Ветроколесо обтекается практически неограниченным потоком воздуха, поэтому нет возможности отвести прошедший через ветроколесо поток за пределы набегающего потока, и это определенным образом ограничивает эффективность ветроустановок. Наиболее существенное ограничение связано с тем, что прошедший через ветроколесо воздушный поток должен обладать определенной скоростью, чтобы покинуть окрестность ветроколеса, не создавая помех набегающему потоку. Согласно критерию Бетца, ветроколесо может преобразовывать не более 59% энергии набегающего потока, но представленный ранее вывод этого критерия не позволяет определить условий работы ветроколеса, необходимых для достижения такого энергосъема. Рассмотрим подробно определение этих условий и их качественный анализ.
Эффективность преобразования ветроколесом энергии ветрового потока (см. рис. 9.13) будет ниже оптимальной, если:
1. лопасти расположены так тесно, или ветроколесо вращается так быстро, что каждая лопасть движется в потоке, турбализованном расположенными впереди лопастями;
2. лопасти расположены так редко, или ветроколесо вращается так медленно, что значительная часть воздушного потока будет приходить через поперечное сечение ветроколеса, практически не взаимодействуя с его лопастями.
Рисунок 9.13 – Взаимодействие ветрового потока с ветроколесом при различной частоте его вращения:
а) частота вращения мала, поэтому часть ветрового потока проходит через плоскость ветроколеса, не взаимодействуя с его лопастями; б) частота вращения оптимальна, весь поток взаимодействует с ветроколесом; в). частота вращения слишком велика, в этом случае ветровой поток интенсивно турбулизуется, т.е. его энергия рассеивается
Отсюда следует, что для достижения максимальной эффективности частоты вращения ветроколеса заданной геометрии она (частота) должна соответствовать скорости ветра.
Эффективность работы ветроколеса зависит от соотношения двух характерных видов времени: времени 
, за которое лопасть перемещается на расстояние, отделяющее ее от соседней лопасти, и времени 
, за которое создаваемая лопастью область сильного возмущения переместится на расстояние, равное её характерной длине.
Время зависит от размера и формы лопастей и изменяется обратно пропорционально скорости ветра.
Характерное время для n-лопастного ветроколеса, вращающегося с угловой скоростью 
, равно:
. (9.32)
Характерное время существования в плоскости ветроколеса, создаваемого лопастью возмущения , примерно равно:
, (9.33)
где 
– скорость набегающего потока воздуха; 
– характерная длина возмущений лопастью области.
Эффективность использования ветроколесом энергии ветра максимальна, когда на конце лопастей выполняется условие 
, или, с учетом (9.32) и (9.33), получим:
. (9.34)
Применяя выражение для коэффициента быстроходности
(9.35)
и умножая обе части (9.34) на радиус ветроколеса 
, получаем условие, определяющее максимальную эффективность его работы:
. (9.36)
Из общих соображений следует ожидать, что 
, и при 
»1 оптимальная быстроходность ветроколеса будет:
. (9.37)
Опыт и практика показывает, что в действительности »0,5, поэтому для n–лопастного ветроколеса оптимальная быстроходность
. (9.38)
Например, для двухлопастного ветроколеса коэффициент мощности 
максимален при 
, а для четырехлопастного – при 
.
Приведенные выше рассуждения не совсем строги, но, тем не менее, полученные с их помощью результаты вполне достоверны. Например, у ветроколеса, с тщательно спрофилированными лопастями, оптимальный коэффициент быстроходности примерно на треть выше данного формулой (9.38).
В общем случае условием максимально эффективной работы конкретного ветроколеса является обеспечение постоянства оптимального для него угла атаки 
при любой скорости ветра.
При выводе критерия Бетца не учитывались динамические эффекты взаимодействия потока с ветроколесом. Одним из наиболее ценных здесь результатов является критерий Глауэрта, связывающий максимальное значение коэффициента мощности с быстроходностью 
. На рис. 9.14 представлены критерии Бетца и Глауэрта, а также зависимость от для различных типов ветроколес. При проектировании очень быстроходных колес следует учитывать, что скорость обтекания концов лопастей должна быть меньше скорости звука (330 м/с) – во избежание образования ударных волн, что возможно, например, для достаточно совершенного двухлопастного ветроколеса при скорости ветра порядка 50 м/с.
Быстроходность ветроколеса является, пожалуй, самым важным для их характеристики параметром, зависящим от трех основных переменных: радиуса ометаемой ветроколесом окружности, его угловой скорости вращения и скорости ветра. Как безразмерная величина, он является основным параметром подобия при исследовании и конструировании ВЭУ.
Рисунок 9.14 – Зависимость коэффициента мощности от быстроходности :
1 – критерий Бетца; 2 – критерий Глауэрта; 3 – трехлопастное колесо; 4 – двухлопастное; 5 – вертикальноосевые колеса типа Дарье; 6 – многолопастные ветроколеса; 7 – ротор Савониуса