Ветер является источником свободной энергии, которая использовалась с древних времен в ветряных мельницах для откачки воды или измельчения муки. Технология высокой мощности - редукторная передача, была разработана много веков назад создателями мельницы и колеса юты, указывая на то, что ветер был одним из первых в мире примеров автоматической системы управления.
Хотя современные технологии и сделали значительные улучшения в плане эффективности ветряных мельниц, которые в настоящее время широко используются для производства электроэнергии, они по-прежнему зависят от капризов погоды. И не только от направления ветра, а и от его прерывистой и непредсказуемой силы. Если ветер слишком мал – он не может обеспечить достаточно устойчивую силу для преодоления потерь на трение в системе. Слишком сильный - и мельница подвержена повреждениям. Из-за этого были разработаны экономически эффективные установки с целью извлечения энергии из ветра.
Мощность Р доступная от ветра, падающего на ведомый генератор, ветра определяется по формуле:
P = 1/2·CApv3
где С – является коэффициентом полезного действия, известен как коэффициент мощности, которая зависит от конструкции машины,
А – площадь ветрового фронта перехваченного лопастями несущего винта (охваченной область),
p – плотность воздуха (в среднем 1,225 кг/м3 над уровнем моря) и
V – скорость ветра.
Следует отметить, что мощность пропорциональна площади, омываемой лопатками, плотности воздуха, и кубу скорости ветра. Таким образом, удвоение длины лезвия будет производить в четыре раза больше мощности и в два раза больше скорости ветра будет производить в восемь раз больше.
Отметим также, что эффективное облучаемая поверхность лопастей является круговое кольцо, а не круг, из-за мертвого пространства вокруг втулки лопастей. Аналогичное уравнение применяется к теоретической мощности, генерируемой воздушным потоком гидротурбин.
Немецкий аэродинамик Альберт Бец показал, что максимум лишь 59,3% от теоретической мощности могут быть извлечены из ветра, независимо от того, насколько хорош ветряк. Он продемонстрировал математически, что оптимум имеет место, когда ротор снижает скорость ветра на одну треть.
В практических конструкциях, недостатки в проектировании и потерь на трение будет ещё меньшая мощность, доступная от ветра. Преобразование этой энергии ветра в электрическую энергию также несет убытки в размере до 10% в трансмиссии и генератора и еще на 10% в преобразователе и кабелях. Кроме того, когда скорость ветра превышает номинальную скорость ветра, системы управления ограничивают преобразование энергии для того, чтобы защитить электрический генератор таким образом, чтобы в конечном счете, ветровая турбина преобразовала только около от 30% до 35% доступной энергии ветра в электрическую энергию.
Обратите внимание, что выходная мощность из коммерчески доступных ветровых турбин обычно определяется при постоянной скорости, свободном порыве ветра 12,5 м/с (сила 6 баллов по шкале Бофорта, соответствующей сильному ветру). Во многих местах, особенно в городских сооружениях, преобладающий ветер редко достигают такой скорости.
Современные высокие ветровые турбины мощностью, такие как те, которые используются коммунальными предприятиями электроэнергии в электрической сети, как правило, имеют лопасти с поперечным сечением по аналогии с крылышками, используемых для обеспечения подъемной силы в крыльях самолета.
Направление видимого ветра, то есть падающий ветер, относительно хорды линии аэродинамической поверхности известен как угол атаки. Так же, как и в крыльях самолета, подъем в результате инцидента силы ветра увеличивается по мере увеличения угла атаки возрастает от 0 до максимума (около 15 градусов), при которой гладкий ламинарный поток воздуха по лезвию прекращается, и поток воздуха над лезвием отделяется от крыла и становится турбулентным. Выше этой точки подъемная сила быстро ухудшается во время сопротивления увеличивается и приводит к потере скорости. Подробнее об угле атаки.
При заданной скорости ветра кажущийся ветер будет отличаться в корне лопасти из кажущейся ветра на конце лопатки, так как вращательный относительная скорость ветра различна.
При заданной скорости вращения, тангенциальная скорость секций лопасти увеличивается вдоль длины лопасти в направлении наконечника, так что шаг лопасти должны быть скручен, чтобы поддерживать тот же оптимальный угол атаки на всех участках вдоль длины лезвия. Кручение лезвия, таким образом, оптимизирована для заданной скорости ветра. По мере того как скорость ветра изменяется, поворот больше не будет оптимальным. Чтобы сохранить оптимальный угол атаки, когда скорость ветра увеличивается на фиксированный шаг винта, должна увеличиться и скорость его вращения соответственно, в противном случае, для фиксированной скорости роторов, необходимо использовать переменные лопасти основного тона.
Количество лопастей в роторе турбины и скорость его вращения должны быть оптимизированы, чтобы извлечь максимальную энергию из доступного ветра.
При использовании, роторы с несколькими лезвиями должны захватить больше энергии ветра, однако существует практический предел количества лопастей, которые могут быть использованы, поскольку каждое лезвие вращающегося ротора оставляет турбулентность в следе, и это уменьшает количество энергии, которое следующее лезвие может получить из ветра. Этот же эффект турбулентности также ограничивает возможные скорости ротора, так как высокая скорость вращения ротора не обеспечивает достаточное количество времени для потока воздуха, установившегося после прохождения лезвия.
Существует также нижний предел, как по числу лопастей, так и по скорости вращения ротора. Чем меньше число лопастей, тем быстрее ротор турбины должен повернуть, чтобы извлечь максимальную мощность от ветра.