Ветер, как и всякое движущееся тело, обладает кинетической энергией движения. Поэтому его можно использовать как источник энергии на подобие воды.
Количество энергии движения A равно половине произведения массы движущегося тела на его скорость V в квадрате:
.
Количество массы m ветра, набегающего на какую либо поверхность F за одну секунду, определяется произведением плотности воздуха ρ на поверхность F, через которую проходит ветер, и его скорость V:
.
Подставив это значение массы m в выражение количества движения A, описанного выше, заметим, что энергия ветра равна:
.
Рассматривая ветроколесо пропеллерного типа заметим, что рабочая его плоскость описываемая лопастями, есть круг. Формула площади круга известна, и имеет следующий вид:
.
Заменив значение площади F его выражением, и подставив это выражение в определение энергии движения A, получим энергию потока воздуха за одну секунду:
.
Однако, в механическую работу превращается только часть этой энергии. Профессором Г. Х. Сабининым в работе «Теория идеального ветряка» доказано, что максимальный коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) ξ, не может быть больше чем 0,687 или 68,7%. Введя этот коэффициент преобразования энергии в работу, и помня, что количество работы проделанной за одну секунду времени – есть мощность N, получим:
.
Заменив выражение A его значением, получим мощность N ветроколеса, в зависимости от его диаметра D:
.
Исходя из выше изложенного, можем определить необходимый диаметр ветряка D, для заданной мощности N:
.
Также доказано, что мощность ветроколеса не зависит от количества лопастей. Все моменты, связанные с количеством лопастей, их формой и прочими нюансами учитывает КИЭВ ξ.
Не маловажный момент при расчёте электрической ветроустановки – потери мощности при передаче крутящего момента ηmeh генератору, а также КПД самого генератора ηel.
В таком случае, итоговое выражение для определения необходимого диаметра ветроколеса, будет иметь вид:
.
В случае установки генератора на одной оси с ветроколесом (без мультипликатора), учитываются только потери в генераторе ηel. Если же с помощью ветряка будет производится только механическая работа, то учитывается только КПД трансмиссии ηmeh.
А также, всегда можно воспользоваться программой “Аэродинама”, которая учитывает все нюансы аэродинамического расчёта ветротурбины пропеллерного типа.
Автор: Корнелюк Сергей