Потужність потоку, або як її ще називають секундна енергія, пропорційні кубу швидкості вітру. Що значить - якщо швидкість вітру зросте, припустимо, в два рази, то енергія потоку повітряного зросте в 2 3 рази, а саме 2 3 = 2х2х2 = 8 разів.
Розвиваємо ветродвігателем потужність буде змінюватися пропорційно квадрату діаметра вітроколеса. Що значить при збільшенні в два рази діаметра вітроколеса - отримаємо збільшення потужності при тій же швидкості вітру в чотири рази.
Однак не всю енергію, що протікає через вітроколесо, можна перетворити в корисну роботу. Деяка частина енергії загубиться при подоланні опору вітроколеса повітряному потоку, а також на інші втрати. Також досить велика частина повітряної енергії буде містяться в потоці, вже пройшов через вітроколесо. В теорії крильчасті вітродвигунів доводиться:
- Швидкість потоку вітру за ветроколесом не дорівнює нулю;
- Кращий режим роботи вітродвигуна той, при якому швидкість потоку за ветроколесом буде дорівнює 2/3 від початкової швидкості потоку, яка буде набігати на вітроколесо.
Коефіцієнт використання енергії
Це число, яке показує, яка частина потужності повітряного потоку буде корисно використовуватися ветроколесом. Цей коефіцієнт позначається зазвичай грецькою буквою χ (ксі). Величина його залежить від ряду факторів, таких як тип ветромотора, якості виготовлення і форми його лопатей і інших чинників. Для швидкохідних вітродвигунів, які мають обтічну аеродинамічну форму крил, коефіцієнт χ становить приблизно від 0,42 до 0,46. Це означає, що машини такого типу можуть перетворювати в корисну механічну роботу близько 42% -46% вітрового потоку, що проходить через установку. Для тихохідних ж машин даний коефіцієнт становить порядку 0,27 - 0,33. Теоретичне максимальне значення χ для ідеальних крильчасті вітродвигунів становить приблизно 0,593. Крильчасті установки отримали досить широке поширення, і вони масово почали випускатися промисловістю. Їх поділяють на дві групи:
- Швидкохідні - число лопатей до 4;
Тихохідні - від 4 до 24 лопатей;
Швидкохідні і тихохідні вітродвигуни
Швидкохідність є одним з переваг, так як робить більш простий передачу енергії вітру таким швидкохідних пристроїв як електрогенератор. Більш того, вони легші і мають більш високий коефіцієнт використання швидкості вітру, ніж тихохідні, як це згадувалося вище.
Однак крім переваг, у них є і серйозний недолік, такий як в кілька разів менший крутний момент при нерухомому вітроколесі і при однакових діаметрах коліс і швидкості вітру, ніж у тихохідних установок. Нижче наведено дві аеродинамічні характеристики:
Де пунктиром показано 18-лопатеве вітроколесо, а суцільний - 3ех лопатеве. По горизонтальній осі відкладено число модулів Z вітроколеса або його швидкохідні. Дана величина визначається відношенням швидкості ωхR кінця лопаті до швидкості вітру V.
З характеристики вітродвигуна можна зробити висновок, що кожна швидкість вітру може мати тільки однина оборотів, при якому можна отримати максимальний χ. Крім того, при наявності однакової швидкості вітру тихохідне пристрій буде мати момент в кілька разів більший, ніж морські й, і відповідно воно почне працювати при швидкості вітру меншою, ніж морські й. Це досить значний фактор, так як збільшує кількість годин роботи вітродвигуна.
крильчасті вітродвигуни
Принцип їх роботи грунтується на аеродинамічних силах, які виникнуть на лопатях вітроколеса, коли на них набіжить повітряний потік. Для того, щоб збільшити потужність крил надають обтічні, аеродинамічні профілі, а кути заклиненому роблять змінними вздовж лопаті (чим ближче до валу - то більше кути, але в кінці менші). Схема показана нижче:
Є три основні частини даного механізму - лопать, мах, за допомогою якого колесо кріпиться до маточини. Кут заклиненому φ - кут між площиною обертання колеса з лопатою. Кут атаки α - кут набігу вітру на елементи лопаті.
При загальмованому вітроколесі напрямку потоку, що набігає на лопать, і напрям вітру збігалися (по стрілці V). Але оскільки колесо має якусь швидкість обертання, то відповідно кожен з елементів лопаті матиме певну швидкість ωxR, яка буде збільшуватися з віддаленням від осі колеса. Тому потік, що обдуває лопать з якоюсь швидкістю буде складатися з швидкості ωxR і V. Дана швидкість має назву відносної швидкості потоку і має позначення W.
Так як тільки при певних кутах атаки існує найкращий режим роботи вітродвигуна крильчатого, то кути заклиненому φ доводиться робити змінними по всій довжині лопаті. Потужність вітрового двигуна, як і будь-якого іншого, визначається твором кутової швидкості ω на його момент М: P = Mxω. Можна зробити вивід, що зі зменшенням кількості лопатей момент М теж знизиться, проте зросте кількість оборотів ω. Саме тому, потужність Р = Mxω залишиться майже незмінною і буде слабо залежати від кількості лопатей вітряка.
Інші типи вітродвигунів
Як відомо крім крильчатих, існують ще й барабанні, карусельні і роторні вітродвигуни. У карусельних і роторних типів вісь обертання вертикальна, а в барабанних - горизонтальна. Мабуть, головною відмінністю крильчасті вітродвигунів від барабанних і карусельних буде те, що у крильчатих працюють всі лопаті одночасно, в той час як у барабанних і карусельних працює лише та частина лопатей, рух яких буде збігатися з напрямком руху вітру.
Для зменшення опору лопатей, які йдуть назустріч вітру, їх або роблять вигнутими, або прикривають ширмою. Момент, що обертає при використанні такого типу двигуна виникає за рахунок різного тиску в лопатях.
Оскільки роторні, карусельні та барабанні типи вітродвигунів мають досить низьку ефективність (χ для даних типів не перевищує 0,18), а також досить громіздкі і тихохідні на практиці вони не набули масового застосування.