При расчёте возможностей ветродвигателей необходимо учитывать энергию ветра, которая будет вращать генератор. Величина этой энергии зависит в основном от размеров ветряка и скорости ветра. Фактически полученная электрическая энергия от ветродвигателя зависит от конструкции ветряка, потерь и режима работы системы.

Ветер образуется из-за неравномерного прогрева солнцем земной поверхности и воздушных масс. Воздух раной температуры имеет различную плотность, что вызывает как вертикальные, так и сложные горизонтальные перемещения воздуха. Как и всякое движущиеся тело, воздух обладает кинетической энергией, которая используется для привода в движение ветродвигателей.

Кинетическая энергия Т, которой обладает воздушный поток зависит от его массы m и скорости v и может быть определена по формуле:

Если в эту формулу подставить значение массы воздуха, протекающей через ветровое колесо за 1 секунду, то получим выражение для секундной энергии потока, или, что то же самое, для его мощности:

Где:   массовая плотность воздуха, равная при температуре 15⁰С и давлении 760 мм ртутного столба 0,125 кгс²/м⁴;

ометаемая ветроколесом поверхность (м);

V – скорость ветра (м/с);

γ – удельный вес, т.е. вес одного кубического метра воздуха (кг/м²)

g – ускорение земного тяготения, равное 9,81 м²/с²;

D – диаметр ветроколеса (м)

Из этой формулы видно, что секундная энергия или мощность потока пропорциональна кубу скорости, т.е. если скорость ветра увеличилась, например, в два раза, то энергия воздушного потока увеличилась в 2³ = 8 раз.

Мощность, развиваемая ветродвигателем, изменяется также пропорционально квадрату диаметра ветроколеса, т.е. при увеличении диаметра в два раза, мощность при той же скорости ветра увеличится в 4 раза.

Однако в механическую можно превратить только часть энергии потока, протекающей через ветроколесо. Другая часть энергии теряется на трение и различные потери, так как ветроколесо оказывает сопротивление движению воздушных частиц. Кроме того, значительная часть энергии содержится в потоке, уже прошедшем через ветроколесо. Это объясняется тем, что поток за ветроколесом также имеет некоторую скорость.

Число показывающее, какая часть мощности воздушного потока полезно используется ветроколесом, называется коэффициентом использования энергии ветра и обозначается ξ.

Мощность ветродвигателя на валу ветроколеса , т.е. без учёта потерь в передачах и подшипниках, может быть подсчитана по формуле:

Величина коэффициента использования энергии ветра ξ прежде всего зависит от типа ветродвигателя, формы его крыльев и качества их изготовления, а также от ряда других факторов.

Для лучших быстроходных ветродвигателей, имеющих крылья обтекаемого аэродинамического профиля, ξ – от 0,42 до 0,46. Это означает, что ветроколёса таких ветродвигателей могут полезно использовать, т.е. превращать в механическую работу 42% - 46% энергии, которой обладает ветровой поток, проходящий через ветроколесо. Для тихоходных ветродвигателей с большим количеством лопастей, значения ξ могут быть в пределах от 0,27 до 0,33. Наибольший коэффициент использования энергии ветра ветроколесо имеет лишь при определённой быстроходности, т.е. для каждой скорости ветра имеется одно единственное число оборотов, при котором мы получаем максимальный ξ. Максимальное значение теоретического коэффициента использования энергии ветра у идеальных крыльчатых ветродвигателей равно 0,593.

Крыльчатые ветродвигатели делятся на быстроходные (малолопастные), с числом лопастей до 4-х и тихоходные имеющие больше 4-х лопастей. Быстроходовые ветродвигатели имеют более простую передачу к генератору электрической энергии, несколько проще в изготовлении и легче по весу. Их недостаток в том, что для начала движения ветряка, им нужна довольно большая скорость, 3-4 м/с.

Тихоходные ветродвигатели имеют больший момент вращения и начинают работу при меньшей скорости ветра. При малых скоростях, как видно из таблицы, энергия ветра намного меньше, поэтому общий прирост энергии небольшой. У тихоходных ветряков обычно больше потери в редукторе, такие ветряки менее устойчивы при очень больших ветрах, поэтому получили меньшее распространение, чем быстроходные.

С использованием материалов из книги А.И. Мозговой «Ветроэнергетика. Энергонакопительная техника» и Г.Ф. Бычтрицкий "Общая энергетика".