Основные характеристики ветра скорость и его направление крайне изменчивы и зависят от многих факторов, а именно: рельеф местности, удаленность от берегов и океанов, климатические зоны и т.д. Скорость ветра может меняться в широких пределах: от легкого дуновения до урагана (около 100 м/с). Колоссальная энергия ветра может нанести громадный ущерб в виде разрушенных при ураганах зданий, линий передач и т.д. или может быть использована в народнохозяйственных целях. Мощность высотных потоков ветра (на высотах 7-14 км) примерно в 10-15 раз выше, чем у приземных. Эти потоки обладают постоянством, почти не меняясь в течение года. Возможно использование потоков, расположенных даже над густонаселёнными территориями (например городами), без ущерба для хозяйственной деятельности. Природно-техническая система с ВЭУ представлена на рис.1.Таким образом, можно сделать обобщающий вывод о том, что ресурс ветроэнергетике достался не постоянный и существенно подверженный влиянию местных условий.
Рис.1Природно-техническая система с ВЭУ
Ветер как источник энергии характеризуется, прежде всего, скоростью. Скорость ветра в данном месте очень непостоянная величина. Для нее характерны быстрые изменения (порывы) и медленные (погодные, суточные, сезонные). Поэтому данное место характеризуют среднегодовой скоростью ветра. Обычно в справочниках на основании данных метеостанций приводятся скорости ветра на высоте 10 м. Для сооружения крупной (ВЭУ) предпочтительно знать скорость ветра на высоте 80 100 м. Кинетическая энергия потока воздуха E (Дж), занимающего объем V(м3), имеющего плотность ρ (кг/м3) и движущегося со скоростью w (м/с), определяется по формуле:
Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже для указанного рабочего диапазона скоростей ветра приведены значения удельной мощности Nуд:
С помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ) в механическую энергию может быть преобразована только часть энергии ветрового потока. Отношение кинетической энергии ветрового потока Eв, преобразованной с помощью ветровой турбины в механическую энергию, к кинетической энергии невозмущенного ветрового потока E называется коэффициентом мощности или коэффициентом использования энергии ветра Ср. Коэффициент использования мощности иногда называют критерием Жуковского-Бетца по имени двух учёных, которые теоретически обосновали его предельное (идеальное) значение 0,593.
Для каждой ВЭУ можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра:
Wminр, при которой 0wwminр и мощность ВЭУ равна нулю;
wNр, при которой wminрwwNр и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;
wmaxр, при которой w>wmaxр и мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора.
Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от wminр до wNр полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра w на высоте башни Hб(м) и диаметре ротора ВЭУ w (м) рассчитывается по формуле:
где S = πD2/4; ηр КПД ротора (около 0,9); ηг КПД электрогенератора (около 0,95); Ср коэффициент мощности, обычно принимаемый равным 0,45 в практических расчетах; ρ = 1,226 кг/м3
После подстановки всех указанных значений в формуле получаем для ориентировочных расчетов:
Для малых ВЭУ wminр находится обычно в пределах 2,54 м/с, а wNр от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 45 и 1215 м/с.
Для реальных современных ВЭУ Ср лежит в диапазоне 0,380,48. Для получения электрической мощности ВЭУ вышеприведённое выражение необходимо ещё умножить на произведение механических (редуктор, подшипники и т п.) и электрических (генератор, трансформатор и т. п.) КПД элементов силового тракта ВЭУ. Обычно для современных ВЭУ суммарный КПД элементов можно принимать в диапазоне 0,900,93.
Для разработки конструкции ветроколеса (ВК), кроме параметра, коэффициент использования мощностиСр, используется еще один важный параметр коэффициент быстроходности-λ.
Быстроходность ветроколеса представляет собой отношение линейной скорости конца лопасти к скорости набегающего потока и служит аэродинамической характеристикой ветроколеса. При оптимальной быстроходности лопасть ветроколеса не попадает в поток, турбулизированный предыдущей лопастью. Этот поток успевает покинуть область ветроколеса. В то же время воздух не проходит через сечение ветроколеса свободно, без взаимодействия с его лопастями. Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра Ср от быстроходности ВК λ для различных типов ВЭУ представлены на рис.2.