Ротор Савониуса

Ротор Савониуса — это тип ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения, использующий силу лобового сопротивления ветра. Относится к классу ветродвигателей, работающих за счёт разности давлений на вогнутых и выпуклых поверхностях лопастей, имеющих форму полуцилиндров. Изобретён финским инженером Сигурдом Савониусом в 1922 году. Отличается простотой конструкции, способностью работать при низких скоростях ветра и независимостью от направления воздушного потока.

История

Первые упоминания о принципе работы ротора, использующего разность аэродинамических сил на изогнутых поверхностях, встречаются ещё в трудах средневековых персидских учёных. Однако практическая реализация и патентование устройства связаны с именем финского инженера и изобретателя Сигурда Йоханнеса Савониуса (1884–1931). В 1922 году он получил патент на «ветряной двигатель» (патент Финляндии № 18 848), а в 1925 году — патенты в Великобритании, Германии и США.

Первоначально ротор Савониуса разрабатывался как вспомогательное устройство для вентиляции шахт и подачи воздуха в подземные выработки. Савониус предлагал устанавливать его на крышах зданий и транспортных средствах. В 1930-х годах конструкция использовалась для привода небольших насосов и генераторов в отдалённых районах Скандинавии. В середине XX века интерес к ротору возрос в связи с развитием малой ветроэнергетики, однако широкого промышленного распространения он не получил из-за относительно низкого коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) по сравнению с горизонтально-осевыми турбинами.

В конце XX — начале XXI века роторы Савониуса стали применяться в качестве датчиков скорости ветра (анемометров), элементов декоративной и уличной ветроэнергетики, а также в составе гибридных установок с солнечными панелями для автономного электроснабжения.

Устройство и принцип работы

Конструкция

Классический ротор Савониуса состоит из двух (реже трёх или четырёх) полых полуцилиндрических лопастей, закреплённых на вертикальном валу. Лопасти расположены симметрично относительно оси вращения и смещены друг относительно друга, образуя S-образную форму в поперечном сечении. В некоторых модификациях между лопастями устанавливается центральная перегородка (экран), уменьшающая обратный поток воздуха.

Основные элементы:

• Вертикальный вал — передаёт крутящий момент на нагрузку (генератор, насос).
• Лопасти (ковши) — изготавливаются из стали, алюминия, пластика, композитных материалов или дерева. Внутренняя поверхность — вогнутая, внешняя — выпуклая.
• Подшипниковый узел — обеспечивает вращение вала.
• Опорная рама или мачта — фиксирует ротор на высоте.

Принцип действия

Работа ротора основана на разнице коэффициентов лобового сопротивления вогнутой и выпуклой поверхностей. Когда ветер обтекает ротор:

• На вогнутую поверхность лопасти, обращённой к ветру, действует сила лобового сопротивления, создающая крутящий момент.
• На выпуклую поверхность противоположной лопасти действует меньшая сила, так как поток воздуха обтекает её с меньшим сопротивлением.
• Разность сил заставляет ротор вращаться в сторону лопасти с меньшим сопротивлением.

При полном обороте каждая лопасть последовательно оказывается то в положении «ковша», то в положении «спинки». Вращение происходит независимо от направления ветра благодаря симметрии конструкции. Для запуска ротора достаточно скорости ветра 2–3 м/с.

Основные характеристики

• Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ): теоретический максимум — около 0,30 (по пределу Бетца — 0,593). На практике КИЭВ роторов Савониуса составляет 0,15–0,25, что ниже, чем у горизонтально-осевых турбин (0,35–0,50).
• Мощность: пропорциональна площади ометания (диаметр × высота) и кубу скорости ветра. Типичные значения для малых установок — от нескольких ватт до 1–2 кВт.
• Обороты: низкие (20–200 об/мин), что требует использования мультипликатора или низкооборотного генератора.
• Момент: высокий пусковой момент, способность вращаться при слабом ветре.

Классификация

По количеству лопастей

• Двухлопастные — наиболее распространённая классическая конструкция (S-ротор).
• Трёх- и четырёхлопастные — обеспечивают более плавный ход и меньшую вибрацию, но имеют более низкий КПД из-за увеличения пассивного сопротивления.

По конструктивным особенностям

• С перегородкой (экраном) — между лопастями устанавливается вертикальная пластина, уменьшающая обратное течение воздуха и повышающая эффективность на 10–20 %.
• Многоярусные (каскадные) — несколько роторов, расположенных друг над другом на одном валу, для увеличения мощности при ограниченной высоте.
• С изменяемой геометрией — лопасти могут частично раскрываться или закрываться для регулировки скорости вращения.
• Гибридные — комбинация ротора Савониуса с ротором Дарье (лопасти в форме крыла) для использования преимуществ обоих типов.

По применению

• Энергетические — для выработки электроэнергии (мощность от 50 Вт до 5 кВт).
• Вентиляционные — для естественной вентиляции помещений, шахт, тоннелей.
• Измерительные — анемометры (датчики скорости ветра).
• Декоративные — элементы ландшафтного дизайна, малые архитектурные формы.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции — отсутствие сложных систем ориентации на ветер, минимальное количество движущихся частей.
• Низкая стоимость — дешевизна материалов и изготовления.
• Работа при слабом ветре — запуск при скорости 2–3 м/с.
• Независимость от направления ветра — не требуется поворотное устройство.
• Низкий уровень шума — тихая работа, пригодность для городской среды.
• Безопасность для птиц — низкая скорость вращения лопастей.
• Простота обслуживания — доступность узлов, возможность ремонта в полевых условиях.

Недостатки

• Низкий КПД — значительно уступает горизонтально-осевым турбинам.
• Большая материалоёмкость — на единицу мощности требуется больше материала, чем для пропеллерных ветряков.
• Низкая скорость вращения — необходимость в повышающем редукторе или специальном генераторе.
• Малый срок службы подшипников — при высоких ветровых нагрузках (свыше 15–20 м/с) возможны поломки.
• Ограниченная мощность — крупные установки (более 10 кВт) становятся громоздкими и экономически неэффективными.

Применение

Роторы Савониуса находят применение в следующих областях:

• Малая ветроэнергетика — автономное электроснабжение дачных домов, метеостанций, навигационных буёв, систем связи.
• Вентиляция — вытяжные устройства на крышах зданий (дефлекторы), вентиляция складских помещений и животноводческих ферм.
• Измерения — анемометры для метеорологии и авиации.
• Образование — учебные модели для демонстрации принципов преобразования энергии ветра.
• Декоративные и рекламные цели — вращающиеся конструкции в парках, на выставках, в городском дизайне.
• Гибридные системы — совместно с солнечными батареями для повышения надёжности энергоснабжения.

В России роторы Савониуса используются в основном в составе малых ветроэнергетических установок (например, модели «Ветродуй», «Энергия-1») для удалённых районов Сибири, Дальнего Востока и Арктики.

Интересные факты

• Ротор Савониуса является одним из немногих типов ветродвигателей, способных работать при вертикальном восходящем потоке воздуха (например, от нагретой поверхности).
• В 1960-х годах конструкция использовалась в экспериментальных автомобилях с ветровым приводом.
• Анемометры на основе ротора Савониуса применяются для измерения скорости ветра на железных дорогах и в портах.
• В 2006 году компания «Windside» (Финляндия) выпустила серию роторов Савониуса с вертикальной осью, предназначенных для использования в условиях сильных ветров и обледенения.

Источники

• Савониус С. Й. Патент Финляндии № 18 848 «Wind Engine», 1922.
• Патент США № 1 766 765 «Wind Motor», 1930.
• Голубков Б. Н. Ветроэнергетика: теория и практика. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
• Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
• Безруких П. П. Ветроэнергетика. — М.: ИД «Энергия», 2010.
• Материалы Международного энергетического агентства (IEA Wind TCP).