Самые распространенные типы ветряков с 7 века и до наших дней, самые эффективные по использованию энергии ветра – крыльчатые с горизонтальной осью вращения.
Ветроколесо может иметь от 1 до N лопастей. Мощность колеса не зависит от числа лопастей. Энергия воздушного потока определяется формулой:
E=mv2/2=prv3R2/2,
Где: r – плотность воздуха равная 1230 кг/м3 при 15 °С;
V – скорость ветра, м/сек;
R - радиус ветроколеса, м.
Удельная мощность современного ветроколеса классической конструкции, с площадью вращения колеса 1 м2, при нормальных атмосферных условиях и при коэффициенте использования энергии ветра 0.48…0,45 равна:
| Скорость ветра, м/сек: | 4 | 6 | 8 | 10 | 14 | 18 | 22 |
| Мощность, кВт: | 0,04 | 0,13 | 0,31 | 0,61 | 1,6 | 3,60 | 6,25 |
Как правило, все ветроколёса характеризуются быстроходностью или числом модулей, это нам досталось с начала 20 века:
Z=wR/v,
Где: w - частота вращения;
R – радиус вращения ветроколеса, м;
V – скорость ветра, м/сек.
Мощность, развиваемая ветроколесом, равна:
Рвк=Мw= МpR(rV2/2)w = MpR2rZV2/2, кгм/сек;
Где: М – момент, развиваемый ветроколесом.
Аэродинамическая характеристика ветроколеса показывает зависимость отвлечённого (относительного) момента М и коэффициента использования ветра x от числа модулей. Ее величина зависит от числа и ширины лопастей, аэродинамического профиля (ЦАГИ, NASA) и углов заклинивания:
`М = М : (pR3rV2/2);
Чем больше число лопастей, их ширина и угол заклинивания (угол между хордой профиля и плоскостью вращения), тем при прочих равных условиях ниже быстроходность ветроколеса. Расчетная мощность ветроагрегата зависит от диаметра ветроколеса D, коэффициента использования ветра x и расчетной скорости ветра V:
Рр=4,8 D2V3x10-4, кгм/сек;
Стандартная высота измерения скорости ветра на метеостанциях составляет 10м. Пересчитывают скорость ветра, применительно к реальной высоте башни ветродвигателя, по формуле:
Vh2=Vh(h2/h1)0,2, м;
Где: h1 – высота относительно уровня земли, для которой известна скорость ветра Vh;
h2 – реальная высота башни ветродвигателя.
Самый большой недостаток ветроагрегатов с горизонтальной осью вращения это тот, что при смене направления ветра, ось ветряка в силу большого гироскопического момента, испытывает большие динамические нагрузки. Происходит стопорение вращения, после чего колесу необходимо время на разгон и работа агрегата становится практически импульсной. Регулирование мощности при смене скорости ветра как правило осуществляют путем регулирования углом заклинивания лопастей (шагом). Однако, есть лучший способ, который заключается в изменении диаметра ветроколеса. Но такой способ связан с технологическими трудностями изготовления телескопических лопастей и привода изменения диаметра колеса! И как бы это ни было трудно, выгоды такого способа регулирования мощности ветроколеса неоспоримы! Это прямо вытекает из формулы мощности ветряка. Так что пути совершенствования таких ветряков еще остались.
В дополнение к вышеизложенному можно добавить разработку ветродвигателя на основе эффекта Магнуса, в котором взамен лопастей установлены вращающиеся роторы с индивидуальным электроприводом при запуске ветроагрегата.