Ротор Савониуса: описание, принцип работы. Ветрогенератор с вертикальной осью вращения

Преобразование энергии ветра - один из способов получения дешевого электричества. Существует множество конструкций ветрогенераторов. Одни из них рассчитаны на максимальную эффективность, другие - неприхотливы в использовании. Ко второй группе относится ротор Савониуса, созданный около 100 лет назад, он до сих пор с успехом применяется для решения разных технических задач.

История создания

Сигурд Йоханнес Савониус (1884 - 1931) - изобретатель из Финляндии, получил известность благодаря работам по физике, связанным с изучением энергии ветра. За свою жизнь получил несколько патентов, которые применяются не только для создания ветрогенераторов, но и в судостроении, а также в системах вентиляции современных железнодорожных вагонов и автобусов.

Другой изобретатель из Германии - Антон Флеттнер (1888 - 1861) в начале прошлого века придумал альтернативу классическому парусу, создав, так называемый, ротор Флеттнера. Суть изобретения сводилась к следующему: вращающийся цилиндр, обдуваемый ветром, получал направленную в горизонтальном направлении силу, превышающую в 50 раз силу воздушного потока. Благодаря этому открытию было построено несколько морских судов, использующих для движения силу ветра. В отличие от обычных парусников, эти суда не были полностью энергонезависимыми. Для вращения ротора нужны были двигатели.

Размышляя над парусом Флеттнера, Савониус пришел к выводу, что для его вращения можно также применить энергию ветра. В 1926 году он разработал и запатентовал конструкцию открытого цилиндра с противоположно направленными лопастями внутри.

Немного физики

Для начала немного теории. Каждый замечал, что при езде на велосипеде воздух создает значительное сопротивление движению. И чем больше скорость, тем выше эта величина. Вторым фактором, влияющим на сопротивление, является площадь сечения тела, на которое воздействует воздушный поток. Но есть еще третья величина, которая связана с геометрией тела. Именно ее стараются снизить проектировщики автомобильных кузовов, когда речь заходит об аэродинамике.

Для примера можно сказать, что три пластины с одинаковой площадью сечения, но имеющие разные формы: вогнутую, прямую и выпуклую, будут иметь сильно отличающийся коэффициент сопротивления. У выпуклой формы он будет 0,34, у прямой - 1,1, у вогнутой - 1,33. Именно вогнутая форма была взята для лопастей ротора Савониуса. Она признана наиболее эффективно принимающей энергию ветра.

Принцип работы ротора Савониуса

В отличие от паруса Флеттнера, Савониус предложил разделить цилиндр на две половины и сместить их друг относительно друга, чтобы получились лопасти и пространство между ними. Сутью идеи Савониуса было то, что поток воздуха, бьющий в одну лопасть, не просто уходил после этого в сторону, но, проходя через осевой промежуток, перенаправлялся на вторую лопасть, что значительно усиливало эффект ветра.

Такой принцип действия позволяет ротору Савониуса работать даже при слабом ветре.

Существует несколько вариантов профиля:

1. Лопасти закреплены на оси таким образом, что между ними не остается воздушного промежутка. Это самый простой вариант из многочисленных описаний ротора Савониуса.
2. Основание одной лопасти заведено внутрь основания другой. По линии оси остается значительный промежуток. Этот вариант позволяет ветру от одной половины ротора переходить на другую. Более эффективный профиль.
3. То же, что и во втором варианте, только площадь сечения лопастей увеличена за счет добавления прямой пластины на внутренней части.

Сфера применения

В 60 годах прошлого столетия роторы Савониуса применялись в вентиляционных системах железнодорожного транспорта. Они устанавливались на крышах вагонов. Во время движения ротор начинал раскручиваться и перекачивать воздух с улицы внутрь помещения. Подобные системы устанавливались и на автобусах.

Сегодня основное применение ротор находит в ветрогенераторах с вертикальной осью. Существует целый ряд подобных конструкций, которые объединяет два фактора:

• вертикальная ось вращения;
• неприхотливость к направлению ветрового потока.

Помимо вертикальных ветрогенераторов есть устройства с горизонтальной осью. Их отличает большая отдача при одинаковой силе ветра. Конструктивно они напоминают лопасти самолетных винтов, расположенных на горизонтальной оси и имеющих направляющий хвост для выравнивания по ветру.

Достоинства ветрогенератора Савониуса

Несмотря на то, что вертикально осевые роторы ветрогенераторов проигрывают в КПД горизонтально осевым, они все же имеют ряд неоспоримых преимуществ:

1. Работа в любом климатическом поясе. Благодаря малой поперечной площади они не боятся ураганных ветров.
2. Не требуют для своего запуска дополнительных приспособлений. Благодаря вогнутой форме лопастей запуск происходит при минимальных значениях ветра - 0,3 м/сек. Оптимальных значений генератор достигает при скорости воздушного потока от 5 м/сек.
3. Благодаря низкому уровню шума до 20 дБ, ветряк может быть установлен в непосредственной близости к жилью, что важно при маломощной выработке электричества и потере силы тока в проводах.
4. Не требуют определенного направления ветра. Начинают работать от воздушного потока, идущего под любым углом.
5. Простая конструкция снижает расходы на дальнейшее обслуживание.
6. Не опасны для птиц, которые воспринимают конструкцию, как единое целое и не пытаются пролететь через лопасти.

К недостаткам вертикальных ветрогенераторов можно отнести относительно низкую эффективность, более высокие расходы на материалы постройки, большие размеры, которые требуются для достижения требуемой мощности.

Как изготовить ветрогенератор своими руками

Сделать устройство, которое бы обеспечивало загородный дом полностью электроэнергией, представляется маловероятным. Однако смастерить небольшой ветряк для выработки бесплатного электричества, обеспечивающего работу маломощных устройств (насос для полива, освещение на улице перед домом, открывание автоматических ворот), по силам любому мастеру. Для этого потребуется:

• 3 алюминиевых листа с длиной стороны 33 см, толщиной около 1 мм;
• водосточная труба диаметром 15 см и длиной 60 см;
• водопроводная труба диаметром 4 см;
• электрический генератор (можно использовать автомобильный);
• фурнитура (стальные уголки, саморезы, гайки, болты).

Инструкция по изготовлению

Чтобы сделать простой ротор Савониуса, нужно:

1. Из листов алюминия вырезать 3 диска диаметром 33 см.
2. Водопроводную трубу диаметром 15 см разрезать вдоль оси, чтобы получилось 2 заготовки для лопастей. Затем каждую часть разрезать поперек посередине. Таким образом, получится 4 одинаковых лопасти по 30 см длиной.
3. По центру дисков просверлить отверстие, через которое можно вставить водопроводную трубу диаметром 4 см.
4. Соединить все три диска трубой, а между ними вставить лопасти. По две между двумя дисками. Лопасти нужно сориентировать таким образом, чтобы между их осями угол составлял 90 градусов. Это позволит даже незначительному ветру раскручивать генератор.
5. При помощи уголков и саморезов закрепить лопасти на алюминиевых дисках.
6. Запрессовать вал генератора в нижнюю часть трубы, которая является осью.

Ветрогенератор готов. Остается только выбрать место установки, которое было бы достаточно открытым для воздушных потоков. Если ветра не хватает, то можно сделать высокую мачту, на вершине которой разместить генератор.

Вертикальные ветрогенераторы заводского производства

С развитием альтернативной энергетики все больше появляется спрос на продукцию автономного электроснабжения. В настоящее время на рынке существуют ветрогенераторы российского производства, цена на которые начинается от 60 тыс. рублей.

Такие установки могут использоваться в частном секторе, удовлетворяя потребности в электричестве от 250 Вт до 250 кВт.