Przekształcenie energii wiatrowej to jeden ze sposobów na uzyskanie taniej energii elektrycznej. Istnieje wiele projektów turbin wiatrowych. Niektóre z nich są zaprojektowane z myślą o maksymalnej wydajności, inne są bezpretensjonalne w użyciu. Druga grupa obejmuje rotor Savonius, który powstał około 100 lat temu, do dziś z powodzeniem wykorzystywany jest do rozwiązywania różnych problemów technicznych.
Historia stworzenia
Sigurd Johannes Savonius (1884 - 1931) - wynalazca z Finlandii, zasłynął swoją pracą z fizyki związanej z badaniem energii wiatru. W ciągu swojego życia otrzymał kilka patentów, które są wykorzystywane nie tylko do tworzenia turbin wiatrowych, ale także w przemyśle stoczniowym, a także w systemach wentylacyjnych nowoczesnych wagonów kolejowych i autobusów.
Inny wynalazca z Niemiec - Anton Flettner (1888 - 1861) na początku ubiegłego wieku wymyślił alternatywę dla klasycznego żagla, tworząc tzw. wirnik Flettnera. Istota wynalazkuzostał zredukowany do następującego: obracający się cylinder, nadmuchany wiatrem, otrzymał siłę skierowaną w kierunku poziomym, przekraczającą 50-krotność siły przepływu powietrza. Dzięki temu odkryciu zbudowano kilka statków, które do poruszania się wykorzystują siłę wiatru. W przeciwieństwie do konwencjonalnych żaglówek, statki te nie były całkowicie niezależne energetycznie. Silniki były potrzebne do obracania wirnika.
Zastanawiając się nad żaglem Flettnera, Savonius doszedł do wniosku, że do jego obracania można również wykorzystać energię wiatru. W 1926 opracował i opatentował projekt otwartego cylindra z przeciwnie skierowanymi ostrzami wewnątrz.
Trochę fizyki
Najpierw mała teoria. Wszyscy zauważyli, że podczas jazdy na rowerze powietrze stwarza znaczne opory ruchu. A im wyższa prędkość, tym wyższa ta wartość. Drugim czynnikiem wpływającym na opór jest obszar przekroju ciała, na który wpływa przepływ powietrza. Ale jest trzecia wielkość, która jest związana z geometrią ciała. To jest dokładnie to, co projektanci nadwozi starają się ograniczyć, jeśli chodzi o aerodynamikę.
Możemy na przykład powiedzieć, że trzy płyty o tym samym polu przekroju poprzecznego, ale o różnych kształtach: wklęsłym, prostym i wypukłym, będą miały bardzo różny współczynnik oporu. Dla kształtu wypukłego będzie to 0,34, dla prostego - 1,1, dla wklęsłego - 1,33. To właśnie kształt wklęsły przyjęto dla łopatek wirnika Savoniusa. Jest uznawany za najskuteczniejszego hostaenergia wiatru.
Zasada działania rotora Savonius
W przeciwieństwie do żagla Flettnera, Savonius zaproponował podzielenie cylindra na dwie połowy i przesunięcie ich względem siebie, aby uzyskać ostrza i przestrzeń między nimi. Istotą pomysłu Savoniusa było to, by strumień powietrza uderzający w jedną łopatę nie tylko szedł potem w bok, ale przechodząc przez szczelinę osiową był przekierowywany na drugą łopatę, co znacznie zwiększyło efekt wiatru.
Ta zasada działania pozwala rotorowi Savonius pracować nawet przy słabym wietrze.
Istnieje kilka opcji profilu:
- Łopatki są zamocowane na osi w taki sposób, że nie ma między nimi szczeliny powietrznej. To najprostsza wersja z wielu opisów rotora Savonius.
- Podstawa jednego ostrza jest wsuwana w podstawę drugiego. Wzdłuż linii osi pozostaje znaczna luka. Ta opcja umożliwia przenoszenie wiatru z jednej połowy wirnika na drugą. Bardziej wydajny profil.
- Tak samo jak druga opcja, tylko powierzchnia ostrzy zostaje zwiększona poprzez dodanie prostej płytki od wewnątrz.
Zakres zastosowania
W latach 60. ubiegłego wieku wirniki Savonius były wykorzystywane w systemach wentylacji kolejowej. Montowano je na dachach wagonów. Podczas ruchu wirnik zaczął się kręcić i pompować powietrze z ulicy do pomieszczenia. Podobne systemy zainstalowano również w autobusach.
Dziś głównym zastosowaniem wirnika jestturbiny wiatrowe o osi pionowej. Istnieje wiele podobnych projektów, które łączą dwa czynniki:
- pionowa oś obrotu;
- bezpretensjonalność względem kierunku przepływu wiatru.
Oprócz pionowych turbin wiatrowych istnieją urządzenia z osią poziomą. Wyróżniają się dużym zwrotem przy tej samej sile wiatru. Konstrukcyjnie przypominają łopaty śmigieł lotniczych, umieszczone na osi poziomej i posiadające ogon prowadzący do wyrównania z wiatrem.
Zalety turbiny wiatrowej Savonius
Pomimo faktu, że pionowe osiowe wirniki turbin wiatrowych tracą wydajność w stosunku do poziomych osiowych wirników, nadal mają szereg niezaprzeczalnych zalet:
- Pracuj w dowolnej strefie klimatycznej. Dzięki niewielkiej powierzchni poprzecznej nie boją się huraganowych wiatrów.
- Nie wymagają dodatkowych urządzeń do ich uruchomienia. Ze względu na wklęsły kształt łopat, start odbywa się przy minimalnych wartościach wiatru – 0,3 m/s. Generator osiąga optymalne wartości przy prędkości przepływu powietrza 5 m/s.
- Ze względu na niski poziom hałasu do 20 dB, wiatrak może być instalowany w bezpośredniej bliskości obudowy, co jest ważne w przypadku wytwarzania energii elektrycznej o małej mocy i utraty prądu w przewodach.
- Nie wymagaj określonego kierunku wiatru. Zaczynają pracę od przepływu powietrza pod dowolnym kątem.
- Prosta konstrukcja zmniejsza koszty konserwacji.
- Nie niebezpieczne dla ptaków, które postrzegają konstrukcję jako całość i nie próbują przelatywać przez ostrza.
Wady pionowych turbin wiatrowych obejmują stosunkowo niską wydajność, wyższe koszty materiałów budowlanych, duże rozmiary wymagane do uzyskania wymaganej mocy.
Jak zrobić turbinę wiatrową własnymi rękami
Stworzenie urządzenia, które zapewniłoby całkowicie elektryczność wiejskiemu domowi, wydaje się mało prawdopodobne. Jednak wykonanie małego wiatraka do wytwarzania darmowej energii elektrycznej, zapewniającej działanie urządzeń małej mocy (pompa nawadniająca, oświetlenie uliczne przed domem, otwieranie bram automatycznych) leży w gestii każdego rzemieślnika. Do tego będziesz potrzebować:
- 3 blachy aluminiowe o długości boku 33cm, grubości około 1mm;
- rurka spustowa o średnicy 15 cm i długości 60 cm;
- 4 cm fajka wodna;
- generator elektryczny (można użyć samochodu);
- okucia (kątowniki stalowe, wkręty samogwintujące, nakrętki, śruby).
Instrukcje gotowania
Aby wykonać prosty rotor Savonius potrzebujesz:
- Wytnij 3 krążki o średnicy 33 cm z blach aluminiowych.
- Wytnij fajkę wodną o średnicy 15 cm wzdłuż osi, aby zrobić 2 półfabrykaty na ostrza. Następnie przetnij każdy kawałek przez środek. W ten sposób otrzymasz 4 identyczne ostrza o długości 30 cm.
- Wywierć otwór w środku dysków, przez który można włożyć 4 cm fajkę wodną.
- Połącz wszystkie trzy dyski rurą i między nimiwłóż ostrza. Dwa między dwoma dyskami. Ostrza muszą być zorientowane tak, aby kąt między ich osiami wynosił 90 stopni. Umożliwi to nawet niewielkiemu wiatrowi rozkręcenie generatora.
- Użyj narożników i wkrętów samogwintujących, aby zamocować ostrza na aluminiowych felgach.
- Wciśnij wał generatora w dolną część rury, która jest osią.
Generator wiatrowy jest gotowy. Pozostaje tylko wybrać miejsce instalacji, które jest wystarczająco otwarte na prądy powietrza. Jeśli nie ma wystarczającego wiatru, możesz zrobić wysoki maszt, na którym umieść generator.
Prefabrykowane pionowe turbiny wiatrowe
Wraz z rozwojem alternatywnych źródeł energii rośnie zapotrzebowanie na autonomiczne produkty zasilające. Obecnie na rynku dostępne są turbiny wiatrowe produkcji rosyjskiej, których cena zaczyna się od 60 tysięcy rubli.
Te jednostki mogą być używane w sektorze prywatnym, spełniając zapotrzebowanie na energię elektryczną od 250 W do 250 kW.
