Чим зумовлена форма вітряків

Вітрогенератор (вітряна турбіна) — пристрій для перетворення кінетичної енергії вітру на електричну, що складається з вітряної турбіни, електрогенератора та допоміжного обладнання.

Як ми від цього дійшли до цього?
У певному сенсі відповідь зводиться до наступного: «Зміна клімату» - нам потрібно набагато більше поновлюваних джерел енергії, тому має сенс інженерно-економічних ресурсів пішло на вдосконалення і розширення вітряних млинів.
але хоча «зміна клімату» може пояснити, чому вітряки прагнуть до дійсно хорошого дизайну, воно не пояснює, що робить дизайн хорошим.
Я бачу три основні особливості, які потрібно пояснити: розмір, кількість лопатей і форма лопатей.
Розмір найпростіший: чим більше площа, тим більше вітер, який ви можете використовувати, і, отже, тим більше енергії вітру ви можете вловити.
Плюс, чим вище, чим менше вітрі заважають речі на землі, тим швидше він дме, і, отже, тим більше енергії вітру ви зможете вловити.
Отже, щоб вітряк мав доступ до повітря з великою кількістю енергії, він повинен бути величезним і високим.
Однак парадокс вітряних млинів в тому, що вони потребують, щоб вловлювати енергію вітру, одночасно пропускаючи вітер.
Якщо ви витягли 100% кінетичної енергії вітру, він перестане рухатися, і набігаючому вітру нікуди буде піти.
Таким чином, ви повинні пропустити трохи вітру - розрахунок показує, що математично ідеальний вітряк може витягти тільки 59% кінетичної енергії вітру.
Оскільки вітряки не можуть блокувати вітер занадто багато, вони стикаються з компромісом: або мати швидко рухомі леза, які покривають невелику площу або повільно рухаються леза, що покривають велику площу.
Це тому, що, як і крило літака може бути більше підіймальної сили, чим швидше літак рухається, тим більше «зачіпляє» лопать вітряка. вітру, тим швидше він рухається - грубо кажучи, швидко рухається вітряк, як сучасна відповідно, потрібна менша кількість більш тонких лопатей, щоб не занадто сповільнювати вітер, в той час, як у тихохідної вітряка може бути більше лопатей ширше.
Очевидно, що сучасні вітряні млини пішли з вузький, швидкий підхід.
Так чому ж сучасні вітряні млини створені для того, щоб обертатися швидше, ніж старі вітряки - я маю на увазі, якби повільніше було краще, не було б причин, щоб сучасні вітряні млини не могли бути схожі на гігантські високотехнологічні вітрила!
Відповідь виходить з третього закону Ньютона: так само як вітер штовхає лопаті в сторони, щоб повернути їх, тому лопаті відштовхуються від вітру, надаючи повітрю зворотне обертання і, отже, деяку кінетичну енергію обертання - це енергія, яку вітряк не уловлює.
Так найефективніший вітряк дасть вітер найменший можливий поворот.
І, як ви вже здогадалися, чим швидше лопать вітряка рухається, тим менше енергії обертання він передає вітру.
Це може здатися трохи нелогічним, але те ж саме відбувається, коли м'яч падає і відскакує від похилого блоку - якщо блок не рух, збереження кількості руху та енергії означає, що м'яч відскакує вліво, а блок штовхається вправо.
Але якщо блок почне рухатися вправо, він зможе поглинути більше енергії м'яча, коли він прискорюється.
Чим швидше рухається блок, тим більше енергії він витягує з м'яча! (Ви можете бачити це, тому що м'яч з кожним разом рухається менше).
Лопаті вітряка трохи складніші, але це приблизно та ж ідея - для пристойної ефективності лопаті вітряка повинні рухатися по повітрю як мінімум в п'ять разів швидше, ніж вхідна швидкість вітер ...
Хоча очевидно, що різні частини лопаті вітряка рухаються з різною швидкістю і тому форма змінюється по довжині леза.
Отже, коротко: ідеальне джерело енергії.
Вітряк великий, щоб вловлювати сильний вітер, високий, щоб вловлювати сильний вітер, швидко рухається, щоб бути найбільш ефективним і з вузькими лопатями, тому що швидко рухається вітряк (вимагає мати меншу площу леза - або кілька вузьких лез) не уповільнює вітер занадто сильно.