Кіріспе
Савониус жел турбиналары – желдің күшін айналмалы біліктегі айналу моментіне түрлендіретін тік осьті жел турбинасының (VAWT) бір түрі. Турбина әдетте, бірақ әрқашан емес, тік орнатылған бірнеше аэродинамикалық беттерден тұрады, олар айналмалы білікке немесе жақтауға бекітіледі, және жерде орналасқан немесе әуедегі жүйелерде ілмектеуге болады.
Savonius wind turbines are a type of vertical axis wind turbine (VAWT), used for converting the force of the wind into torque on a rotating shaft. The turbine consists of a number of aerofoils, usually—but not always—vertically mounted on a rotating shaft or framework, either ground stationed or tethered in airborne systems.
Шығу тегі
Савоний жел турбинасын фин инженері Сигурд Йоханнес Савоний 1922 жылы ойлап тапты және 1926 жылы патенттеді. Еуропалықтар бұрынғы ондаған жылдар бойы тік жел турбиналарында иілген қанаттармен тәжірибе жасаған. Ең алғашқы айғақ Цсанад округінің епископы, сонымен қатар инженер Фаусто Веранцио жазған. Ол 1616 жылы шығарған «Machinae novae» кітабында қисық немесе V тәрізді қанаттары бар бірнеше тік осьті жел турбиналарын сипаттады. Оның және басқа ерте үлгілерінің ешқайсысы Савоний жеткен деңгейге жетпеді. Оның өмірбаянында Флетнер роторына ұқсас, бірақ өздігінен айналатын турбиналық роторды жасау ниеті айтылған. Ол роторын Финляндиядағы көлдердегі түрлі шағын қайықтарда сынап көрді. Оның зерттеулерінің нәтижелері белгісіз, бірақ Магнус эффектісін Феликс ван Кёниг (1978) растады. Савоний жел турбинасының екі патенты АҚШ-та тіркелді: біреуі 1925 жылы, екіншісі 1928 жылы Савонийге берілді.
Операция
Савоний турбинасы – ең қарапайым турбиналардың бірі. Аэродинамикалық тұрғыдан алғанда, бұл екі немесе үш қанаттан тұратын сүйреу типті құрылғы. Роторды жоғарыдан қарағанда, екі қанатты машина көлденең қимада "S" әрпін еске түсіруі мүмкін. Иістің арқасында, қанаттар желге қарсы қозғалғанда, желмен бірге қозғалғанға қарағанда аз қарсылыққа ұшырайды. Осы қарсылықтың айырмасы Савоний турбинасын айналуға мәжбүр етеді. Сүйреу типті құрылғы болғандықтан, Савоний турбиналары басқа, сондай-ақ өлшемдегі, көтеру типті турбиналарға қарағанда желдің күшінен әлдеқайда аз пайдаланады. Іс жүзінде, Савоний роторының тірегі қысқа болса, оның көп бөлігі жерге жақын болуы мүмкін, бұл төменгі биіктіктегі желдің жылдамдығының төмендігіне байланысты жалпы энергияны жинау тиімділігін азайтады. Олардың көлденең осьті жел турбиналарына қарағанда бірнеше артықшылықтары бар, атап айтқанда, төмен шу деңгейі, әлсіз желде де жұмыс істеу мүмкіндігі және жел бағытына тәуелділіктің азайтылуы.
Қуат пен айналу жылдамдығы
Бетц заңы бойынша, теориялық идеалдық ротордан алынатын ең жоғары қуат , мұндағы – ауа тығыздығы, – ротордың биіктігі мен диаметрі, ал – желдің жылдамдығы. Бірақ, практикада алынатын қуат шамамен осының жартысына тең (ротордың жартысы ғана – желмен бірге қозғалатын бөлігі – әрбір сәтте жұмыс істейді деуге болады) және сонымен қатар, нақты ротордың тиімділігіне де байланысты. Осылайша, теориялық идеалдық ротор үшін , ал Савониус жел турбинасының орташа максималды тиімділігі шамамен 20% құрайды, бұл типтік Савониус турбинасының нақты алынатын қуатын анықтайды. Ротордың бұрыштық жиілігі арқылы есептеледі, мұндағы – радиус, ал – ұшқыш жылдамдық коэффициенті деп аталатын өлшемсіз шама. λ – әрбір жел тегершігінің ерекше сипаттамасы, ал Савониус роторы үшін λ әдетте бірлікке жуық болады. Мысалы, h=1 және r=0,5 өлшемді, мұнай барабаны сияқты Савониус роторы, v=10 жылдамдығындағы желде 120 максималды қуатты және 20 максималды бұрыштық жылдамдықты (минутына 190 айналым) тудырады.
The angular frequency of a rotor is given by , where is the radius and is a dimensionless factor called the tip speed ratio. λ is a characteristic of each specific windmill, and for a Savonius rotor λ is typically around unity. For example, an oil barrel sized Savonius rotor with h=1 and r=0.5 under a wind of v=10, will generate a maximum power of 120 and a maximum angular speed of 20 (190 revolutions per minute).
Қолдану
Savonius турбиналары шығын немесе сенімділік тиімділіктен гөрі маңыздырақ болған жағдайларда қолданылады. Осы себепті көптеген анемометрлер Savonius турбиналары болып табылады, себебі желдің жылдамдығын өлшеуде тиімділік маңызды емес. Savonius турбиналары терең су буяларында электр қуатын өндіру үшін де пайдаланылады, оларға аз мөлшерде қуат қажет және күтіп-ұстау жұмыстары аздап ғана болады. Оның дизайны қарапайым, себебі көлденең осьті жел турбиналарынан (HAWT) айырмаша, жел бағытын өзгерту үшін бағыттау механизмі қажет емес және турбина өзінен-өзі іске қосылады. Savonius және басқа да тік осьті машиналар су сору және басқа да жоғары моментті, төмен айналымды қолданулар үшін қолайлы, және олар әдетте электр желілеріне қосылмайды. 1980 жылдардың басында Ристо Жоуцинеми спиральді ротор (wiki:fi) нұсқасын жасады, ол соңғы пластиналарды қажет етпейді, тегіс моменттік профилі бар және қиылысқан екі түзу ротор сияқты өзінен-өзі іске қосылады. Savonius жел турбинасының ең көп таралған қолданылуы – Флетнер желдеткіші, оны фургон мен автобустардың шатырларында жиі кездестіруге болады және ол салқындату құрылғысы ретінде қолданылады. Бұл роторды 1920 жылдары неміс авиация инженері Антон Флетнер желдету мақсатында жасаған. Ол Savonius жел турбинасын пайдаланып, ауа сорғыш желдеткішті іске қосады. Бұл желдеткіштер әлі де Ұлыбританияда Flettner Ventilator Limited компаниясымен өндіріледі. Арнайы жасалған Savonius жел турбиналары Антарктидадағы Росс мұздық шельфіндегі ARIANNA экспериментінің автономды нейтрино детектор станцияларын қуатпен қамтамасыз ету үшін қолданылған. Еуропада кейде Savonius шағын жел турбиналарын "қозғалмалы" жарнама тақталары ретінде көруге болады, онда айналу қозғалысы жарнамаланатын затқа назар аударуға көмектеседі. Олар кейде қарапайым екі кадрлық анимациядан тұрады.