Ветряная турбина Савониуса

Ветряные турбины Савониуса — это тип ветряных турбин с вертикальной осью (VAWT), используемых для преобразования силы ветра в крутящий момент на вращающемся валу . Турбина состоит из нескольких аэродинамических крыльев, обычно (но не всегда) вертикально установленных на вращающемся валу или каркасе, либо наземном, либо привязанном к бортовым 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 на протяжении многих десятилетий. Самое раннее упоминание принадлежит епископу округа Чанад , Фаусто Веранцио который также был инженером. В своей книге Machinae novae 1616 года он написал о нескольких ветряных турбинах с вертикальной осью и изогнутыми или V-образными лопастями. Ни один из его или других более ранних примеров не достиг того уровня развития, которого достиг Савоний. В его биографии есть упоминание о его намерении разработать ротор турбинного типа, аналогичный ротору Флеттнера , но самовращающийся. Он экспериментировал со своим ротором на различных небольших гребных судах на озерах Финляндии. Результаты его исследований неизвестны, но эффект Магнуса подтвержден. ^{[ нужны разъяснения ]} Феликса ван Кенига (1978). ^[3] В США были поданы два патента Савониуса на ветряные турбины: один в 1925 году. ^[4] и один в 1928 году, ^[5] Савониуса.

Операция

Турбина Савониуса — одна из простейших турбин. Аэродинамически это устройство тормозного типа, состоящее из двух или трех лопастей. ^[6] Если посмотреть на ротор сверху, машина с двумя лопастями может напоминать в поперечном сечении букву «S» . Из-за кривизны ковши испытывают меньшее сопротивление при движении против ветра, чем при движении против ветра. Дифференциальное сопротивление заставляет турбину Савониуса вращаться. ветра, Поскольку турбины Савониуса представляют собой устройства тягового типа, они извлекают гораздо меньше энергии чем другие турбины подъемного типа аналогичного размера. На практике большая часть рабочей площади ротора Савониуса может находиться у земли, если он имеет короткое крепление без удлиненной стойки, что делает общий отбор энергии менее эффективным из-за более низких скоростей ветра, наблюдаемых на меньших высотах. Они имеют ряд преимуществ перед ветроэнергетическими установками с горизонтальной осью, в частности, низкий уровень шума, возможность работы при небольших скоростях ветра и относительную независимость от направления ветра. ^[7]

Мощность и скорость вращения

Согласно закону Бетца , максимальная мощность, которую можно извлечь из теоретического идеального ротора, равна $P_{\mathrm {max} }={\frac {16}{27}}{\frac {1}{2}}\rho \cdot h\cdot d\cdot v^{3}$ , где $\rho$ плотность воздуха , $h$ и $d$ высота и диаметр ротора и $v$ это скорость ветра. Однако на практике извлекаемая мощность составляет примерно половину этой мощности. ^[8] (можно утверждать, что в каждый момент времени работает только одна половина ротора — ковш, движущийся вместе с ветром) и зависит также от КПД данного ротора. Таким образом, для теоретического идеального ротора получаем $P_{\mathrm {max} }\approx 0.18\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot d\cdot v^{3}$ , но средний максимальный КПД $Cp$ ветротурбины Савониуса составляет около 20% ( $Cp=0.2$ ), ^[9] создание реальной извлекаемой силы типичного Савониуса $P_{\mathrm {max} }\approx 0.12\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot d\cdot v^{3}$ .

Угловая частота ротора определяется выражением $\omega ={\frac {\lambda \cdot v}{r}}$ , где $r$ это радиус и $\lambda$ – это безразмерный коэффициент, называемый коэффициентом скорости наконечника . λ является характеристикой каждой конкретной ветряной мельницы, а для ротора Савониуса λ обычно около единицы.

Например, ротор Савониуса размером с бочку с нефтью с h = 1 м и r = 0,5 м при ветре v = 10 м/с будет генерировать максимальную мощность 120 Вт и максимальную угловую скорость 20 рад/с ( 190 оборотов в минуту).

Использовать

Турбины Савониуса используются там, где стоимость или надежность намного важнее эффективности .

По этой причине большинство анемометров представляют собой турбины Савониуса, поскольку эффективность не имеет значения для применения измерения скорости ветра. Гораздо более крупные турбины Савониуса использовались для выработки электроэнергии на глубоководных буях , которым требуется небольшое количество энергии и практически не требуется техническое обслуживание. Конструкция упрощена, поскольку, в отличие от ветряных турбин с горизонтальной осью ( HAWT ), не требуется механизма наведения, обеспечивающего изменение направления ветра, и турбина запускается автоматически. Савониус и другие машины с вертикальной осью подходят для перекачивания воды и других задач с высоким крутящим моментом и низкими оборотами и обычно не подключаются к электросетям. В начале 1980-х годов Ристо Йоутсиниеми разработал версию винтового ротора (wiki:fi) , которая не требует концевых пластин, имеет более плавный профиль крутящего момента и автоматически запускается таким же образом, как и скрещенная пара прямых роторов. ^{[ нужна ссылка ]}

Наиболее распространенным применением ветряной турбины Савониуса является вентилятор Флеттнера , который обычно можно увидеть на крышах фургонов и автобусов. ^{[ где? ]} и используется как охлаждающее устройство. 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 по-прежнему производятся в Великобритании компанией Flettner Ventilator Limited. ^[11]

Специально сконструированные ветряные турбины Савониуса использовались для обеспечения электроэнергией автономных нейтрино станций детектора в эксперименте ARIANNA на шельфовом леднике Росса в Антарктиде . ^[12]

В Европе небольшие ветряные турбины Савониуса иногда можно увидеть в качестве «анимационных» рекламных вывесок, в которых вращательное движение помогает привлечь внимание к рекламируемому товару. Иногда они содержат простую двухкадровую анимацию . ^{[ нужна ссылка ]}

Привязные бортовые турбины Савониуса

Воздушные ветряные турбины
Типы воздушных змеев
Когда ось ротора Савониуса установлена горизонтально и привязана, то кайтинг ^{[ нужны разъяснения ]} результаты. Существует множество патентов и продуктов, в которых используется эффект Магнуса чистой подъемной силы , возникающий при авторотации ротора Савониуса. Часть энергии спина можно использовать для создания звука, тепла или электричества.

Галерея

Работа турбины Савониуса
WECS с лопастями ротора Савониуса

Ссылки

^ Солари, Джованни (2019). Наука и техника ветра: истоки, развитие, основы и достижения . Спрингер. п. 570. ИСБН 9783030188153 .
^ Оуэнс, Брэндон Н. (2019). История ветроэнергетики: век инноваций, изменивших глобальный энергетический ландшафт . Джон Уайли и сыновья . п. 102. ИСБН 9781118794180 .
^ Феликс ван Кениг (1978). Энергия ветра в практическом использовании . Пфример. ISBN 3-7906-0077-6 .
^ US1697574
^ US1766765
^ Дюваль, Джордж (24 июля 2021 г.). «В чем разница между вертикальными и горизонтальными ветряными турбинами?» . Семприус . Проверено 11 ноября 2021 г.
^ «Улучшенная ветряная турбина Савониуса улавливает ветер в городах» . ScienceDaily. 20 мая 2016 г. Проверено 11 ноября 2021 г.
^ «Повышение эффективности роторов Савониуса путем параметрического исследования» . Исследовательские ворота . Проверено 2 июня 2017 г.
^ «Повышение эффективности роторов Савониуса путем параметрического исследования» . Исследовательские ворота . Проверено 20 августа 2022 г.
^ Фрихилл-Мэй, Линн (1 декабря 2020 г.). «Вращающиеся паруса помогают возродить судоходство с помощью ветра» . Научный американец . Проверено 11 ноября 2021 г.
^ Флеттнер
^ Неллес, Анна; от имени коллаборации ARIANNA (02.07.2021). «Ветротурбина для автономных станций радиообнаружения нейтрино» . Материалы 36-й Международной конференции по космическим лучам — PoS(ICRC2019) . Том. 358. SISSA Medialab. п. 968. дои : 10.22323/1.358.0968 .

Внешние ссылки

Представления о ветроэнергетике для полного идиота

[1] Солари, Джованни (2019). Наука и техника ветра: истоки, развитие, основы и достижения . Спрингер. п. 570. ИСБН 9783030188153 .

[2] Оуэнс, Брэндон Н. (2019). История ветроэнергетики: век инноваций, изменивших глобальный энергетический ландшафт . Джон Уайли и сыновья . п. 102. ИСБН 9781118794180 .

[3] Феликс ван Кениг (1978). Энергия ветра в практическом использовании . 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?» . Семприус . Проверено 11 ноября 2021 г.

[7] «Улучшенная ветряная турбина Савониуса улавливает ветер в городах» . ScienceDaily. 20 мая 2016 г. Проверено 11 ноября 2021 г.

[8] «Повышение эффективности роторов Савониуса путем параметрического исследования» . Исследовательские ворота . Проверено 2 июня 2017 г.

[9] «Повышение эффективности роторов Савониуса путем параметрического исследования» . Исследовательские ворота . Проверено 20 августа 2022 г.

[10] Фрихилл-Мэй, Линн (1 декабря 2020 г.). «Вращающиеся паруса помогают возродить судоходство с помощью ветра» . Научный американец . Проверено 11 ноября 2021 г.

[11] Флеттнер

[12] Неллес, Анна; от имени коллаборации ARIANNA (02.07.2021). «Ветротурбина для автономных станций радиообнаружения нейтрино» . Материалы 36-й Международной конференции по космическим лучам — PoS(ICRC2019) . Том. 358. SISSA Medialab. п. 968. дои : 10.22323/1.358.0968 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

v т и Энергия ветра
Энергия ветра	Воздушная энергия ветра По стране История Наземные транспортные средства Оффшор Турбины на всеобщее обозрение Ветряная мельница панемон
Ветровые электростанции	Списки ветряных электростанций Принадлежащий сообществу Оффшорные фермы Береговые фермы
Ветровые турбины	Аэродинамика Воздушно-десантный Воздушный змей Дизайн Плавающий Гондола Шаг подшипника QBlade Маленький Нетрадиционный Вертикальная ось Савониус Дарье Система рыскания несущий водить машину
Ветроэнергетика	Консалтинговые компании Производители Программное обеспечение
Производители	Энеркон GE Ветер Энерджи включая GE Offshore Wind Золотой ветер Нордекс Сенвион Сименс Гамеса Сузлон Вестас
Концепции	2020-е годы в исследованиях ветроэнергетики Закон Бетца Теория импульса элемента лопасти Коэффициент мощности Возврат инвестиций в энергию Хранение энергии сетка Энергетические субсидии HVDC Гибридная мощность Лестничная мельница Чистый прирост энергии Соотношение наконечника и скорости Переменная возобновляемая энергия Виртуальная электростанция Прогнозирование ветроэнергетики Степенной закон профиля ветра Оценка ветровых ресурсов
Портал ветроэнергетики Категория Коммонс Дополнительные порталы: Возобновляемая энергия Энергия