جدار المروحة
هل نستطيع أن نتخيل نظاماً يعمل على توليد الكهرباء من الرياح؟ هل نختار دوارة عملاقة واحدة، أم مائة ألف دوارة صغيرة؟ إننا نختبر ما إذا كان جدار من المراوح الصغيرة، كل منها بحجم المروحة التي تبرد جهاز الكمبيوتر الخاص بك، قادراً على تحويل رياح المدينة إلى كهرباء. إليكم الحسابات، بما في ذلك الأجزاء التي لا تعمل بعد.
إن كل توربينة رياح رأيتمها من قبل تتبع نفس المنطق: بناء دوّار واحد بأكبر حجم ممكن، ووضعه في أعلى مكان ممكن، ثم السماح لرشاشاته العملاقة بأن تمسح السماء. إنه يعمل ببراعة وهو يحتاج أيضاً إلى رافعات وطرق وأراضي مفتوحة وسنوات من التصاريح، ويقتل الطيور. نريد أن نختبر الفكرة العكسية.
الفكرة
خذ المروحة المحورية الصغيرة التي تبرد الحاسوب. تشغيله إلى الوراء: دعنا الرياح تدير الدوّار، والمحرك بلا فرش داخل يصبح مولد صغير. ضع ستة عشر منهم في وحدة بحجم صندوق البيتزا، أعطي كل واحد منهم حفرة مسطحة تسرع الهواء، وتغطي جداراً بالآلاف من الوحدات.
وإذا كسرت مراوح واحدة، فإن الجدار يفقد واحدا من كل مائة ألف من إنتاجه، ويمكن لأي شخص لديه مسمار أن يستبدلها. وتُشحن الوحدات في طرد عادي. ويمكنهم الجلوس على حافة سطح، أو تسلق زاوية مبنى، أو استبدال ألواح حاجز الصوت في الطريق السريع.
حيث يمكن أن يشرق
Birds and bats. Large turbines are a real problem for wildlife: an estimated 140,000 to 328,000 birds die each year at monopole turbines in the contiguous United States alone (Loss, Will and Marra, 2013). يحرك دوّار طوله 150 مترا ويدور بسرعة 10 دورات في الدقيقة أطراف ريشه عند π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. وتدور مروحة من عيار 120 ملليمتراً خلف شبكة من عيار 10 ملليمترات باتجاه السير. لم يقم أحد بقياس تفاعل الطيور مع جدران المراوح الدقيقة حتى الآن، لذا فإن قياسها جزء من برنامجنا.
إقامة. وتتسارع الرياح حيثما يتم ضغطها: فوق حافة السقف، حول زاوية المبنى، على طول وادي الشارع. لا يمكن للدوران العملاق أن يتبع تلك المناطق. يمكن لمصفوفة نموذجية أن تغطيهم بالضبط.
السوقيات والصيانة. لا رافعة، ولا أخصائي، ولا نقل خاص. A whole 1,800 m² wall fits in about 1,700 cartons, four or five shipping containers.
الرياح والشمس معاً وكثيرا ما تهب الرياح ليلا وفي فصل الشتاء عندما تكون الألواح الشمسية ضعيفة. وفي نفس المبنى، يمكن أن يكمل الاثنان بعضهما البعض.
الفيزياء، مع الرياضيات
القوة التي تنقلها الرياح عبر منطقة A هي P = ½ ρ A v³، حيث ρ = 1.225 kg/m³ هي كثافة الهواء وv سرعة الرياح. والمكعب هو كل شيء: عند 6 أمتار/ثانية يحمل المتر المربع ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W؛ وعند 12 مترا/ثانية يحمل 1058 واط، أي ثمانية أضعاف ذلك.
لا يمكن لأي مروحة أن تلتقط كل ذلك، لأن الهواء يجب أن يستمر في الحركة بعيداً عن الطريق. اللجنة الفرعية حد بيتز يقول أن الدوّارة المفتوحة تستطيع استخلاص أقصى 16/27 ≈ 59% القوة التي تتدفق من خلاله
الدوار الصغير ليس دواراً صغيراً كبيراً الفيزياء تتغير
وهنا تكمن المشكلة الصادقة الأولى. A 120 mm fan blade has a chord of about 2 cm. عند 6 متر/ثانية، يكون عدد رينولدز Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000، وهو نظام تفقد فيه الريش معظم رفعها. A 2 cm rotor designed as a turbine at Imperial College reached a power coefficient of about 9% (Howey, Bansal and Holmes, 2011). مراوح الحاسوب مصممة لدفع الهواء، وليس أن تدفعها. ولذلك نفترض كفاءة دوّار قدرها 5% (تشاؤم)، أو 10% (وسطي) أو 20% (تفاؤل)، وسلسلة كهربائية من المروحة إلى الشبكة قدرها 40، أو 55 أو 70%.
القنوات يمكن أن تساعد. وهناك منشط ذو حافة عريضة، “عدسة الرياح” التي طورت في جامعة كيوشو، تضاعفت قوة الدوارة ذات القطر نفسه بحوالي 2 إلى 5 (Ohya and Karasudani, 2010). ولكن القناة تأخذ مساحة أمامية: لم يتم إثبات استخراج أكثر من نصف الطاقة التي تعبر المنطقة الأمامية للجهاز (Dighe et al., 2018). نموذجنا ينتهي هنا
مع الافتراضات المركزية يجعل الجدار بأكمله 7 كيلوواط عند سرعة 6 أمتار في الثانية، و34 كيلوواط عند سرعة 10 أمتار في الثانية، و114 كيلوواط عند سرعة 15 مترا في الثانية. يغير حجم المروحة بالكاد القوة، حيث أن جميع الأحجام تغطي حوالي 55٪ من الجدار برشاشات الدوران؛ ويغير عدد الأجزاء والتكلفة. القنوات لا تفوز إلا إذا كانت أكثر من ضعف مخرج كل دوّار، لأنها تترك مساحة لعدد أقل من المراوح.
كم من الطاقة في السنة
الرياح في أي موقع ليست ثابتة أبدا. ونقوم بوضع نماذج لثلاثة مواقع ذات توزيع رياح معياري (رايلي): سطح مدينة بمتوسط 4 أمتار/ثانية، وحاجز طريق رئيسي بمتوسط 4.5 أمتار/ثانية، وساحل معرض بمتوسط 6.5 أمتار/ثانية. الرياح الحضرية الحقيقية ضعيفة: وجدت مؤسسة الكربون في المملكة المتحدة أن عددا قليلا من مواقع البناء وصلت حتى إلى 5 أمتار / ثانية (Carbon Trust, 2008)، وبلغ متوسط عامل القدرة لـ 26 توربينة صغيرة مركبة على المباني في تجارب Warwick Wind 0.85٪ (Encraft, 2009).
ومن حيث الحجم، فإن توربينة برية عادية واحدة بقدرة 3 ميغاواط تعمل بعامل قدرة نسبته 35 في المائة تنتج 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh سنوياً: أي ما يعادل حوالي 65 جداراً من جدران المراوح الساحلية.
ماذا سيكلف ذلك
وقمنا بتقدير كل جزء في المتر المربع: مراوح مقاومة للماء بحجم $3 to $8 لكل منها، وأطر وشبكة، وإلكترونيات، وتركيبات على مبنى قائم. الجدار بأكمله يأتي إلى $0.76 million to $2.43 مليون )المركزية 1,38 مليون دوﻻر( بدون قنوات. موزعة على مدى 20 سنة بمعدل خصم قدره 7 في المائة، مع الصيانة، مما يعطي تكلفة كل كيلووات - ساعة.
القراءة الصادقة: بنيت من مروحات الحاسوب اليوم، جدار المروحة تكلفة حوالي $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 في مدينة في الحالة المركزية. تكاليف الطاقة الشمسية على الأسطح السكنية $0.12 to $0.28، الرياح على نطاق المرافق العامة $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, June 2024; IRENA, 2024). وكمحطة للطاقة، فإن المفهوم لا ينافس اليوم.
ماذا يجب أن يكون صحيحا
توجد بحوث لتغيير أرقام مثل هذه. ففي موقع ساحلي يحتوي على وحدات أنابيب وسلسلة كهربائية تبلغ نسبتها 65 في المائة، تتوقف تكلفة الكيلووات/ساعة على أمرين يمكننا العمل عليهما: مدى نجاح كل دوّار أنابيب في تحويل الرياح (كفاءته الفعلية) وما هي تكلفة المتر المربع من الجدار الذي يتم تركيبه.
| الكفاءة الفعلية للدوران القنوي | 200 دوﻻر للمتر المربع | 400 دولار للمتر المربع | 800 دولار للمتر المربع |
|---|---|---|---|
| 10% | $0.60 | $1.21 | $2.41 |
| 20% | $0.30 | $0.60 | $1.21 |
| 30% | $0.20 | $0.40 | $0.80 |
| 40% | $0.15 | $0.30 | $0.60 |
برنامج البحث
| المرحلة | ماذا نفعل | ماذا نقيس | التكلفة التقديرية |
|---|---|---|---|
| 0. Desk study | المحاكاة الحاسوبية لأشكال القنوات، وتصاميم الريش والتصميم الكهربائي | الكفاءة والخسائر المتوقعة | $15k to $30 ألف |
| 1- الاختبارات المنضدية | 20 دوّارة جاهزة و 20 دوّارة مصممة حسب الطلب في نفق هوائي بسرعة تتراوح بين 3 و 15 مترا في الثانية | منحنيات الكفاءة، سرعة البدء، الضجيج | $30k to $60 ألف |
| 2 - وحدة واحدة | وحدة نموذجية ذات 16 مروحة مزودة بقنوات وإلكترونيات للطاقة | كفاءة الوحدة، سنة واحدة في الهواء الطلق | $25k to $50 ألف |
| 3 - مساحة تجريبية 10 أمتار مربعة | لوحة سطحية مزودة بأجهزة وكاميرا للحياة البرية | الطاقة، وخسائر المصفوفات، والتوافر، والطيور والخفافيش | $60k to $120 ألف |
| 4 - تصميم الحائط الكامل | الهيكل والتصديق ونموذج التكلفة النهائية | التكلفة المركبة للمتر المربع، التكلفة لكل كيلووات ساعة | $50k to $100 ألف |
تحتاج المراحل من 0 إلى 3 حوالي $130,000 to $260,000. الجدار الكامل ليس له معنى إلا إذا أكد الرائد الفرضية. تدفع جميع البحوث من خزانة المؤسسة، التي تموّل كل ما يحتاجه المشروع، من المختبرات والموردين إلى الخوادم والأشخاص؛ ولا يمكن حجز التبرعات لبرنامج واحد. التقرير الفني الكامل والنموذج وبياناته مفتوحة: بيانات النموذج و رمز النموذج.
كيف يمكنك المساعدة
- أحضر خبرتك. نحن بحاجة إلى أشخاص يعرفون الديناميكا الهوائية للمروحات الصغيرة، أنفاق الرياح، إلكترونيات الطاقة، الهندسة الهيكلية أو مراقبة الطيور. عرض مهمة.
- عرض على السطح. يمكن أن يستوعب السقف المسطح الريحي مع الوصول الآمن 10 متر مربع الرائد. أخبرنا أين هو وكيف يشعر بالتعرض
- تقاسم بيانات الرياح. إذا كنت تدير محطة طقس على سطح، أو ساحل أو جسر، سنة من قياسات الرياح يساعدنا في اختيار الموقع التجريبي.
- اختبار في المنزل. مروحة رخيصة مقاومة للماء، ومسدّد جسر ومقياس متعدد على شرفة رياح تجعل مشروعا علميا رائعا. قم بقياس الفولطية والتيار عند رياح مختلفة وأرسل لنا الأرقام
- دعم المؤسسة. تذهب التبرعات إلى الخزانة وإبقاء جميع أبحاثنا، بما في ذلك هذا واحد، يتحرك.
المصادر
- هاوي، د. أ.، وبانسال، أ.، وهولمز، أ. (2011). تصميم وأداء توربينة ريحية مغلفة على نطاق سنتيمترات لجمع الطاقة. المواد والهياكل الذكية 20، 085021.
- أوهيا، ي. وكاراسوداني، ت. (2010). توربينة ريحية مغطاة تولد قدرة خرج عالية بتكنولوجيا العدسة الريحية. الطاقة 3(4)، 634-649.
- ديغي، ف.ف.، ودي أوليفيرا، ج.، وأفالون، ف.، وفان بوسل، غ.ج.و. (2018). تحسين التربينات الريحية القنوية وحساسيتها إزاء موقع الدوّار. Wind Energy Science 3، 221-229.
- صندوق الكربون الاستئماني (2008). الطاقة الريحية الصغيرة النطاق: رؤى متعمقة في مجال السياسات وإرشادات عملية.
- (2009). Warwick Wind Trials final report (باللغة الإنجليزية).
- المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ (2024). تقرير سوق الرياح الموزعة، طبعة عام 2024: متوسط طاقة الرياح الصغيرة 7370 دولار لكل كيلوواط مركّب وعامل قدرة بنسبة 13% في عام 2023.
- لازارد (يونيو 2024). تكلفة الطاقة المتوازنة +.
- الوكالة الدولية للطاقة المتجددة (2024). تكاليف توليد الطاقة المتجددة في عام 2023.
- جدار أوديسا. استهلاك الكهرباء لكل مسكن، الاتحاد الأوروبي.
- إدارة معلومات الطاقة الأمريكية (2022). متوسط استخدام الكهرباء في المنازل.
- لوس، س. ر.، وويل، ت.، ومارّا، ب. (2013). تقديرات وفيات الطيور الناجمة عن اﻻصطدام في منشآت الرياح في الوﻻيات المتحدة المتاخمة. Biological Conservation 168, 201-209.