Теоретические основы работы ветряка заложены в 1914—18 Н.Е. Жуковским, который установил, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветряного двигателя, работающего без потерь, равен 0,593.
В зависимости от основной части ветряка — ветроколеса — различали крыльчатые, карусельные, или роторные, и барабанные.
В наиболее распространённых крыльчатых лопасти ветроколеса (рис. 1, а) расположены перпендикулярно к горизонтальному валу и повернуты под углом к плоскости вращения ветроколеса, которая при работе должна быть перпендикулярна к направлению ветра.
1. Схемы устройства ветряных двигателей: а — крыльчатый; б — карусельный; в — барабанный.
Коэффициент использования энергии ветра крыльчатых - достигает 0,42, в среднем равен 0,30.
Карусельные ветряки имеют ветроколесо с вертикальным валом, ось которого параллельна лопастям (рис. 1, б). При работе такого ветряка лопасти, лежащие по одну сторону от вала, прикрывают ширмой. Эти двигатели тихоходны, имеют большой вес, их коэффициент использования не более 0,10.
Двигатели, работающие по этому же принципу, но имеющие полуцилиндрические лопасти, закреплённые на вертикальном валу, называются роторными; их коэффициент использования энергии ветра достигает 0,18.
Такое же устройство, как у карусельных двигателей, но с горизонтальным валом (рис. 1, в), имеют двигатели барабанного типа, обладающие теми же недостатками, что и карусельные (тихоходны и тяжелы).
Рис. 2. Много лопастный ветряной двигатель мощностью 6,5 л. с. для подъёма воды поршневым насосом.
Крыльчатые - имеют ветроколесо, закреплённое на горизонтальном валу, вращающемся в 2 подшипниках, смотированных в головке.
Вращение ветроколеса передаётся вертикальному валу через пару конических шестерён (верхний редуктор). Головка может поворачиваться вокруг вертикальной оси и монтируется на башне, высота которой должна быть достаточной для выноса ветроколеса выше окружающих препятствий.
У основания башни вертикальный вал соединяется с нижним редуктором, от которого приводятся в действие машины, потребляющие энергию. Установка ветроколеса на ветер производится давлением ветра на хвост, а у очень мощных — вспомогательными ветрячками — виндрозами, горизонтальный вал которых перпендикулярен валу главного двигателя.
Виндрозы, вращаясь, поворачивают головку через зубчатую передачу до тех пор, пока сами не выйдут из-под ветра, поставив под ветер, ветроколесо.
Мощность ветряка изменяется пропорционально кубу скорости ветра и ограничивается при высоких скоростях ветра (8—14 м/сек) с помощью регулирующих механизмов. У современных применяется автоматическое регулирование скорости вращения выводом ветроколеса из-под ветра или поворотом его лопасти (или части её) около оси маха крыла.
Мощность крыльчатых не зависит от числа лопастей, а зависит только от диаметра ветроколеса, профиля и формы лопастей. Многолопастные (рис. 2) имеют большой начальный вращающий момент, но тихоходны. Ветряки с малым числом лопастей (рис. 3) имеют малый вращающий момент и быстроходны.
Наиболее распространены двигатели с мощностью от 3 до 30 квт. В отдельных ветроэлектрических станций достигают мощности в сотни киловатт. Основным препятствием к широкому применению является непостоянство силы ветра по времени, приводящее к необходимости производства продукта в запас (помол зерна, заготовка кормов, пиломатериалов и др., подъём воды в водонапорную башню) или запасания энергии в электрических аккумуляторах, которые дороги и применяются только в установках малой мощности. Применение ветродвигателей целесообразно в районах, удалённых от электрических сетей (села, Арктика и др.).
Ветроэлектрическая станция — силовая установка, в которой энергия ветра преобразуется в электрическую. Состоит из ветродвигателя, электрического генератора и сооружений для их установки и обслуживания. Обычно применяется при отсутствии электрической сети.
Ветряные станции постоянного тока строятся с аккумуляторными батареями, которые не только запасают энергию на время безветрия, но и выравнивают напряжение. Ветряки, работающие на переменном токе, имеют резервный тепловой двигатель, который, работая параллельно с ветродвигателем, дополняет энергию при слабых ветрах и полностью воспринимает нагрузку при штиле.
Для поддержания постоянства напряжения генератора переменного тока регулируют скорость вращения ветродвигателя и генератора, а также применяют электрический регулятор напряжения. Генератор чаще устанавливается на уровне земли; это облегчает обслуживание, но связано с дополнит, потерями энергии на трение в передаточных механизмах. В некоторых установках вал ветроколеса через редуктор, повышающий скорость вращения, вращает вал электрического генератора, установленного внутри головки ветряного двигателя.
