, walaupun apabila disubsidi, mampu mengurangkan kos kepada pengguna (€5 bilion/setahun di jerman) dengan mengurangkan perbezaan harga dengan mengurangkan kegunaan "logi kemuncak/'peaker plants'" yang mahal.
Kos marjin bagi tenaga angin sebaik sahaja logi dibina biasanya kurang dari 1 sen setiap kW·h. pada tahun 2004, kos tenaga angin adalah satu perlima berbanding kosnya pada tahun 1980-an, dan sesetengah pihak menjangkakan trend menurun akan berterusan apabila turbin angin beberapa megawatt yang lebih besar dihasilkan secara pukal.Bagaimanapun, kos pelaburan telah meningkat. Sebagai contoh di Amerika Syarikat kos pemasangan meningkat pada 2009 kepada $2,120 setiap kilowatt bagi keupayaan plat nama, berbanding dengan $1,950 pada tahun 2008, peningkatan sebanyak 9%.  Tidak banyak kemudahan mampu menghasilkan turbin moden besar dan menara dan asasnya, dengan itu kekangan berlaku pada bekalan turbin tersebut mendorong kepada kos lebih tinggi.

Galakan

Tenaga angin dalam banyak kawasan menerima bantuan kewangan atau sokongan lain bagi menggalakkan perkembangannya. Kuasa angin mendapat banyak kelebihan dikebanyakan kawasan, samaada bagi meningkatkan daya tarikannya, atau bagi mengimbangi subsidi yang diterima oleh pengeluaran bentuk lain yang memiliki keburukan luaran yang banyak.
Di Amerika Syarikat, kuasa angin menerima kredit cukai bagi setiap kW·h yang dihasilkan; pada 1.9 sen setiap kW·h pada 2006, kredit ini memiliki penyelarasan inflasi tahunan. Satu lagi keuntungan cukai adalah susut nilai pecutan ("accelerated depreciation"). Banyak negeri di Amerika Syarikat turut memberikan galakan, seperti pengecualian dari cukai harta benda, pembelian diwajibkan, dan pasaran tambahan bagi "kredit hijau / Sijil Tenaga Diperbaharui". Negeri seperti Kanada dan Jerman turut memberikan galakan bagi pembinaan turbin angin, seperti kredit cukai atau harga pembelian minima bagi penghasilan eletrik angin, dengan capaian jaringan dijamin (kadang-kala dirujuk sebagai tarif muat masuk). tarif muat masuk ini biasanya ditetapkan jauh melampaui harga eletrik purata. Akta Tambahan dan Pembaikan Tenaga 2008 mengandungi tambahan pada kredit untuk angin termasuk turbinmikro.

Kos penuh dan pelobi

Kuasa pasaran kedua turut memberikan galakan bagi sektor perniagaan untuk menggunakan kuasa dihasilkan angin, sungguhpun terdapat harga mahal bagi eletrik. Sebagai contoh, pengilang yang bertanggung jawab bagi sosial membayar syarikat eletrik mahal yang digunakan bagi memberi subsidi dan membina infrasturktur tenaga angin yang baru. Syarikat menggunakan kuasa yang dihasilkan angin, dan sebagai pulangan mereka boleh mendakwa bahawa mereka melaksanakan usaha "hijau" yang kuat. Di Amerika Syarikat organisasi Green-e memantau kepatuhan syarikat dengan kredit tenaga diperbaharui ini.
Lapuran Jawatankuasa Terpilih bagi Dewan Bangsawan "House of Lords" (2008) berkenaan tenaga diperbaharui di UK melapurkan "kebimbangan mengenai peranan eletrih hasilan angin dan sumber berkala yang lain di UK, dengan ketiadaan pembaharuan dalam teknologi penyimpanan eletrik atau penyepaduan grid UK dengan benua Europah".
Mengulas berkenaan sasaran tenaga Kesatuan Europah 2020, Helm mengkritik berkenaan bagaimana kos kuasa angin dipetik oleh pelobi. Helm turut menyatakan bahawa masalah bekalan angin yang terputus-putus juga kemungkinannya mendorong kearah pecutan bagi gas atau pecutan bagi arang batu di Eropah, kemungkinannya dengan kesan negetif pada keselamatan tenaga.
Di Amerika Syarikat, industri kuasa angin baru-baru ini telah meningkatkan usaha lobinya dengan banyaknya, membelanjakan sekitar $5 juta pada tahun 2009 selepas bertahun tidak dikenali di Washington. Sebagai bandingan, industri nuklear Amerika Syarikat sendiri menmbelanjakan melebihi $650 juta bagi usaha melobinya pada tahun dalam tempoh sepuluh tahun berakhir pada tahun 2008.

Kuasa angin berskala kecil

Kuasa angin skala kecil merupakan nama yang diberikan pasa sistem penghasilan angin dengan keupayaan menghasilkan sehingga 50 kW kuasa eletrik. Masyarakat terpencil, yang sekiranya tidak mungkin bergantung kepada generator disel boleh menggunakan turbin angin bagi menggantikan penggunaan bahan api diesel. Individual boleh membeli sistem ini bagi mengurangkan atau menghapuskan kebergantungan mereka pada grid eletrik bagi sebab ekonomi atau lain-lain, atau untuk mengurangkan jejak karbon mereka. Turbin udara telah digunakan bagi penghasilan eletrik isirumah bersama dengan penyimpanan bateri selama beberapa abad di kawasan terpencil.
Turbin angin bersambung dengan grid boleh menggunakan penyimpanan tenaga grid, menggantikan pembelian tenaga dengan pengeluaran tempatan apabila ada. pengguna sistem luar grid boleh samaada menyesuaikan diri dengan kuasa sekali-sekala atau menggunakan bateri, fotovoltaik atau sistem diesel bagi menyokong turbain angin. Perkakasan seperti meter letak kereta atau laluan Internet tanpa wayar boleh dibekalkan tenaga oleh turbin udara yang mencaj bateri kecil, menggantikan keperluan bersambung kepada grid kuasa.
Lokasi berhampiran atau sekitar sekelompok bangunan tinggi, angin pangkas ("wind shear") menghasilkan kawasan berkeceramuk kuat, terutamanya di aras jalan. Risiko berkait dengan kegagalan mekanikal atau bencana telah menghantui perkembangan tenaga angin bandar di kawasan berpenduduk padat, menjadikan kos menginsuran sistem angin bandar amat mahal. Tambahan lagi, mengukur jumlah angin di kawasan bandar adalah sukar, kerana hanya sedikit diketahui mengenai sumber angin sebenar di pekan dan bandar.
kajian Yayasan Karbon "Carbon Trust" mengenai potensi tenaga angin skala kecil telah mendapati bahawa turbin anginkecil mampu menghasilkan eletrik sehingga 1.5 terawatt sejam (TW·h) setahun (0.4% dari keseluruhan penggunaan eletrik UK), penjimatan sehingga 0.6 juta tan karbon dioksida (Mt CO₂) pengurangan pengeluaran. Ini berdasarkan tanggapan bahawa 10% dari isirumah akan memasang turbin pada kos bersaing dengan eletrik grid, sekitar 12 pence (US 19 sen) a kW·h.
Pengagihan tersebar dari sumber diperbaharui semakin meningkat hasil dari kesedaran perubahan cuaca. Antaramuka eletronik yang diperlukan bagi menyambung unit pengeluar tenaga diperbaharui dengan sistem eletrik mampu memasukkan fungsi tambahan, seperti penapisan aktif bagi memperelok kualiti tenaga.

Penyelidikan dan pembangunan

Disebalik peningkatan permintaan dunia bagi tenaga angin, teknologi angin masa kini masih tidak dipertingkat secara optima dan masih terdapat cabaran yang besar untuk mencapainya. Kebanyakan penyelidikan dilakukan dalam industri, dan tidak sentiasa mudah dikongsikan. Menurut aganda penyelidik dari gabungan penyelidik dari universiti, industri, dan kerajaan, disokong oleh "Atkinson Center for a Sustainable Future", penyelidikan kuasa angin memerlukan transformasi drastik. Menurut laporan tersebut:
Peningkatan yang kita cari memerlukan ciptaan baru dalam dinamik cecair, kawalan, bahan, pengilangan, struktur, dan pengagihan kuasa eletrik, termasuk juga cara baru membabitkan orang awam bagi menghargai dan menerima teknologi ini, infrastruktur pengagihan berkait dan kesannya dalam mengurangkan perubahan cuaca. Perkakasan reka bentuk dan analisa perlu dibangunkan. Kod komputer biasa perlu dikongsi dan diperhalusi dalam cara suasana kolej terbuka ("open collegial") yang tidak boleh berlaku dalam industri. Penyelidik perlu menyebar, berbincang, dan berkongsi hasil secara terbuka, mempercepatkan ciptaan bagi subjek ini.