Ветряная турбина Савониуса

Тип ветряной турбины, вращающейся вокруг вертикальной оси

Ветряная турбина Савониуса в Акихабаре, Япония.

Ветровые турбины Савониуса — это тип вертикально-осевой ветровой турбины (VAWT), используемой для преобразования силы ветра в крутящий момент на вращающемся валу . Турбина состоит из ряда аэродинамических поверхностей, обычно — но не всегда — вертикально установленных на вращающемся валу или каркасе, либо на земле, либо привязанных к воздушным системам .

Источник

Ветряная турбина Савониуса была изобретена финским инженером Сигурдом Йоханнесом Савониусом в 1922 году и запатентована в 1926 году. ^{[1] [2]} Европейцы ранее экспериментировали с изогнутыми лопастями на вертикальных ветряных турбинах в течение многих десятилетий. Самое раннее упоминание принадлежит епископу округа Чанад Фаусто Веранцио , который также был инженером. В своей книге 1616 года Machinae novae он писал о нескольких ветряных турбинах с вертикальной осью и изогнутыми или V-образными лопастями. Ни один из его или других более ранних примеров не достиг уровня развития, достигнутого Савониусом. В его биографии упоминается его намерение разработать ротор турбинного типа, похожий на ротор Флеттнера , но вращающийся сам по себе. Он экспериментировал со своим ротором на различных небольших гребных судах на озерах Финляндии. Результаты его исследований неизвестны, но эффект Магнуса подтвержден ^{[ необходимо разъяснение ]} Феликсом ван Кёнигом (1978). ^[3] В США были поданы два патента на ветряные турбины Савониуса: один в 1925 году ^[4] и один в 1928 году ^[5] , поданным Савониусом.

Операция

Схематический чертеж двухлопастной турбины Савониуса

Турбина Савониуса является одной из самых простых турбин. С точки зрения аэродинамики , это устройство типа сопротивления , состоящее из двух или трех лопаток. ^[6] Если смотреть на ротор сверху, двухлопастная машина может напоминать букву «S» в поперечном сечении . Из-за кривизны лопатки испытывают меньшее сопротивление при движении против ветра, чем при движении по ветру. Дифференциальное сопротивление заставляет турбину Савониуса вращаться. Поскольку они являются устройствами типа сопротивления, турбины Савониуса извлекают гораздо меньше энергии ветра, чем другие подъемные турбины аналогичного размера. На практике большая часть ометаемой площади ротора Савониуса может находиться вблизи земли, если у него короткое крепление без удлиненной стойки, что делает общее извлечение энергии менее эффективным из-за более низких скоростей ветра, обнаруженных на более низких высотах. Они имеют несколько преимуществ по сравнению с ветряными турбинами с горизонтальной осью, в частности, низкий уровень шума, способность работать при низких скоростях ветра и относительная независимость от направления ветра. ^[7]

Мощность и скорость вращения

Согласно закону Беца , максимальная мощность, которую можно извлечь из теоретического идеального ротора , составляет , где — плотность воздуха , а — высота и диаметр ротора, а — скорость ветра. Однако на практике извлекаемая мощность составляет около половины ^[8] (можно утверждать, что в каждый момент времени работает только половина ротора — ковш, движущийся вместе с ветром) и зависит также от эффективности данного ротора. Таким образом, для теоретического идеального ротора получается , но средняя максимальная эффективность ветряной турбины Савониуса составляет около 20% ( ), ^[9] что делает реальную извлекаемую мощность типичного Савониуса . ${\displaystyle P_{\mathrm {max} }={\frac {16}{27}}{\frac {1}{2}}\rho \cdot h\cdot d\cdot v^{3}}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle P_{\mathrm {max} }\approx 0.18\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot d\cdot v^{3}}$ ${\displaystyle Cp}$ ${\displaystyle Cp=0.2}$ ${\displaystyle P_{\mathrm {max} }\approx 0.12\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot d\cdot v^{3}}$

Угловая частота ротора определяется по формуле , где — радиус, а — безразмерный фактор, называемый отношением скорости вращения лопасти к скорости вращения лопасти . λ — характеристика каждой конкретной ветряной мельницы, и для ротора Савониуса λ обычно близка к единице. ${\displaystyle \omega ={\frac {\lambda \cdot v}{r}}}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle \lambda }$

Например, ротор Савониуса размером с масляную бочку с h =1 м и р =0,5 м при ветре v =10 м/с , будет генерировать максимальную мощность120 Вт и максимальная угловая скорость20 рад/с (190 оборотов в минуту).

Использовать

Комбинированный генератор Дарье -Савониуса на Тайване

Турбины Савониуса используются в тех случаях, когда стоимость или надежность гораздо важнее эффективности .

По этой причине большинство анемометров являются турбинами Савониуса, поскольку эффективность не имеет значения для измерения скорости ветра. Гораздо более крупные турбины Савониуса использовались для выработки электроэнергии на глубоководных буях , которым требуется небольшое количество энергии и очень малое обслуживание. Конструкция упрощена, поскольку, в отличие от ветровых турбин с горизонтальной осью ( HAWT ), не требуется направляющего механизма для изменения направления ветра, а турбина является самозапускающейся. Машины Савониуса и другие машины с вертикальной осью подходят для перекачивания воды и других применений с высоким крутящим моментом и низкими оборотами и обычно не подключаются к электросетям. В начале 1980-х годов Ристо Йоутсиниеми разработал версию с винтовым ротором (wiki:fi), которая не требует концевых пластин, имеет более плавный профиль крутящего момента и самозапускается так же, как и скрещенная пара прямых роторов. ^{[ требуется цитата ]}

Наиболее распространенным применением ветряной турбины Савониуса является вентилятор Флеттнера , который обычно можно увидеть на крышах фургонов и автобусов ^{[ где? ]} и который используется в качестве охлаждающего устройства. Этот ротор был разработан для вентиляции немецким авиаинженером Антоном Флеттнером в 1920-х годах. ^[10] Он использует ветряную турбину Савониуса для привода вытяжного вентилятора. Вентиляционные отверстия до сих пор производятся в Великобритании компанией Flettner Ventilator Limited. ^[11]

Специально сконструированные ветровые турбины Савониуса использовались для обеспечения электроэнергией автономных станций нейтринных детекторов эксперимента ARIANNA на шельфовом леднике Росса в Антарктиде . ^[12]

В Европе небольшие ветровые турбины Савониуса иногда можно увидеть в качестве «анимированных» рекламных вывесок, в которых вращательное движение помогает привлечь внимание к рекламируемому предмету. Иногда они демонстрируют простую двухкадровую анимацию . ^{[ необходима цитата ]}

Привязные воздушные турбины Савониуса

• Воздушные ветровые турбины
• Типы воздушных змеев
• Когда ось ротора Савониуса установлена ​​горизонтально и привязана, то получается кайтинг ^{[ необходимо разъяснение ]} . Существует множество патентов и продуктов, которые используют эффект Магнуса , возникающий при авторотации ротора Савониуса. Часть энергии вращения может быть извлечена для создания звука, тепла или электричества.

Галерея

• 
  Работа турбины Савониуса
• 
  Лопасти ротора Савониуса WECS

Ссылки

1. Солари, Джованни (2019). Ветровая наука и техника: истоки, разработки, основы и достижения. Springer. стр. 570. ISBN 9783030188153.
2. Оуэнс, Брэндон Н. (2019). История ветроэнергетики: век инноваций, изменивших глобальный энергетический ландшафт. John Wiley & Sons . стр. 102. ISBN 9781118794180.
3. Феликс ван Кениг (1978). Энергия ветра в практических целях. Пфример. ISBN 3-7906-0077-6.
4. US1697574
5. US1766765
6. Дюваль, Джордж (24 июля 2021 г.). «В чем разница между вертикальными и горизонтальными ветряными турбинами?». Semprius . Получено 11 ноября 2021 г.
7. «Усовершенствованная ветровая турбина Савониуса улавливает ветер в городах». ScienceDaily. 20 мая 2016 г. Получено 11 ноября 2021 г.
8. "Повышение эффективности роторов Савониуса посредством параметрического исследования". ResearchGate . Получено 2017-06-02 .
9. "Повышение эффективности роторов Савониуса с помощью параметрического исследования". ResearchGate . Получено 20.08.2022 .
10. Freehill-Maye, Lynn (1 декабря 2020 г.). «Вращающиеся паруса помогают возродить ветряное судоходство». Scientific American . Получено 11 ноября 2021 г.
11. Флеттнер
12. Неллес, Анна; от имени коллаборации ARIANNA (2021-07-02). «Ветровая турбина для автономных станций радиообнаружения нейтрино». Труды 36-й Международной конференции по космическим лучам — PoS(ICRC2019) . Том 358. SISSA Medialab. стр. 968. doi : 10.22323/1.358.0968 .

Внешние ссылки

• Создайте свою собственную модель ветряной турбины Савониуса
• Ветровые турбины типа Савониуса Windside для использования в экстремальных условиях
• Турбины Савониуса для динамических сред www.spinpower.org
• Как построить ветрогенератор Савониуса

• Представления об энергии ветра для полных идиотов