توربينات الرياح سافونيوس

تُعدّ توربينات سافونيوس الهوائية نوعًا من توربينات الرياح ذات المحور الرأسي ، وتُستخدم لتحويل قوة الرياح إلى عزم دوران على عمود دوار . تتكون التوربينة من عدد من الأجنحة ، وعادةً ما تكون -ولكن ليس دائمًا- مثبتة رأسيًا على عمود دوار أو هيكل، سواء كانت مثبتة على الأرض أو مربوطة في أنظمة محمولة جوًا .

اخترع المهندس الفنلندي سيغورد يوهانس سافونيوس توربين الرياح سافونيوس عام 1922، وحصل على براءة اختراعه عام 1926. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وكان الأوروبيون قد جربوا سابقًا الشفرات المنحنية على توربينات الرياح الرأسية لعقود عديدة. وأقدم ذكر لذلك كان من قبل أسقف مقاطعة تشاناد ، فاوستو فيرانزيو ، الذي كان مهندسًا أيضًا. كتب في كتابه "Machinae novae" عام 1616 عن عدة توربينات رياح ذات محور رأسي بشفرات منحنية أو على شكل حرف V. لم يصل أي من نماذجه، أو أي نماذج سابقة، إلى مستوى التطور الذي حققه سافونيوس. في سيرته الذاتية، ذُكرت نيته تطوير دوار توربيني مشابه لدوار فليتنر ، ولكنه ذاتي الدوران. أجرى تجارب على دواره على قوارب تجديف صغيرة مختلفة في بحيرات فنلندا. لا تُعرف نتائج أبحاثه، ولكن تأثير ماغنوس أكده فيليكس فان كونيغ (1978). ^{[ 3 ]} تم تقديم براءتي اختراع لتوربينات الرياح من نوع سافونيوس في الولايات المتحدة: واحدة في عام 1925 ^{[ 4 ]} وواحدة في عام 1928، ^{[ 5 ]} من قبل سافونيوس.

تُعدّ توربينة سافونيوس من أبسط التوربينات. من الناحية الديناميكية الهوائية ، هي جهاز من نوع السحب ، يتكون من مغرفتين أو ثلاث مغارف. ^{[ 6 ]} عند النظر إلى الدوّار من الأعلى، قد يُشبه شكل الآلة ذات المغرفتين حرف "S" في المقطع العرضي . وبسبب انحنائها ، تواجه المغارف مقاومة أقل عند تحركها عكس اتجاه الرياح مقارنةً بتحركها معها. وتتسبب هذه المقاومة التفاضلية في دوران توربينة سافونيوس. ولأنها من نوع أجهزة السحب، تستخلص توربينات سافونيوس طاقة رياح أقل بكثير من توربينات الرفع الأخرى ذات الحجم المماثل. عمليًا، قد تكون مساحة كبيرة من سطح دوران توربينة سافونيوس قريبة من الأرض إذا كانت مثبتة على قاعدة قصيرة بدون عمود ممتد، مما يجعل استخلاص الطاقة الإجمالي أقل فعالية بسبب انخفاض سرعات الرياح على الارتفاعات المنخفضة. تتمتع هذه التوربينات بعدة مزايا مقارنة بتوربينات الرياح ذات المحور الأفقي، أبرزها انخفاض مستويات الضوضاء، والقدرة على العمل بسرعات رياح منخفضة، واستقلالها النسبي عن اتجاه الرياح. ^{[ 7 ]}

وفقًا لقانون بيتز ، فإن أقصى قدرة يمكن استخلاصها من دوار مثالي نظريًا هي${\displaystyle P_{\mathrm {max} }={\frac {16}{27}}{\frac {1}{2}}\rho \cdot h\cdot d\cdot v^{3}}$، أين${\displaystyle \rho }$هي كثافة الهواء ،${\displaystyle h}$و${\displaystyle d}$يمثل ارتفاع وقطر الدوار و${\displaystyle v}$هي سرعة الرياح. مع ذلك، عمليًا، تبلغ الطاقة المستخرجة حوالي نصف ذلك ^{[ 8 ]} (يمكن القول إن نصف الدوار فقط - المجرفة المتحركة مع الرياح - يعمل في كل لحظة زمنية) وتعتمد أيضًا على كفاءة الدوار المحدد. وبالتالي، بالنسبة للدوار المثالي نظريًا، نحصل على${\displaystyle P_{\mathrm {max} }\approx 0.18\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot d\cdot v^{3}}$لكن متوسط ​​الكفاءة القصوى${\displaystyle Cp}$تبلغ نسبة توربينات الرياح من نوع سافونيوس حوالي 20% (${\displaystyle Cp=0.2}$), ^{[ 8 ]} مما يجعل القوة الحقيقية القابلة للاستخراج لـ Savonius النموذجي${\displaystyle P_{\mathrm {max} }\approx 0.12\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot d\cdot v^{3}}$.

يُعطى التردد الزاوي للدوار بالعلاقة التالية:${\displaystyle \omega ={\frac {\lambda \cdot v}{r}}}$، أين${\displaystyle r}$هو نصف القطر و${\displaystyle \lambda }$هو عامل بلا أبعاد يسمى نسبة سرعة طرف الريشة . λ هي خاصية مميزة لكل طاحونة هواء محددة، وبالنسبة لدوار سافونيوس، فإن λ عادةً ما تكون قريبة من الواحد.

على سبيل المثال، دوار سافونيوس بحجم برميل نفط مع h =1  م و r =0.5  متر تحت تأثير رياح سرعتها v =بسرعة 10  م/ث ، ستولد طاقة قصوى قدرها120  واط وسرعة زاوية قصوى تبلغ20  راديان/ثانية (190 دورة في الدقيقة).

تُستخدم توربينات سافونيوس عندما تكون التكلفة أو الموثوقية أهم بكثير من الكفاءة . ولهذا السبب، فإن معظم أجهزة قياس سرعة الرياح هي من نوع سافونيوس، حيث أن الكفاءة غير ذات صلة بتطبيق قياس سرعة الرياح. وقد استُخدمت توربينات سافونيوس أكبر بكثير لتوليد الطاقة الكهربائية على عوامات المياه العميقة ، التي تحتاج إلى كميات قليلة من الطاقة وتتطلب صيانة قليلة جدًا. يتميز تصميمها بالبساطة، لأنه على عكس توربينات الرياح ذات المحور الأفقي ، لا تتطلب آلية توجيه لتغيير اتجاه الرياح، كما أنها ذاتية التشغيل. تُناسب توربينات سافونيوس وغيرها من الآلات ذات المحور الرأسي ضخ المياه وغيرها من التطبيقات التي تتطلب عزم دوران عالٍ وسرعة دوران منخفضة، وعادةً لا يتم توصيلها بشبكات الطاقة الكهربائية. في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، طوّر ريستو جوتسينييمي نسخة ذات دوار حلزوني لا تتطلب ألواحًا طرفية، وتتميز بملف عزم دوران أكثر سلاسة، وهي ذاتية التشغيل بنفس طريقة زوج من الدوارات المستقيمة المتقاطعة.

يُعدّ جهاز تهوية فليتنر أكثر تطبيقات توربينات سافونيوس الهوائية شيوعًا ، وهو يُرى عادةً على أسطح الشاحنات والحافلات ويُستخدم كجهاز تبريد. طُوّر هذا الدوّار لأغراض التهوية على يد مهندس الطائرات الألماني أنطون فليتنر في عشرينيات القرن الماضي. ^{[ 9 ]} ويستخدم توربين سافونيوس الهوائي لتشغيل مروحة شفط. ولا تزال شركة فليتنر فنتيلاتور المحدودة تُصنّع هذه الفتحات في المملكة المتحدة. ^{[ 10 ]}

تم استخدام توربينات الرياح من نوع سافونيوس المصممة خصيصًا لتوفير الطاقة لمحطات الكشف المستقلة عن النيوترينو لتجربة أريانا على جرف روس الجليدي في القارة القطبية الجنوبية . ^{[ 11 ]}

في أوروبا، تُستخدم توربينات الرياح الصغيرة من نوع سافونيوس أحيانًا كلوحات إعلانية "متحركة"، حيث تساعد الحركة الدورانية على لفت الانتباه إلى المنتج المُعلن عنه. وتتضمن هذه اللوحات أحيانًا رسومًا متحركة بسيطة من إطارين .

• توربينات الرياح المحمولة جواً
• أنواع الطائرات الورقية
• عند تثبيت محور دوّار سافونيوس أفقيًا، ينتج عن ذلك حركة طائرة ورقية. هناك العديد من براءات الاختراع والمنتجات التي تستغل قوة الرفع الصافية الناتجة عن تأثير ماغنوس أثناء الدوران الذاتي لدوّار سافونيوس. ويمكن استغلال جزء من طاقة هذا الدوران لتوليد الصوت أو الحرارة أو الكهرباء.

• 
  تشغيل توربين سافونيوس
• 
  نظام تحويل طاقة الرياح ذو شفرات دوارة من سافونيوس

• قم ببناء نموذجك الخاص لتوربينات الرياح سافونيوس
• توربينات رياح من نوع سافونيوس مصممة للاستخدام في البيئات القاسية
• توربينات سافونيوس للبيئات الديناميكية www.spinpower.org