Ветер, как и всякое движущееся тело, обладает кинетической энергией движения. Поэтому его можно использовать как источник энергии на подобие воды.

Количество энергии движения $\mathit{A}$ равно половине произведения массы движущегося тела на его скорость $\mathit{V}$ в квадрате:

$\mathit{A}\mathit{=}\frac{\mathit{m}{\mathit{V}}^{\mathit{2}}}{\mathit{2}}$

Количество массы $\mathit{m}$ ветра, набегающего на какую либо поверхность $\mathit{F}$ за одну секунду, определяется произведением плотности воздуха $\mathit{\rho }$на поверхность $\mathit{F}$, через которую проходит ветер, и его скорость $\mathit{V}$:

$\mathit{m}\mathit{=}\mathit{\rho }\mathit{F}\mathit{V}$

Подставив это значение массы $\mathit{m}$ в выражение количества движения $\mathit{A}$, описанного выше, заметим, что энергия ветра равна:

$\mathit{A}\mathit{=}\frac{\mathit{\rho }\mathit{F}{\mathit{V}}^{\mathit{3}}}{\mathit{2}}$

Рассматривая ветроколесо пропеллерного типа заметим, что рабочая его плоскость описываемая лопастями, есть круг. Формула площади круга известна, и имеет следующий вид:

$\mathit{F}\mathit{=}\frac{\mathit{\pi }{\mathit{D}}^{\mathit{2}}}{\mathit{4}}$

Заменив значение площади $\mathit{F}$ его выражением, и подставив это выражение в определение энергии движения $\mathit{A}$, получим энергию потока воздуха за одну секунду:

$\mathit{A}\mathit{=}\frac{\mathit{\rho }\mathit{\pi }{\mathit{D}}^{\mathit{2}}{\mathit{V}}^{\mathit{3}}}{\mathit{8}}$

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) $\mathit{\xi }$, 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 $\mathit{N}$, получим:

$\mathit{N}\mathit{=}\mathit{\xi }\mathit{A}$

Заменив выражение $\mathit{A}$ его значением, получим мощность $\mathit{N}$ ветроколеса, в зависимости от его диаметра $\mathit{D}$:

$\mathit{N}\mathit{=}\frac{\mathit{\xi }\mathit{\rho }\mathit{\pi }{\mathit{D}}^{\mathit{2}}{\mathit{V}}^{\mathit{3}}}{\mathit{8}}$

Но, как правило, в ветряных установках вычисляемой величиной есть диаметр при заданной мощности, которую требуется получить.

Исходя из выше изложенного, можем определить необходимый диаметр ветряка $\mathit{D}$, для заданной мощности $\mathit{N}$:

$\mathit{D}\mathit{=}\sqrt{\frac{\mathit{8}\mathit{N}}{\mathit{\xi }\mathit{\rho }\mathit{\pi }{\mathit{V}}^{\mathit{3}}}}$

Также доказано, что мощность ветроколеса не зависит от количества лопастей. Все моменты, связанные с количеством лопастей, их формой и прочими нюансами учитывает КИЭВ $\mathit{\xi }$.

Не маловажный момент при расчёте электрической ветроустановки – потери мощности при передаче крутящего момента ${\mathit{\eta }}_{\mathit{m}\mathit{e}\mathit{h}}$ генератору, а также КПД самого генератора ${\mathit{\eta }}_{\mathit{e}\mathit{l}}$.

В таком случае, итоговое выражение для определения необходимого диаметра ветроколеса, будет иметь вид:

$\mathit{D}\mathit{=}\sqrt{\frac{\mathit{8}\mathit{N}}{\mathit{\xi }\mathit{\rho }\mathit{\pi }{\mathit{V}}^{\mathit{3}}{\mathit{\eta }}_{\mathit{m}\mathit{e}\mathit{h}}{\mathit{\eta }}_{\mathit{e}\mathit{l}}}}$

В случае установки генератора на одной оси с ветроколесом (без мультипликатора), учитываются только потери в генераторе ${\mathit{\eta }}_{\mathit{e}\mathit{l}}$. Если же с помощью ветряка будет производится только механическая работа, то учитывается только КПД трансмиссии ${\mathit{\eta }}_{\mathit{m}\mathit{e}\mathit{h}}$.

А также, всегда можно воспользоваться программой “Аэродинама”, которая учитывает все нюансы аэродинамического расчёта ветротурбины пропеллерного типа.