Ротор Савоніуса: опис, принцип роботи. Вітрогенератор з вертикальною віссю обертання

Перетворення енергії вітру – один із способів отримання дешевої електрики. Існує безліч конструкцій вітрогенераторів. Одні з них розраховані на максимальну ефективність, інші – невибагливі у використанні. До другої групи відноситься ротор Савоніуса, створений близько 100 років тому, він досі з успіхом застосовується для розв’язання різних технічних задач.

Історія створення

Сігурд Йоханнес Савониус (1884 – 1931) – винахідник з Фінляндії, здобув популярність завдяки роботам з фізики, пов’язаних з вивченням енергії вітру. За своє життя отримав кілька патентів, які застосовуються не тільки для створення вітрогенераторів, але і в суднобудуванні, а також в системах вентиляції сучасних залізничних вагонів і автобусів.

Інший винахідник з Німеччини – Антон Флеттнер (1888 – 1861) на початку минулого століття придумав альтернативу класичному вітрилу, створивши так званий ротор Флеттнера. Суть винаходу зводилася до наступного: обертовий циліндр, що обдувається вітром, отримував спрямовану в горизонтальному напрямку силу, що перевищує в 50 разів силу повітряного потоку. Завдяки цьому відкриттю було побудовано кілька морських суден, що використовують для руху силу вітру. На відміну від звичайних вітрильників, ці судна не були повністю незалежними. Для обертання ротора потрібні були двигуни.

Розмірковуючи над вітрилом Флеттнера, Савониус прийшов до висновку, що для його обертання також можна застосувати енергію вітру. У 1926 році він розробив і запатентував конструкцію відкритого циліндра з протилежно спрямованими лопатями всередині.

Трохи фізики

Для початку трохи теорії. Кожен помічав, що при їзді на велосипеді повітря створює значний опір руху. І чим більше швидкість, тим вище ця величина. Другим фактором, що впливає на опір, є площа перерізу тіла, на яке впливає повітряний потік. Але є ще третя величина, яка пов’язана з геометрією тіла. Саме її намагаються знизити проектувальники автомобільних кузовів, коли мова заходить про аеродинаміку.

Дивіться також:  Інтер'єрна сходи: види, матеріали, облаштування простору під сходами

Для прикладу можна сказати, що три пластини з однаковою площею перерізу, але мають різні форми: увігнуту, пряму і опуклу, будуть мати сильно відрізняється коефіцієнт опору. У опуклої форми він буде 0,34, у прямій – 1,1, у увігнутою – 1,33. Саме увігнута форма була взята для лопатей ротора Савоніуса. Вона визнана найбільш ефективно приймає енергію вітру.

Принцип роботи ротора Савоніуса

На відміну від вітрила Флеттнера, Савониус запропонував розділити циліндр на дві половини і змістити їх один відносно одного, щоб вийшли лопаті і простір між ними. Суттю ідеї Савоніуса було те, що потік повітря, що б’є в одну лопать, не просто йшов після цього в сторону, але, проходячи через осьовий проміжок, перенаправлявся на другу лопать, що значно посилювало ефект вітру.

Такий принцип дії дозволяє ротора Савоніуса працювати навіть при слабкому вітрі.

Існує кілька варіантів профілю:

  • Лопаті закріплені на осі таким чином, що між ними не залишається повітряного проміжку. Це найпростіший варіант з численних описів ротора Савоніуса.
  • Підстава однієї лопаті заведено всередину підстави інший. По лінії осі залишається значний проміжок. Цей варіант дозволяє вітру від однієї половини ротора переходити на іншу. Більш ефективний профіль.
  • Те ж, що і в другому варіанті, тільки площа перерізу лопатей збільшена за рахунок додавання прямий пластини на внутрішній частині.
  • Сфера застосування

    В 60 роках минулого століття ротори Савоніуса застосовувалися у вентиляційних системах залізничного транспорту. Вони встановлювалися на дахах вагонів. Під час руху ротор починав розкручуватися і перекачувати повітря з вулиці всередину приміщення. Подібні системи встановлювалися і на автобусах.

    Сьогодні основне застосування ротор знаходить в вітрогенераторах з вертикальною віссю. Існує цілий ряд подібних конструкцій, які об’єднує два фактори:

    • вертикальна вісь обертання;
    • невибагливість до напрямку вітрового потоку.
    Дивіться також:  З чим поєднується бежевий колір в інтер'єрі: класичні й оригінальні варіанти

    Крім вертикальних вітрогенераторів є пристрої з горизонтальною віссю. Їх відрізняє велика віддача при однаковій силі вітру. Конструктивно вони нагадують лопаті літакових гвинтів, розташованих на горизонтальній осі і мають направляючий хвіст для вирівнювання за вітром.

    Переваги вітрогенератора Савоніуса

    Незважаючи на те, що вертикально-осьові ротори вітрогенераторів програють в ККД горизонтально осьовим, вони все ж мають ряд незаперечних переваг:

  • Робота в будь-якому кліматичному поясі. Завдяки малій поперечної площі вони не бояться ураганних вітрів.
  • Не вимагають для свого запуску додаткових пристосувань. Завдяки вигнутій формі лопатей запуск відбувається при мінімальних значеннях вітру – 0,3 м/сек. Оптимальних значень генератор досягає при швидкості повітряного потоку від 5 м/с.
  • Завдяки низькому рівню шуму до 20 дБ, вітряк може бути встановлений в безпосередній близькості до житла, що важливо при малопотужної виробленні електрики і втрати сили струму в проводах.
  • Не вимагають певного напряму вітру. Починають працювати від повітряного потоку, що йде під будь-яким кутом.
  • Проста конструкція знижує витрати на подальше обслуговування.
  • Не небезпечні для птахів, які сприймають конструкцію, як єдине ціле і не намагаються пролетіти через лопаті.
  • До недоліків вертикальних вітрогенераторів можна віднести відносно низьку ефективність, більш високі витрати на матеріали споруди, великі розміри, які потрібні для досягнення необхідної потужності.

    Як виготовити вітрогенератор своїми руками

    Зробити пристрій, яке б забезпечувало заміський будинок повністю електроенергією, представляється малоймовірним. Однак змайструвати невеликий вітряк для вироблення безкоштовного електрики, який забезпечує роботу малопотужних пристроїв (насос для поливу, освітлення на вулиці перед будинком, відкривання автоматичних воріт), під силу кожному майстрові. Для цього потрібно:

    • 3 алюмінієвих листа з довжиною сторони 33 см, товщиною близько 1 мм;
    • водостічна труба діаметром 15 см і довжиною 60 см;
    • водопровідна труба діаметром 4 см;
    • електричний генератор (можна використовувати автомобільний);
    • фурнітура (сталеві куточки, саморізи, гайки, болти).
    Дивіться також:  Дерев'яний брус: розміри, стандарти, характеристики, застосування

    Інструкція по виготовленню

    Щоб зробити простий ротор Савоніуса, потрібно:

  • З листів алюмінію вирізати 3 диска діаметром 33 див.
  • Водопровідну трубу діаметром 15 см розрізати вздовж осі, щоб вийшло 2 заготовки для лопат. Потім кожну частину розрізати впоперек посередині. Таким чином, вийде 4 однакових лопаті по 30 см завдовжки.
  • По центру дисків просвердлити отвір, через який можна вставити водопровідну трубу діаметром 4 див.
  • З’єднати всі три диска трубою, а між ними вставити лопаті. За дві між двома дисками. Лопаті потрібно зорієнтувати таким чином, щоб між їх осями кут становив 90 градусів. Це дозволить навіть незначному вітрі розкручувати генератор.
  • За допомогою куточків і саморізів закріпити лопаті на алюмінієвих дисках.
  • Запресувати вал генератора в нижню частину труби, яка є віссю.
  • Вітрогенератор готовий. Залишається тільки вибрати місце установки, яке було б достатньо відкритим для повітряних потоків. Якщо вітру не вистачає, то можна зробити високу щоглу, на вершині якої розмістити генератор.

    Вертикальні вітрогенератори заводського виробництва

    З розвитком альтернативної енергетики все більше з’являється попит на продукцію автономного електропостачання. В даний час на ринку існують вітрогенератори російського виробництва, ціна на які починається від 60 тис. рублів.

    Такі установки можуть використовуватися в приватному секторі, задовольняючи потреби в електриці від 250 Вт до 250 кВт.