Savonijev rotor: opis in načelo delovanja. Vetrna turbina z navpično osjo

Pretvarjanje vetrne energije je eden od načinov pridobivanja poceni električne energije. Obstajajo številne zasnove vetrnih turbin. Nekateri so zasnovani za največjo učinkovitost, drugi so nezahtevni za uporabo. Savonijev rotor, ki je bil izumljen pred približno 100 leti, je druga skupina motorjev, ki se še vedno lahko uporablja za številne tehnične naloge.

Zgodovina stvarjenja

Sigurd Johannes Savonius (1884-1931) je bil finski izumitelj, najbolj znan po svojem pionirskem delu na področju fizike vetrne energije. V svojem življenju je prejel več patentov, ki se ne uporabljajo le pri gradnji vetrnih turbin, temveč tudi v ladjedelništvu ter pri prezračevalnih sistemih za sodobne železniške vagone in avtobuse.

Še en nemški izumitelj, Anton Flettner (1888-1861), je v začetku prejšnjega stoletja izumil alternativo klasičnemu jadru, tako imenovani Flettnerjev rotor. Bistvo izuma je bilo naslednje: vrteči se valj, ki ga poganja veter, prejema vodoravno silo, ki je 50-krat večja od sile vetrnega toka. Na podlagi tega odkritja so zgradili več ladij, ki so za pogon uporabljale veter. Za razliko od običajnih jadrnic ta plovila niso bila popolnoma energetsko neodvisna. Za vrtenje rotorja so bili potrebni motorji.

Med razmišljanjem o Flettnerjevem jadru je Savonius prišel do zaključka, da bi lahko vetrno energijo uporabili tudi za njegovo vrtenje. Leta 1926 je razvil in patentiral odprt valj z nasprotnimi lopaticami v notranjosti.

Nekaj fizike

Najprej nekaj teorije. Vsakdo je opazil, da med vožnjo s kolesom zrak ustvarja precejšen upor pri gibanju. Večja kot je hitrost, večja je vrednost. Drugi dejavnik, ki vpliva na zračni upor, je površina prereza telesa, na katero vpliva zračni tok. Obstaja še tretji dejavnik, ki je povezan z geometrijo telesa. To skušajo oblikovalci karoserij zmanjšati, ko gre za aerodinamiko.

Na primer, tri plošče z enako površino prečnega prereza, vendar različnih oblik: konkavne, ravne in konveksne, bodo imele zelo različen koeficient zračnega upora. Pri konveksni obliki je 0,34, pri ravni obliki 1,1, pri konkavni obliki pa 1,33. Konkavna oblika je bila uporabljena za lopatice rotorja Savonius. Velja za najučinkovitejši način zajemanja vetrne energije.

Načelo Savonijevega rotorja

V nasprotju s Flettnerjevim jadrom je Savonius predlagal, da se valj razdeli na dve polovici, ki se medsebojno premikata, da se oblikujejo lopatice in prostor med njimi. Bistvo Savoniusove zamisli je bilo, da se zračni tok, ki zadane eno lopatico, ne spusti na stran, temveč se skozi osni razmik preusmeri na drugo lopatico, kar močno okrepi učinek vetra.

To načelo delovanja omogoča, da rotor Savonius deluje tudi ob šibkem vetru.

Obstaja več različic profila:

1. Lopatice so nameščene na osi tako, da med njimi ni zračne reže. To je najpreprostejši od številnih opisov Savonijevega rotorja.
2. Podstavek enega rezila se zapiči v podstavek drugega rezila. Na osi je še vedno velika vrzel. Ta možnost omogoča, da veter z ene polovice rotorja prehaja na drugo polovico. Učinkovitejši profil.
3. Enako kot pri drugi različici, le da se prerez lopatic poveča z dodajanjem ravne plošče na notranji strani.

Področje uporabe

V šestdesetih letih so se Savoniusovi rotorji uporabljali v prezračevalnih sistemih za železnice. Namestili so jih na strehe vozov. Med premikanjem se rotor začne odvijati in črpati zrak od zunaj v prostor. Podobni sistemi so nameščeni na avtobusih.

Danes se rotor uporablja predvsem v vetrnih turbinah z navpično osjo. Obstaja več podobnih modelov, ki imajo dva skupna dejavnika

• navpična os vrtenja;
• Nepretencioznost smeri toka vetra.

Poleg vetrnih turbin z navpično osjo obstajajo tudi vetrne turbine z vodoravno osjo. Zanje je značilna velika moč pri enaki moči vetra. Strukturno so podobne lopaticam letalskega propelerja, ki so razporejene na vodoravni osi z vodilnim repom za izravnavo v smeri vetra.

Prednosti vetrne turbine Savonius

Čeprav imajo vertikalni rotorji vetrnih turbin manjšo učinkovitost kot horizontalni rotorji, imajo še vedno številne nesporne prednosti:

1. Delovanje v katerem koli podnebnem območju. Zaradi majhnega prečnega prereza so neobčutljivi na nevihtne vetrove.
2. Za zagon ne potrebuje dodatnih naprav. Konkavna oblika lopatic omogoča majhno hitrost vetra, ki znaša približno 0,3 m/s. Generator doseže optimalne vrednosti pri hitrosti zraka 5 m/s ali več.
3. Zaradi nizke ravni hrupa do 20 dB je vetrno turbino mogoče namestiti v bližini hiše, kar je pomembno za proizvodnjo električne energije z majhno močjo in izgubo toka v žici.
4. Ne zahtevajo določene smeri vetra. Začne se z zračnim tokom, ki prihaja iz kateregakoli kota.
5. Enostavna konstrukcija zmanjšuje stroške vzdrževanja.
6. Ni nevaren za ptice, ki strukturo dojemajo kot celoto in ne poskušajo preleteti lopatic.

Slabosti vertikalnih vetrnih turbin so razmeroma nizka učinkovitost, višji stroški materiala za gradnjo, velika velikost, ki je potrebna za doseganje zahtevane moči.

Kako izdelati vetrni generator z lastnimi rokami

Izdelati napravo, ki bi podeželski hiši zagotovila popolno električno energijo, se zdi malo verjetno. Vendar, da bi majhno vetrno turbino za proizvodnjo brezplačne električne energije za zagon naprav z majhno močjo (črpalka za namakanje, razsvetljava na ulici pred hišo, odpiranje avtomatskih vrat), na moči katerega koli mojstra. Potrebni so naslednji elementi

• 3 aluminijaste plošče z dolžino stranice 33 cm, debele približno 1 mm;
• Cev za odtoke premera 15 cm in dolžine 60 cm;
• Vodovodna cev premera 4 cm;
• Električni alternator (lahko uporabite avtomobilski alternator);
• Fitingi (jekleni kotniki, samorezni vijaki, matice, vijaki).

Navodila za gradnjo

Za izdelavo preprostega Savonijevega rotorja potrebujete:

1. Iz aluminijaste pločevine izrežite 3 krožnike s premerom 33 cm.
2. Vodovodno cev premera 15 cm prerežite vzdolž osi, da dobite 2 polproizvoda vesla. Nato vsak kos na sredini prečno prerežite. Tako dobimo 4 enaka rezila, vsako dolgo 30 cm.
3. Na sredini diskov izvrtajte luknjo, skozi katero lahko vstavite vodovodno cev premera 4 cm.
4. Tri diske povežite s cevjo in mednje vstavite rezila. Med diska vstavite po dve rezili. Rezila morajo biti usmerjena tako, da je kot med njihovimi osmi 90 stopinj. Tako lahko generator zavrti že majhen veter.
5. Za pritrditev rezil na aluminijaste diske uporabite kotnike in samorezne vijake.
6. Potisnite gred generatorja v spodnji del cevi, ki je os.

Vetrni generator pripravljen. Treba je le izbrati kraj namestitve, ki bo dovolj odprt za zračne tokove. Če ni dovolj vetra, je mogoče izdelati visok jambor, na katerega se postavi generator.

Tovarniško izdelani navpični vetrni generatorji

Z razvojem alternativna energija narašča povpraševanje po proizvodih za napajanje brez omrežja. Trenutno so na trgu vetrne turbine, izdelane v Rusiji, katerih cena se začne pri 60 tisoč. rubljev.

Ti sistemi se lahko uporabljajo v zasebnem sektorju in pokrivajo potrebe po električni energiji od 250 W do 250 kW.