2. Айналдырушы күш қарсылық күші ме немесе көтергіш күш пе? Қарсылық күшін қолданатын құрылғылар сызықтық жылдамдықпен айналады, ал көтергіш күштерді қолданатын құрылғыларда қалақтың ұшында ғана сызықтық жылдамдық болады, оның өзі жел жылдамдығы жоғары болған кезде. Мұнда желден де жылдам қозғалатын желкенді яхталар сияқты жағдай болып тұр.
3. Жел дөңгелегінің геометрикалық толығуы не нәрсеге тең? Көп құрылғылар үшін ол қалақтардың санымен анықталады. Үлкен геометрикалық толығуға ие болатын ЖЭҚ –ларда салыстырмалы түрде әлсіз соғатын желде айтарлықтай қуат болады және дөңгелектердің айналу саны аз болса да максимум қуатқа ие болады. Аз ғана геометрикалық толығуы бар ЖЭҚ-лар макисимум қуатқа көп айналу арқылы жетеді және бұ тәртіпке кіру үшін ұзағырақ шығады. Сондықтан бірінші құрылғылар су сорғылар ретінде қолданылады және желдің әлсіз жылдамдығында да жұмыс істеу қабілетін жоғалтпайды, ал екіншілер көп айналым жиілігі қажет жерлерде электоргенератор ретінде қолданылады.
4. ЖЭҚ қандай мақсатқа арналған? Механикалық жұмысты тікелей орындайтын құрылғыларды жел диірмені немесе турбина деп атайды, электорэнергияны өндіретін құрылғыларды жел электоргенераторы, аэрогенератор, энегргияны түрлендіретін құрылғы дейді.
5. Жел дөңгелегінің айналуы тұрақты ма немесе жел жылдамдығына тәуелді ме? Қуатты энергетикалық жүйеге қосылған аэрогенераторларда автосинхронизация эффектінің әсерінен айналым жиілігі тұрақты болады, бірақ мұндай құрылғылар айналым жиілігі тұрақсыз құрылғыларға қарағанда желдің энергиясын тиімсіз пайдаланады.
6. Жел дөңгелегі электоргенератормен тікелей байланысқан ба немесе буфер рөлін атқаратын энергияны түрлендіретін аралық арқылы байланыса ма? Буфердің болуы жел дөңгелегінің айналу жиілігінің флуктуациясын азайтады, жел энергиясын және генератордың қуатын тиімдірек пайдалануға көмектеседі. Бұдан басқа дөңгелектің генератормен байланысуының шешілген сызбалары бар, оларды ақырын түйіскен генератор деп атайды. Осылай қатты емес байланыс жел дөңгелегінің инерциясымен бірге жел жылдамдығының флуктуациясының электоргенератордың шығыс параметріне әсерін азайтады. Бұл әсерді азайтуға қалақтардың жел дөңгелегінің осіне серпінді байланысуы да көмектеседі, мысалы серіппелі шарнир арқылы.
Жоғарыда берілген параметрлер негізінде жел электоргенераторының классификациясы 9.3 – суретте көрсетілген. Мұнда жел құрылғыларының барлық түрі қарастырылмаған. Әсіресе бұл құйылып жатқан жел ағынын қолданатын арнайы және анағұрлым тиімді құрылғыларға қатысты.
Горизонталь осі бар жел диірмені. Пропеллерлі типтегі горизонталь ості жел диірменін қарастырайық. Бұл типте дөңгелекті айналдыратын негізгі күш – көтергіш күші. Жел жағдайын байланысты жұмыс істеп жатқан дөңгелектер тірек мұнараның алдында немесе артында орналасуы мүмкін. Алдында орналасқан жағдайда жел дөңгелегінің аэродинамикалық тұрақтандырғышы немесе оынң жұмыс істеу қалпын сақтайтын қандай да бір құрылғы болуы керек. Осы орналасуда мұнара жел дөңгелегін тартады және оған құйылған ауа ағынын турбуленттейді. Дөңгелек осылай жұмыс істегенде циклдық ауырлық пайда, қатты шу және жел қондырғыларының шығыс параметрлерінің флуктуациясы болады. Жел бағыты тез өзгеруі мүмкін және жел дөңгелегі осы өзгерістерге ілесіп отыру керек. Сондықтан 50кВт қуаттылығы бар ЖЭҚ-ларда электрлік қозғалтқыш пайдаланылады.
Жел генераторларында әдетте екі – үш қалақты жел дөңгелектері қолданылады, соңғылары өте бірқалыпты қозғалысымен ерекшеленеді. Жел дөңгелегімен оны байланыстыратын электрогенератор мен редуктор тірек мұнарасының ұшында бұрылыс басында орналасқан. Оларды төменге орналастыруға да болады, бірақ онда айналып тұрған сәтте туындайтын қиындықтар мұндай орналасуды жоққа шығарады. Жәл әлсіз соққан жағдайда үлкен айналым сәтін дамытатын көп қалақты дөңгелектер суды қайта айдау үшін және т.б мақсаттар үшін қолданылады, себебі олар жел дөңгелегінің көп айналуын қажет етпейді.
Вертикаль ості жел электоргенераторы. Вертикаль ості жел электоргенераторы өз геометриясының арқасында желдің кез келген бағытында жұмыс істеп тұра береді. Бұдан басқа, мұндай сызба мұнараның төменгі жағындағы генератор мен редуктордың байланысу білігін ұзартады.
Мұндай генераторлардың кемшіліктер: 1) оларда жиі пайда болатын автоауытқу әсерінен болатын бұзылуға икемділігі; 2) айналым сәтінің соғылу, ол генератордың шығыс параметрлерінің қажетсіз соғылысына әсер етеді. Осының кесірінен көптеген жел электорогенераторлары горизонталь остік сызбамен жасалады, бірақ түрлі типтегі вертикаль ості құрылғыларды зерттеу жалғасуды.
Келесі типтегі вертикаль ості құрылғылар кең тараған(9.3 -сурет).
Табақшалы ротор(анемометр).Бұл типтегі жел дөңгелегі қарсылық күшімен айналады. Табақша тәрізді қалақтар дөңгелектің айналым жиілігінің сызықтық тәуелділігін қамтамасыз етеді.
Савонинус роторы. Бұл дөңгелек те қарсыласу күшімен айналады. Оның қалақшалары тік бұрышты формадағы жұқа иілген беттен жасалады, яғни қарапайымдылығы мен арзандығымен ерекшеленеді. Айналу сәті түрлі қарсыласуға байланысты түзіледі. Геометрикалық толығудың үлкен болуына байланысты бұл жел дөңгелектерінің айналу сәті жоғары және суды қайта айдау үшін қолданылады.
Дарье роторы. Айналу сәті аэродинамикалық профилі бар екі немесе үш жұқа иілген жазықтықтарда пайда болатын көтерілу күшімен жұмыс істейді. Көтеру күші құйылған ауа ағынын жоғары жылдамдықтағы қалақша қиып өткенде максималды болады. Дарье роторы жел электро генераторларында қолданылады. Ротор өз бетімен айналым жасай алмайды, сондықтан қозғалтқыш ретінде жұмыс істейтін генератор пайдаланылады.
Масгрува роторы. Бұл жел дөңгелегінің қалақшасы жұмыс істеп тұрған жағдайда вертикалды орналасқан, бірақ өшірілген жағдайда горизонталь ось бойымен айнала береді(9.3 – суретті қараңыз). Масгрува роторының түрлері көп, алайда олар қатты жел болғанда өшіп қалады.
Эванс роторы. Бұл ротордың қалақшасы апатты жағдайда және оларды басқарған жағдайда вертикаль оспен айналады.
Концентратор. Жел энергоқұрылғыларының қуаттылығы ауа ағынының энергиясын тиімді қолдануға байланысты. Оны жоғарылатудың бір әдісі – ауа ағынын ұлғайтатын арнайы концентраторларды қолдану(9.3 – суретті қараңыз). Горизонталь ості жел электоргенераторлары үшін мұндай концентраторлардың түрлі нұсқалары жасалынып шығарылған. Бұл диффузорлар немесе конфузорлар болуы мүмкін, олар алаңдағы ауа ағынын жел дөңгелегіне бағыттайды. Бірақ концентраторлары өндірістік қондырғыларда кеңінен қолданысқа түскен жоқ.
9.3. Жел энергетикалық құрылғыларының негізгі теориясы
Төменде жел қондырғыларының жұмыс істеу ұстанымдары қарастырылған. Қуаттылыққа, айналу сәтіне және қарсыласу күшіне арналған қатынастар алынды. Талдауда сызықтық жақындықтар қолданылады. Кейбір сұрақтар төменде қарастырылған.
Жел энергиясының түрленуі. Турбуленттіктің жоқ болуына байланысты А алаңы арқылы уақыт бірлігінде өтіп жатқан ауа көлемі
P_0=(1/2)(pA_1 u_(0.)) u_0^2=(1/2)pA_1 u_(0 (9.2))^3
Мұндағы р мен u0 - құйылушы ауа ағынының тығыздығы мен жылдамдығы.Р0 жел ағынының энергиясы болып табылады.
Р ауаның тығыздығы биіктік пен метерологиялық шарттарға байланысты болады. Желдің жылдамдығы биіктік бойынша көтеріледі жен аймақтық георафиялық шарттарға тәуелді және кез келген жағдайда уақыт бойынша өзгереді. Бұл жайлы толығырақ 9 §-те айтылған. р тығыздығы мен u0 жылдамдығы уақыт бойынша және қарастырылып отырған ауа ағынының қиылысында тұрақты болсын. Мұндай сығылмайтын сұйықтықтың ағысы механикалық сұйықтық негізінде қарастырылады. Теңіз деңгейімен есептегенде ауаның тығыздығы шамамен 1,2кг/м3 –қа тең, ал жел қондырғыларының тиімді жұмыс істеуіне қажетті жылдамдық 10м/с шамасында. Осы жағдайда жел энергиясы Р0 =600Вт/м2. Ал дауылдық желдерде u0=25м/с, онда Р0=10000вт/м2. 9.1 және 9.2 – кестелерде түрлі метерологиялық жағдайдағы жел құрылғыларының жұмыс істеу тиімділігі көрсетілген, ал 9.7§олардың жел сипатына байланысты тәуелділігі қарастырылған.Жел дөңгелегінің теориясында ол арқылы өтетін тоқ сызық ажырамайды, ал дөңгелектің өзі өткізгіш дискімен алмасытырылады. Екеуі әрекеттескенде ауа ағыны оған энергияның бір бөлігін береді, нәтижесінде ағындағы қысым мен импульс азаяды. Бұлардан басқа құйылып жатқан ауа ағынына түрлі ауытқулар қосылады, бірақ біз мұнда оларға тоқталмаймыз. Мұндай модель түрлі өткізгіштерге қарамастан, өте тиімді болып табылады.
9.5 – суретте жел диірмені үйірілетін А1алаңы, А0 және А2 - жел дөңгелегі арқылы өтетін ауа ағынының қиылысу ауданы. А0 қиылысы жел диірмені ауытқыған аймақта орналасқан, ал А2 - ағынның жылдамдығы аз жерінде орналасқан. А0 және А2 қиылыстарының ауданын жел диірмені аймағындағы жылдамдық өрісінің өзгерісі нәтижесінде анықтауға болады. Ал тікелей А1 қиылысу аймағында мұндай өзгерістерді есептеу мүмкін емес, себебі жел диірмендері өзгеріссіз айналып тұрады.
Бірлік уақыт арқылы жел дөңгелегіне әсер ететін күш салмақ қозғалысының өзгерісі (9.3)
Бұл күш арқылы ауа ағынының жылдамдығы арқылы ағады, бұны біртекті деп есептеуге болады. Жел дөңгелегінін қуаты (9.4)
Бірақ бұл қуат энергия да болып есептеледі, уақыт бірлігінде жел ағысының жоғалуы, жел дөңгелегімен өзара әрекеттесуі тең
(9.5)
Екеуін тенестіріп (9.6): (9.7)
Сол себепті, сызықтық теориясы арқылы, ауа ағысының жылдамдығы жылдам ағу ағысынан аз болмау тиіс.
Қима арқылы өтетін ауа ағысы А1 уақыт бірлігінде (9.8)
Сонда 9.4 мынадай түр қабылдайды (9.9)
Ал, алмастырғаннан кейін 9.7 мүлде (9.10)
Индукциялық коэффицент (9.11) (9.12) (9.13)
(9.12)-ден u0 –ді (9.10)-ға қоямыз, сөйтіп:
P=2pA_1 (1-a)^2 u_0^2 [u_0-(1-a) u_0 ]=(1/2)pA_1 u_0^3 [4a(1-a)^2 ]. (9.14)
Бұлөрнекті (9.2)-менсалыстырамыз:
P=C_P P_0, (9.15)
МұндағыР0= құйылыпжатқанжелағыныныңқуаты; СР- желдөңгелегінеберілетіносықуаттыңбірбөлігінемесемынаөрнекпенберіолетінкоэффициент:
C_p=4a(1-a)^2 (9.16).
Кейдеакоэффициентініңорынына b=u2/u0 қолданылады, олағынтежелісініңкоэффициентідепаталады.
Ср коэффициенті макималды жағдайға а=1/3болғанда жетеді.
C_(p_max)=16/27=0.59, (9.17)
Яғни ең жақсы деген жағдайда құйылып жатқан ауа ағыны энергиясының жартысынан көбін пайдалануға болады. Себебі ауа ағынында жел дөңгелегінің аймағынан кету үшін белгілі кинетикалық энергия болады.(9.17)шарт Бетц критерийі деп аталады. Ол кез келген сұйықтық немесе газ ағыны еркін қозғалатын құрылғыда бірдей. Дәстүрлі гидростанцияларда турбина еркін қозғалмайды, кедергіге тап болады, сондықтан бұл критерий олар үшін қолданылмайды. Ең жақсы деген өндірістік аэрогенераторларда қуаттылық коэффициенті 0,4-ке жетеді. Қуаттылық коэффициентінің максималды мәні 0,59-ға тең, сонда генераторлардың ПӘК 0,4/0,59=68%.
Ср қуаттылық коэффициенті ауа ағынының жел генераторы тиімді пайдаланатын көрсетеді, ол жел үйірілген А1 ауданы арқылы өтеді. Ауытқу болмаған аймақтарда бұл ағынның қиылысу аймағы А0-ге тең. Жел ағынының салыстырмалы қуаты, яғни көлденең қиылысының бірлігінен алынатын қуаты егер көлденең қиманы А1 емес, А0 деп есептесек, көп болады.
9.6 – сурет. СР қуаттылық коэффициентінің ағынның тежелу коэффициентіне тәуелділігі.
C_p= 4a(1-a)^2, a=((u_0-u_1))/u_0, C_(p_max)=16/27=0.59, u_1=0 егер a=0.5 болса.
9.7 – сурет. Желдөңгелектерінеқарсықысым.
U – желағыныныңжылдамдығы; p – қысым; z – биіктік; FA - остікқысым; ∆p – қысымныңқұлдырауы.
Бұлжағдайдажелдөңгелегіқолданатынсалыстырмалықуат 8/9-дықұрайды, яғниЖЭҚПӘК 89%-ғатең. ПӘКбұлерекшеліктерінтүрлітиптегіжелқондырғыларынжасғандаескеруқажет.
Желдөңгелегінеқарсықысым (9.7 - сурет). ИдеалдысығылмайтынсұйықтықағысыБернуллитеңдеуіменсипатталады. Оныжелдиірменіөткеретінжүктіанықтауғақолданамыз. Бұлжүкжелдиірменінеқұйылыпжатқанағынқысымныңәртүрлілігінәтижесіндетуындайды, оныА1 алаңындағыөткізгішдискідепесептейміз.
(2.2)-гесәйкес
p_0/ρ_0 +〖gz〗_1+(u_0^2)/2=p_2/ρ_2 +〖gz〗_2+(u_2^2)/2. (9.18)
Қарастырылыпотырғанағымдағы Z пен p мәндеріндегіөзгерістербасқапараметрлерменсалыстырғандааз, сондықтаноныбылайжазамыз:
∆p=p_0-p_2=(u_0^2-u_2^2)ρ/2 (9.19)
Мұндағы ∆p - дискідегістатикалыққысымныңқұлдырауы; рu2 /2 – динамикалыққысым. Қысымныңмаксималдықұлдырауы u2=0 жағдайындаболады:
〖∆p〗_max=(ρu_0^2)/2 (9.20),
Алжелдөңгелегінеәсеретеінмаксималдыжүк:
F_(A_max)=(ρA_1 u_0^2)/2. (9.21)
Горизонтальостіқұрылғылардабұлжүкжелдөңгелегібағытындажұмысжасайды, сөйтіпонықарсылыққысымыдепаталады.
Желдөңгелегінеәсеретушікүшқұйылыпжатқанағынныңқозғалыссаныныңжылдамдықөзгерісінетең:
F_A=m ̇(u_0-u_2) (9.22).
(9.8) және (9.11), (9.13) қолданаотырыпаламыз:
F_A=(ρA_1 u_1)(2u_0 a)=ρA_1 (1-a) u_0 (2u_0 a)=(pA_1 u_0^2)/2 4a(1-a). (9.23)
Қолданылыпжүргенмоделдегі (pA_1 u_0^2)/2 мүшесіА1 аймағындағыөткізгішдискідежүріпжатқанағынкүшінетең. Желдөңгелгінеәсеретушікүштібылайжазамыз:
F_A=C_F ρA_1 u_0^2/2
МұндағыСF қарсылыққысымыныңкоэффициенті. (9.23)-теншығады:
C_F=4a(1-a) (9.24).
(9.13)-кесәйкес
a=((u_0-u_1))/u_0 =((u_0-u_2))/(2u_0) (9.25).
Мұндағыа=1/2 СF –тіңмаксималдымәнгеиеболады, ол u0=0 мәнінесәйкес. БетцкритерийібойыншамаксималдыжелдөңгелегініңмаксималдыПӘКа=1/3 болғандаболады, олсәйкесіншеСF=8/9-ғатең.
Шектікэффектілерүшінөткізбейтіндискідегіқарсылыққысымыныңкоэффициенті 1-денасыпкетеді, яғни 1,2 болады. Осындақолданылыпотырғансызықтықтеорияөткізбейтінпластикалыжелқұрылғыларыжайлыболжамдардыңақталғанынкөрсетеді. Бұданбасқақалақтарарасындаауытқымағанауаағыныныңқозғалысыжайлыболжамқанағаттандырмады. МұндайболжамдаржелағынынамаксималдықарсылықкөрсететінжоғарыПӘКбаржелдөңгелектеріменжұмысістегендемықтыболады.
(9.23)-тегі A_1 u_0^2/2 мүшесіменсәйкесжелжүгіжелжылдамдығыартқандадереуөсебастайды. Желдөңгелегі 15-20м/с-танартықжелжылдамдығыныңжүгінкөтереалмайды. Олардыңбұзылуыжайлыескертуүшінжелдөңгелектерініңбұрылысынжәнеоныңқалақшаларынөшіреді, алынатынқуатазайтылады, сәйкесіншеқарсылыққысымыазаяды; желдөңгелегіндемұндайжылдамдықтажелболғандақозғалмайтынқалақтарболады; желдөңгелегінкүшпентоқтатады. Желдөңгелегіндеқозғалмайтын, өзітоқтайтынқалақтардықолдануқұрылғынытоқтатудыңеңтиімдітәсіліжәнеарзанғатүседі. БірақмұндайжағдайдажақсыжелдікжағдайболғандаүнеміжоғарыКПДалумүмкінемес.
Желдөңгелегініңмаксималдымоменті (9.26): (9.27): (9.28)
Жалпыжағдайдаайналумоментін (9.29) Стайналумоментінінкоэффиценті
Желдөңгелігініңжеделжүружылдамдығы (9.30) ώбұрыштықжылдамдық
9.28 формуласында R өзгертіп 9.30 дан (9.31) Р0 желағыныныңқуаты
Біліктегіқуат (9.32)
(9.33)
Бетцкритерийі (9.34)
9.8 – сурет. Cr айналымсәтінің Z-жылдамжүрукоэффициентінетәуелділігі(жоғарыгеометикалықтолығу – 1, төмен – 2, Бетцкритерийі - 3).
9.9 – сурет. Қарсылыққысымынқолданатынжәнесерпілетінпластиканыңорынауыстырыптұратынбауынабекітілгенқұрылымнантұратынжелқондырғысыныңсызбасы.
9.8 – суреттенағызжелқұрылғыларыныңсипаттамаларыберілген. Суреттенгеометрикалықтолығуыкөпболатынжелдөңгелегініңайналымсәтіжелдіңтөменжылдамдығындадаүлкенболатынынбайқаймыз, алгеометрикалықтолығуыазжелдөңгелектерініңайналымсәтікішкентай, тіптікейдеөзеркіменайналаалмайқалады. Сәткэоэффициенті Z мәнініңөсуіменсәттіңөзі 0-гетеңболуымүмкін. ЕкітиптегіжелдөңгелектеріүшінСr коэффициентініңмаксималдымәнінежелжылдамдығыжоғарыболғанжағдайдажетеді. Мұндакезкелгенқарсылыққысымыжоғары, қиратыпжіберуімүмкін. АйналымсәтіменПӘК – ныңмаксималдымәніZ-тіңәртүрлімәнінебайланысты. СРқуаттылыққысымының Z-кетәуелділігі 9.4§-теқарастырылады.
Қарсылыққысымынқолданатынжелқондырғылары. Бұлтиптегіидеалдыжелқондырғысыныңжұмысбеткейлеріқұйылыпжатқанағынғапараллельдітүрдеқозғалады (9.9 - сурет). Пластинканыңалдыңғыжәнеартқыбеттеріндегіқысымныңәртүрлілігіұщындағыэффектілердіесептемегенде (9.20) өрнеккетеңболады. ЕгерАаймақтыпластинка v жылдамдығыменқозғалса, ондаоғанәсеретушімаксималдықарсылықкүшімынағантең:
F_D=(C_D ρA(u_0-υ)^2)/2. (9.36)
Дәлірекайтқандауақытбірлігіндеапластинкағаберілетінэнергиямынағантең:
P_D=F_D υ=(C_p ρA(u_0-υ)^2 υ)/2.(9.37)
Бұлэнергияныңмаксималдымәні v=u0/3 болғанжағдайдамынағантең:
P_(D_max)=4/27 C_D (ρAu_0^3)/2. (9.38)
СРқуаттылықкоэффициенті (9.15)-тенанықталады:P_(D_max)=C_p P_0=C_p ρAu_0^3/2, бұдан:
C_(p_max)=4/27 C_D. (9.39)
Кез келген Сd кооэффициентінің мәні ағып жатқан дененің формасына байланысты және 0-ден 1,5-ке дейін өзгереді. Осы Сd мәніне сйәкес Ср коэффициенті мынаған тең:
С_(p_max)≈(4/27)(1.5)=(6/27)=22% (9.40).
Бетц критерийі бойынша идеалды жел дөңгелгі бойынша қуаттылық коэффициенті 59%-ға тең. 9.4§-те көтергіш күшті пайдаланатын жел дөңгелектерінің қуаттылық коэффициенті шамамен 40%-дан жоғары болады, яғни шектік мәнге жақын. Жел дөңгелектеріне құйылып жатқан ағын бірдей болған жағдайда қарсылық күшін пайдаланатын құрылғыларда қуаттылық коэффициенті көтергіш күшті қолданатын құрылғыларға қарағанда 3 есеге аз. ПӘК-ті ұлғайту үшін қалақтар санын көбейту керек немесе бағыттаушы аппаратты қолдану керек. Бірақ бірінші тәсілді қолдану үнемі тиімді емес, себебі қалақтар өзара қатынасқанда керісінше ПӘК азаяды. Сондықтан КПД көтерудің ең тиімді жолы көтергіш күш пен қарсылық күшін бірге қолдану. Мұндай жол Савонинустың роторларында қолданылады.
9.4 Жел дөңгелегінің жұмыс режимі
Жүйріктік. Гидротурбинаға қарағанда жел дөңгелегін шексіз ауа ағыны айнала ағады, сондықтан бұл жерде жел дөңгелегінен өткен ауаны ауа ағынынан тыс жіберу мүмкіндігі жоқ, осының әсерінен жел құрылғыларының тиімділігі шектеледі. Ең маңызды шектеулердің бірі «қолданылған» ауа ағыны жел дөңгелегінен келе жатқан ауа ағынына еш кедергі жасамай кету үшін белгілі бір жылдамдыққа ие болуы керектігімен байланысты. Бетц критерийіне сәйкес жел дөңгелегі келетін ағын энергиясының 59 % ғана түрлендіре алады, ал $ 9.3 көрсетілгендей осындай энергия сыйымдылығына қол жеткізу үшін жел дөңгелегі жұмысына қажет жағдайларды бұл критерий арқылы анықтауға мүмкіндік жоқ. Бұл бөлім осы жағдайларды анықтау мен оларды сапалы талдауға арналады.
Жел ағыны энергиясының жел дөңгелегімен түрлендірудің тиімділігі екі жағдайда оптималды деңгейден төмен болады: 1) егер оның қалақтары тығыз орналасса немесе тез айналса, оның әрбір қалағы алдыңғы қалақтармен турбуленттелген ағында қозғалады; 2) егер оның қалақтары сирек орналасса немесе жел дөңгелегі ақырын айналса, ауа ағынының көп бөлігі жел дөңгелегінің көлденең қимасы арқылы өтеді, оның қалақтарымен әсерлеспейді.
Жел дөңгелегінің айналу жиілігінің максималды тиімділігіне қол жеткізу үшін жел жылдамдығына сәйкес болуы керек.
Жел дөңгелегі жұмысы тиімділігі уақыттың екі сипатынының арақатынасына тәуелді: tb уақыты, көршілес қалақ арасындағы қашықтыққа орын ауыстыру уақыты, tw уақыты, қалақтың жасайтын қатты ауытқу облысы қалақ ұзындығына тең қашықтыққа орын ауыстыру уақыты. tw уақыты қалақтың өлшемі мен формаларына тәуелді және жел жылдамдығына кері пропорционал түрде өзгереді.
W1 бұрыштық жылдамдығымен айналатын n-қалақты жел дөңгелегі үшін тән tb уақыты: tb ≈ 2π/nw. (9.41)
Қалақ жасайтын ауытқудың жел дөңгелегі жазықтығында өмір сүру tw уақыты тең: tw ≈ d/u0. (9.42)
Бұл жерде u0 – келетін ауа ағыны жылдамдығы, d – қалақ әсерінен ауытқыған облысқа тән ұзындық.
Жел дөңгелегінің жел жел энергиясын пайдалану тиімділігі келесі жағдайда максималды болады: қалақтар соңында tb ≈ tw немесе (9.41) мен (9.42) ескергенде мына жағдай орын алады: nw/u0 = 2π/d (9.43)
Жүйріктік коэффициентін пайдалана отыра (9.30)
Z = қалақ соңы жылдамдығы / жел жылдамдығы = Rw/u0. (9/44)
Және екі бөлігін жел дөңгелегі радиусына R көбейтіп, оның жұмысының максималды тиімділігін анықтайтын жағдайды аламыз:
