Чтобы объяснить разницу между классической ветряной турбиной и предлагаемой усовершенствованной, давайте на мгновение отбросим все сложности взаимодействия ветра с лопастями ветряной турбины и рассмотрим «ветряную турбину» как единое целое, объект в потоке ветра, который обладает свойством быть либо совершенно не препятствующим ветру с эффективностью 0 процентов, либо, наоборот, быть полным препятствием для ветра на 100% (сплошной диск, который блокирует прохождение через него любого воздуха).

Закон Беца (Жуковского/Ланчестера) гласит, что если «ветер прекратил движение на выходе турбины, то больше не сможет проникнуть свежий ветер; он будет заблокирован. Чтобы поддерживать движение ветра через турбину, должно быть некоторое движение ветра, пусть и небольшое, с другой стороны с некоторой скоростью ветра больше нуля. Закон Беца показывает, что по мере того, как воздух проходит через определенную область, и по мере того, как скорость ветра замедляется от потери энергии до извлечения из турбины, воздушный поток должен распределяться на более широкую область. В результате геометрия ограничивает максимальную эффективность любой турбины». Таким образом, максимальная энергия, которую можно извлечь из идеальной ветряной турбины, ограничена 59,3%.

Если поместить объект в поток газа, он создаст градиент давления до и после этого объекта, и воздух вокруг него будет ускоряться, чтобы компенсировать это (отрыв потока/турбулентность). Если представить это в упрощенном 2D виде, то весь воздух, который входит в 100% диаметра объекта, должен обтекать его с более высокой скоростью из-за разницы давлений перед и за объектом.

Предположим на мгновение, что у нас есть классическая ветряная турбина с максимальной эффективностью в 59,3% при ее пиковой производительности (идеальные условия скорости ветра и аэродинамических качеств лопастей и ветряной турбины) — простыми словами, это означает не только эффективность, но и блокировку 59% в диаметре ветряной турбины. Ветер воспринимает его как препятствие, и воздух в диаметре ветряной турбины, упрощенно говоря, должен обходить его (область блокировки с замедленным потоком) с немного более высокой скоростью, которая действует как балансир, захватывая часть заторможенного потока с более высоким давлением за ветряной турбиной – давая ему дополнительный импульс для постепенной продувки этой области и возвращения ветра в ламинарный поток позади ветрогенератора.

Теперь давайте рассмотрим воздух, обходящий «препятствие», как 100% силу, которая должна выполнить некоторую работу (чтобы сохранить эффективность 59%) по ускорению заторможенного потока воздуха за ветряной турбиной. Если представить это в 2D (на рисунке ниже), то вокруг объекта есть два потока воздуха с более высокой скоростью – верхний и нижний (на самом деле в трехмерном пространстве это всего лишь один слой вокруг диаметра ветряной турбины). Если предположить, что и верхний, и нижний потоки прилагают одинаковое количество силы, захватывая воздух из потока ветра и из заторможенной зоны (упрощение), то 50% этой силы снаружи будет потрачено впустую или замедлено до преобладающей скорости ветра, и только оставшиеся 50% внутри диаметра ветрогенератора будут выполнять положительную работу, выравнивая скорость и давление потока ветра позади нее.

Посмотрим на предлагаемый метод (improved на рисунке ниже) продувки замедленного воздуха через центр ветряной турбины, снова упрощая схему с воздухом, огибающим «препятствие», как 100% силы, которая должна выполнить некоторую работу (чтобы сохранить эффективность 59%) по ускорению заторможенного потока воздуха позади ветряной турбины. В 2D-представлении мы увидим, что никакая энергия этой силы не тратится впустую – почти вся она дает дополнительный импульс заторможенной зоне за ветряной турбиной! Часть потока вокруг этого «препятствия» все еще существует, но другой градиент давления теперь направляет поток не вокруг лопастей, а через них! Этим и обуславливается рост эффективности данного метода! Когда используется вентилятор — часть извлеченной из ветра энергии должна быть преобразована в поток с более высокой скоростью, но из-за меньшего диаметра вентилятора по сравнению с диаметром основной ветряной турбины (лопастей) баланс все еще остается положительным.

Еще один момент, который следует упомянуть, — это то, как лопасти выполняют работу - 50% внешнего диаметра (верхняя часть лопасти) выполняют 90% работы из-за более высокой скорости лопасти, движущейся по воздуху в радиальном направлении, так как результирующий поток взаимодействующий с лопастью это сложение векторов скоростей набегающего потока в плоскости вращения и скорости ветра — поэтому центральная (нижняя) часть лопастей не вносит большого вклада из-за более низкой скорости в плоскости вращения.

Посмотрите видео ниже, чтобы лучше понять разницу