Tuulen liike-energia eli kineettinen energia e voidaan laskea yhtälöstä
jossa ρ on ilman tiheys ja V tuulen nopeus. Itse asiassa tuulen nopeus V pitää sisällään myös tuulen nopeuden turbulenttiset komponentit eli V=(ü2+v2+w2+u’2+v’2+w’2), jossa u2, v2 ja w2 edustavat keskimääräisiä vaakasuoria tuulikomponentteja ja ns. pilkkutermit ao komponenttien hetkellisisten arvojen toisen potenssin keskiarvoja.
Pystysuoraa pintaa A vastaan kohdistuuvaa dynaamista painetta FU kuvaa yhtälö
jossa c on kappaleen ilmanvastuskerroin ja U on tuulen nopeuden vaakasuora pintaa A vastaan kohtisuorassa oleva resultanttinopeus.
Tuulen kykyä tehdä työtä, eli tuulen nopeuden U teho P saadaan tällöin yhtälöstä
Teho on siis verrannollinen tuulen nopeuden kolmanteen potenssiin; eli kun tuulen nopeus kasvaa kaksinkertaiseksi esimerkiksi 4 m/s :sta arvoo 8 m/s kasvaa tuulen liike-energia nelinkertaiseksi ja tuulen teho kahdeksankertaiseksi.
Turbulenssin vaikutus tuulen energiasisältöön
Tuuli on aina turbulenttista. Koska tuulen teho kasvaa suhteessa nopeuden kolmanteen potenssiin vaikuttavat yksittäiset puuskat eli keskinopeutta suuremmat nopeudet tuulen tehoa lisäävästi, vaikka keskinopeuteen ne eivät vaikutakaan.
kaavassa U edustaa keskinopeuskomponenttia ja U’ hetkellistä nopeutta, joka siis voi olla suurempi tai pienempi kuin keskinopeus.
Tästä voidaan edelleen osoittaa, että esimerkiksi vuoden keskinopeudesta laskettu vuotuinen teho tai tuulivoimalan tuottama energiamäärä on selvästi pienempi kuin yksittäisistä esimerkiksi 10 minuutin tuulimittauksista laskettu vuotuinen teho. Vastaavasti 10 minuutin sisällä turbulenssimittauksista laskettu teho on suurempi kuin 10 minuutin tuulen keskinopeudesta laskettu teho. Tästä johtuen monissa tuulienergiaan liittyvässä tuulimittauksessa mitataankin tuulen keskinopeuden ohella tuulen hetkellisistä (0,1-3 s) nopeuksista laskettua tehoa.
Käytännössä 10 minuutin sisällä tapahtuvilla tuulen nopeuden vaihteluilla on varsin vähän merkitystä nykyisten suurten tuulivoimaloiden keskimääräistä tuotantoa arvioitaessa. Sen sijaan niillä on huomattava merkitys arvioitaessa tuulivoimalaan ja sen osiin kohdistuvien kuormitusten vaihtelua.
Tuulen turbulenttisuuden vaikutus voimalan elinikään
Mitä enemmän tuulivoimala joutuu alttiiiksi turbulenssille, sitä kovemmalle rasitukselle se joutuu. Alhainen turbulenssi-intensiteetti lisää voimalan elinikää. Tämän lisäksi voimalat tuottavat parempilaatuista sähköä vähemmän turbulenttisella alueella pienemmästä vaihtelusta johtuen.
Merellä tuuli on yleensä vähemmän turbulenttista kuin maalla. Merellä sijaitseville tuulivoimaloille voidaan tämän takia odottaa mm. pidempää elinaikaa kuin maalla sijaitseville. Toisaalta etenkin rannikolla (rosoisuusmuutokset maastoosa, puusto, saaret) turbulenssi on meillä hyvinkin voimakasta, vaikka tuuliolot (tuulen keskinopeus) sinänsä voivat olla hyvinkin edulliset tuulivoimatuotannon kannalta.
Pienempi turbulenssi merellä johtuu pääasiassa pinnan pienestä meteorologisesta rosoisuudesta ja toisaalta pienistä lämpötilavaihteluista ilmakehän eri kerrosten välillä. Merellä auringonsäteet tunkeutuvat usean metrin syvyydelle merenpinnan alapuolelle, kun sen sijaan maalla aurinko lämmittää vain ylintä maakerrosta. Maanpinta lämpenee ja jäähtyy nopeammin kuin vesipinta. Sen tähden lämpötilaero pinnan ja ilman välillä on pienempi meren yläpuolella kuin maan yläpuolella.