Подобие таких ветряков было найдено в египетских раскопках, относящихся ко 2 веку до н.э.
Конструкцию этих ветроагрегатов придумал шведский инженер Савониус в 19 веке. Ветроколесо Савониуса представляет собой от двух и более полуцилиндров, закрепленных вокруг оси вращения, Рис. 1.
Рис. 1. Ортогональный ветроагрегат.
Главное достоинство ветроколеса Савониуса заключено в том, оно непрерывно вращается в одну и туже сторону, независимо от направления ветра.
Самый большой недостаток этого ветроколеса определяется очень низким коэффициентом использования энергии ветра, который не бывает более 0,15. Это можно объяснить тем, что один полуцилиндр эффективно работает только в угле (секторе) поворота ветроколеса не более 90° и независимо от числа лопастей. Энергетическая эффективность таких ветряков при прочих равных условиях в 3 раза ниже классических:
W=SrV20,5p/2, кгм/сек,
Где: S – площадь полуцилиндра, м2 ;
V – скорость ветра, м/сек;
r - удельный вес потока, кг/м3.
Есть патенты ортогональных ветряков, в которых плоскости, движущиеся против ветра выполняются подвижными, относительно траверсы, но и у них использование ветра не превышает 0,3. Например, RU патент №2074980 , Рис. 2:
Рис. 2. Ортогональный ветроагрегат с подвижными плоскостями.
1 – рама;
2 – вал;
3 – подшипник;
4, 6 – лопасть;
7 – шток;
8 – косая шайба;
9- флюгер управления положением косой шайбы, в зависимости от направления ветра.
Некоторые изобретатели, для увеличения эффективности ортогонального агрегата применяют специально направляющие ветер кожухи, например по патенту РФ № RU2237822 :
Рис. 3. Ортогональный ветряк с направляющим кожухом.( вид сверху )
1 – вал;
2 - вертикальная ветровая турбина;
11 – направляющие ветрозаборника
10 – растяжки.
Как видно из схемы, кожух значительно увеличивает габариты и массу ветроагрегата, хотя сектор действия ветра всё равно не превышает 90?.
Советский изобретатель Борис Сергеевич Блинов в 60-е годы прошлого века усовершенствовал колесо Савониуса так, что изменил форму лопасти и установил их параллельно друг другу, чтобы использовать и отраженные потоки, а также использовать реактивный момент уходящего потока. Форма такого колеса представлена на Рис. 4.
Рис. 4. Схема схема ортогонального ветроагрегата Б. С. Блинова.
Для аккумулирования энергии Б.С.Блинов соединил ось ветроколеса с простой, четырех лопастной крыльчаткой и поместил ее в 100-литровую бочку с водой. Он был потрясен результатом этого эксперимента.
Дело в том, что по его расчетам, на тот момент ветряк должен был нагреть воду в бочке за 1,5…1,8 часа, но вода в бочке закипела через 56 минут после начала эксперимента!
Повторяя этот опыт несколько раз, он пришел к выводу, что изобрел ветроколесо с коэффициентом использования ветра равным практически 1.0.
Сейчас на практике доказано, что такие колеса не могут иметь его более x=0,3.
Угол использования ветрового потока колеса Б.С. Блинова достигает 120°. Недостатком является необходимость повышения его эффективности с помощью этажерочной конструкцией из нескольких колес, чем и достигается непрерывное использование ветра по всему кругу вращения.
В попытке совершенствования колеса Савониуса был придуман ветроагрегат с вертикальными аэродинамическими плоскостями, Рис.5 (патент РФ № RU2193688 ).
Рис.5. Ортогональный ветроагрегат с крыльчатыми лопастями.
1 – вал; 2 – электрогенератор; 3 – траверса; 4 – вертикальное крыло – лопасть; 10 – привод поворота крыла.
Аэродинамический анализ этого агрегата показывает, что его коэффициент использования ветра не превышает таковой агрегата Б.Блинова. Зато приходиться усложнять систему автоматического управления пространственным положением плоскостей! Технические и коммерческие попытки внедрения таких агрегатов, как правило, обречены на неудачу из-за чрезмерной сложности и ненадежности автоматов управления углом атаки лопастей.