The Fan Wall

Každá větrná turbína, kterou jste viděli, se řídí stejnou logikou: jeden rotor co největší a co nejvyšší. Funguje skvěle a potřebuje jeřáby, otevřenou půdu a roky povolení. Naše otázka je opačná. Může mnoho malých rotorů, zabudovaných do míst, kde už města jsou, vyrábět elektřinu za cenu, která dává smysl?

Tato stránka je určena pro lidi, kteří by mohli financovat, vytvářet nebo testovat tento nápad. Záměrně se nejedná o prodejní brožuru. Proběhla čísla pro náš první návrh, našli jsme, kde selže, přepracovali ho a spustili čísla znovu. Stručná verze: stěna počítačových ventilátorů na fasádě nemůže fungovat, koruna větších potrubních rotorů na větrném okraji střechy může vyrábět skutečnou elektřinu a nebude to překonat solární panely v ceně, pokud několik věcí, které můžeme otestovat, nevyjde dobře. Každý obrázek níže pochází z našeho otevřeného modelu (kód, data).

Verze 1, a proč to nefunguje

The first idea was a building facade, 40 m long and 15 floors high, covered in about 110,000 fans of 120 mm, each run backwards so its motor becomes a generator. Je to krásný obrázek. Selhává ze tří důvodů, v pořadí podle důležitosti.

1. Vzduch nemůže projít uzavřenou stěnou. Turbína odebírá energii ze vzduchu, který jím proudí. Na pevné fasádě se vítr zastaví (inženýři tomu říkají stagnace) a klouže nahoru, dolů a do stran. I kdyby měl každý ventilátor za sebou 30 cm mezeru, otevřenou po stranách a nahoře, kontinuita stanovuje tvrdý limit: veškerý vzduch vstupující do 1800 m² ventilátorů by musel opustit asi 39 m² mezery, takže by mohl projít ventilátory při maximálně 2,2 % rychlosti větru. Výkon jde ruku v ruce s rychlostí, takže by se stěna udržela pod 0,01 % toho, co by stejné ventilátory vyráběly volně stojící. Měření za skutečným odvětrávaným opláštěním se shodují: 0,2 až 0,6 m/s proudění vzduchu v dutině při větru do 5 m/s (Salonvaara et al., 2007). Přepněte výše uvedený 3D model na verzi 1, abyste si to mohli prohlédnout: pruhy větru se zastaví u zdi a odklouznou pryč.

2. Malé lopatky pracují špatně. Lopatka ventilátoru o průměru 120 mm má šňůru asi 2 cm dlouhou. The air around it moves at a Reynolds number near 10,000, a regime where wings lose most of their lift-to-drag ratio: smooth airfoils improve “more than an order of magnitude” above a critical Reynolds number of about 70,000 (Lissaman, 1983). Měřené turbíny v centimetrovém měřítku dosahují výkonových koeficientů kolem 9 % (Howey, Bansal a Holmes, 2011); rotor počítačového ventilátoru o průměru 10 cm použitý jako turbína dodávala 28 mW při rychlosti 5 m/s, což je podle našich výpočtů asi 4% výkonu větru přes něj (Federspiel a Chen, 2003). Počítačové ventilátory jsou navrženy tak, aby tlačily vzduch, a ne aby byly ním tlačeny.

3. Tisíce malých generátorů plýtvají tím, co vytvářejí. Motor ventilátoru, který dodává zlomek wattu při několika voltech, může ztratit 10 až 40 % pouze v diodovém usměrňovači. Náš centrální odhad pro celý řetězec od ventilátoru k síti je 54 %.

I když zcela ignorujeme první důvod (volně stojící stěna ventilátorů), verze 1 by stála kolem $4.20 per kWh on a windy coast and $18 ve městě, což je dvacet až stokrát více než cena střešního solárního systému.

Fyzika, která nastavuje limity

Síla přenášená větrem přes plochu A je P = ½ ρ A v³, při hustotě vzduchu ρ = 1.225 kg/m³. Kostka je vše: při 6 m/s přenáší metr čtvereční 132 W, při 12 m/s 1058 W. V průměru za rok nabízí střecha města s průměrným větrem o rychlosti 4 m/s asi 75 W na m²; exponované pobřeží při 6,5 m/s asi 321 W na m².

Bez limitu. Žádný otevřený rotor nemůže odsávat více než 16/27 ≈ 59.3% z energie proudící přes jeho plochu, protože vzduch se musí neustále pohybovat mimo cestu.

Co může druhý rotor přidat. Dva rotory v sérii (jako stupně proudového motoru) mohou dosáhnout maximálně 16/25 = 64% výkonu přes plochu jednoho rotoru, a nekonečně mnoho pouze 2/3 (Newman, 1986). Tryskový motor stohuje stupně, protože tlačí vzduch přes uzavřené jádro s obrovským tlakovým rozdílem od spalování paliva. Volný vítr takový tlak nenabízí: každý další stupeň vzduch ještě více zpomaluje a pomalý vzduch se rozlévá kolem zařízení. Naměřené zisky protisměrně rotujících větrných rotorů se pohybují od 0 do 60%, ale nedávné dobře kontrolované testy se shlukují na 2 až 10% (Adema et al., 2026 review).

Co mohou přidat lopatky statoru. Rotor opouští víření vzduchu a víření je ztracená energie. Při nízkých poměrech špička-rychlost malých rotorů je ztráta velká: ideální Glauertův rotor dosahuje 0,42 při poměru špička-rychlost 1, 0,51 při 2 a 0,57 při 5. Pevné lopatky za rotorem mohou část z nich získat. Nikdo to neměřil na větrné turbíně; u vrtulí letadel takové lopatky daly 2 až 5% (Li et al., 2017).

Co může kanál přidat. Kanál s plochým okrajem („větrná čočka“ univerzity Kyushu) snižuje tlak za rotorem a natahuje více vzduchu skrz něj. V testech ve větrném tunelu zvýšil kompaktní difuzor s okrajem součinitel výkonu z 0,37 pro holý rotor na hodnoty mezi 0,7 a 0,88 vzhledem k ploche rotoru, ale pouze na 0,48 až 0,54 vzhledem k celému okraji (Ohya a Karasudani, 2010). To je háček: na metr čtvereční čelní plochy, kanály nikdy nepřekročily Betzův limit, “v praxi nebylo nikdy dosaženo faktorů zvýšení výkonu nad 3”, a kanálové turbíny mají “více než 50 let. Zatím bez jakéhokoliv komerčního úspěchu” (van Bussel, 2007). Nejdražší nedávný pokus, FloDesign/Ogin, odstranil své turbíny během šesti měsíců a byl likvidován v roce 2017 (Česká televize, 2017).

Velikost je důležitá kvůli Reynoldsovu číslu. Vypočítali jsme nejlepší možný rotor pro každou velikost pomocí hybnostního modelu lopatek a prvků (Glauertovo optimum s rotací vleče, ztrátami na špičce a náboji a poměrem vztlaku k odporu klesajícím s Reynoldsovým číslem, z měřených nízko-Reynoldsových profilů jako Selig’s SG6043):

Průměr rotoru	Nože, poměr špičky k rychlosti	Reynoldsovo číslo (75% poloměr)	Nejlepší design Cp
4 cm	8, 1.25	4,500	0.23
12 cm (počítačový ventilátor)	8, 1.5	12,000	0.29
25 cm	8, 2.0	20,000	0.36
50 cm (vylepšený modul)	6 to 7, 2.5	43,000	0.39 to 0.40
1 m	6, 3.0	74,000	0.42
7 m (malá turbína)	8, 4.5	265,000	0.49

To jsou stropy pro účelově postavené lopatky, před skutečnými ztrátami. Jako kontrolní příklad, speciálně navržená 39 cm přenosná turbína měřila 0.32, kde náš model dává asi 0.39 pro tuto velikost (Kishore, Coudron a Priya, 2013): předpokládáme proto, že první hardware dosahuje 65 až 90 % návrhové hodnoty a mnohem méně u centimetrových rotorů, kde převládá laminární separace.

Směr větru. Pevný modul využívá pouze tu část větru, která do něj fouká. Výkon klesá zhruba s krychlí úhlu nesouososti pro otevřené rotory a jemněji pro kanály (Tamaro et al., 2024; Richmond-Navarro et al., 2022). Při mírném převládajícím větru si modul směřující k němu udržuje asi 47% energie, kterou by získal rotor vždy zarovnaný. Verze 1 předpokládala 100%.

Vylepšený design: koruna na okraji střechy směrem k větru

Vezměte si vše výše a design se téměř sám píše: větší rotory, kde je Reynoldsovo číslo lepší, v kanálech, které je chrání a urychlují, stojící volně tam, kde může procházet vzduch, směrem k převládajícímu větru na místě na budově, kde je proudění nejsilnější. To místo je okraj střechy. Vzduch, který dopadne na fasádu stoupá a otáčí se nad okrajem; nad protivětrným okrajem střechy je rychlost větru 1,06 až 1,25násobek rychlosti ve výšce střechy, ale pouze 0,38násobek, když je okraj proti větru (Praha: Mertens, 2006.).

Každý modul má 725 mm čtverečních: rotor o průměru 0,5 m se sedmi lopatkami v kompaktním potrubí s větrnými čočkami, pět statorových lopatek, které vytvářejí vířivý proud a nesou generátor o výkonu 50 až 300 W, ochrannou síť z nerezové oceli a jednu utěsněnou napájecí desku se sledováním maximálního bodu výkonu. Dvě řady tvoří korunu vysokou 1,45 m na ocelových kolejnicích nad parapetem. Jedna osoba může zvednout modul a vyměnit jej.

Čepele nejsou hádané. The model designs them for the Reynolds number they will actually see, about 45,000 at 6 m/s: chord 62 mm near the root tapering to 36 mm at the tip, twist from 38° to 10°, a design tip-speed ratio of 2.5. Při rychlosti 6 m/s se rotor otáčí přibližně 700 ot./min., jeho hroty se pohybují při 10 m/s větru rychlostí asi 30 m/s, což je méně než polovina ze 79 m/s hrotů velké turbíny.

Poctivá čísla

Na metr čtvereční čelní plochy je spravedlivý způsob, jak porovnat: fasáda, střešní koruna a dálniční zábrana všechny soutěží o totéž, povrch obrácený k větru. Centrální hodnoty, s plným rozsahem od pesimismu k optimismu v modelových datech. Energie zahrnuje směr větru, turbulence (5 až 15% ztráty) a dostupnost (92 až 97%). Náklady na energii: 20 let při reálné diskontní sazbě 7 %, údržba 2 až 5 % z investice ročně.

Design	Cp na čelní oblasti	kWh na m² za rok, větrný kemp / město	Kapacitní faktor, větrný / městský	Instalované náklady na m²	Cena za kWh, větrné / město	Jednoduchá návratnost investice při 0,19 USD/kWh
A. Verze 1, standardní 120 mm ventilátory (volně stojící)	0.045	23 / 5	5.2% / 1.2%	$765	$4.21 / $18.0	nikdy
A2. Zakázkové 120 mm rotory	0.089	45 / 11	5.2% / 1.2%	$805	$2.23 / $9.45	nikdy
B0. 0,5 m otevřené rotory, koruna	0.148	125 / 34	9.3% / 2.5%	$1,192	$1.19 / $4.37	nikdy
B. Vylepšeno: 0,5 m potrubí, stator, koruna	0.164	159 / 43	10.7% / 2.9%	$1,074	$0.84 / $3.10	nikdy (nejlepší případ: 4,5 let větru)
B2. Jako B plus protisměrně rotující rotor	0.174	168 / 46	10.7% / 2.9%	$1,245	$0.92 / $3.40	nikdy
B3. B jako volně stojící bariéra	0.164	128 / 32	8.6% / 2.2%	$944	$0.92 / $3.66	nikdy
Střešní solární, stejná budova		225	12%	$410	$0.19	10,6 let
Solární na jižní fasádě		139	7.6%	$630	$0.47	31 let
10kW turbína, rotor 7 m na stožáru 18 až 30 m	0,35 na rotoru	31,600 / 10,300 kWh per turbine	36% / 12%	$8,910 per kW	$0.35 / $1.08	27 let větru

Co říká tabulka:

• Kanál si zaslouží své místo, jen. Na čelní m², kanálové moduly (B) porazí stejné rotory v otevřeném prostoru (B0) asi o 10 až 30%, hlavně proto, že lépe snášejí směr větru. Dávají také ochranu, tišší špičku a místo pro stator.
• Druhý rotor se nevyplatí. Přidává asi 6% energie za 16% více nákladů. Vícestupňový větrný modul ve stylu proudového motoru je omezen fyzikou, nikoli ambicemi.
• Platí pouze moduly směřující proti větru. Koruna kolem celé střechy vydělá jen 55 % na modul ve srovnání se stranou směřující proti větru, protože ostatní strany většinu času směřují od převládajícího větru. Na naší referenční budově (40 × 20 m, výška 45 m) je rozumná koruna pouze na straně směrem k větru: 60 m², asi $64,000, asi 9,500 kWh ročně ve větrném místě, 2,600 ve městě. Za stejné peníze v solární střeše koupíte asi 155 m² panelů vyrábějících asi 35,000 kWh za rok.
• Ve městech nemůže konkurovat. Mikrovětrné elektrárny na budovách mají špatný rekord: 26 turbín ve Warwick Wind Trials mělo průměrný kapacitní faktor 0,85 % (Encraft, 2009), a tři turbíny na londýnském Strata Tower byly vypnuty po stížnostech na hluk a vibrace.

For scale, the US small wind fleet averaged a 14 to 16% capacity factor and $6,680 to $9,630 per kW installed in 2024 and 2025 (PNNL Distributed Wind reports). Naše koruna přistává na zhruba 6300 dolarů za kW jmenovité, ve stejném rozmezí, což je znamením, že odhad nákladů není fantazie.

Co je prokázáno, pravděpodobné a spekulativní

Dokázáno (učebnicí nebo měřením): síla ve větru a Betzův limit; strop 16/25 pro dva rotory; že potrubí zvyšuje výkon na plochu rotoru, ale ne více než o Betz na čelní plochu; že malé lopatky při Reynoldsových číslech pod asi 70.000 ztrácejí účinnost; že uzavřená zeď nemá průtok; že střešní hrany urychlují proudění proti větru; že mikroturbíny namontované na budovách ve městech mají špatné výsledky.

Plausible (supported, but not measured for this design): a 0.5 m rotor designed for Reynolds 45,000 reaching a power coefficient around 0.3 bare and 0.55 on rotor area in a compact brimmed duct; 75% chain efficiency from rotor to grid with 50 to 300 W generators and module-level MPPT; installed cost near $1,000 per m² for a first project.

Speculative (must be measured): how much ducts packed side by side lose to each other (we assume 10 to 30%); the real speed-up and turbulence at a crown on a given building; durability of thousands of bearings over 20 years of gusts, ice and dust; noise and vibration transmitted into the building; wildlife interaction with meshed ducts (large turbines kill an estimated 140,000 to 328,000 birds a year in the US (Loss, Will and Marra, 2013); glass buildings kill 365 to 988 million (Loss et al., 2014); nobody has data for meshed roof-edge modules).

Co by musela být pravda

U koruny na místě s větrem o rychlosti 6,5 m/s závisí náklady na elektřinu na dvou věcech, které můžeme vyřešit: kolik energie poskytuje každý čtvereční metr čelní plochy a jaké jsou náklady na instalaci.

Cp na čelní oblasti	300 dolarů za m²	500 dolarů za m²	800 dolarů za m²	$1,100 per m²
0.15	$0.24	$0.40	$0.63	$0.87
0.20	$0.18	$0.30	$0.47	$0.65
0.25	$0.14	$0.24	$0.38	$0.52
0.30	$0.12	$0.20	$0.32	$0.43

Kde může vyhrát a kde nemůže

Může vyhrát:

• Vítrné vysoké budovy a pobřežní lokality, jako doplněk k solárnímu systému: vítr na okraji střechy vrcholí v noci, v zimě a při bouřkách, kdy solární panely produkují málo.
• Střechy již plné nebo zastíněné. Koruna využívá okraj, nikoli plochu střechy a nekonkuruje panelům, rostlinám ani terasám.
• Nezávislé napájení v oblastech, kde jsou kabely drahé: senzory, osvětlení, telekomunikační zařízení, meteorologické stanice na mostech, stožárech a pobřežních konstrukcích.
• Zábrany, které již existují: dálniční a železniční protihlukové stěny, mořské hráze a mostní parapety, kde je struktura placena.
• Viditelnost a vzdělání. Koruna, která se otáčí, je veřejným prohlášením, že solární panel není; školy, muzea a památkové budovy to oceňují.

Nemůže vyhrát:

• Jako levný zdroj velkoobjemové elektřiny. Velké větrné a solární farmy stojí $0.04 to $0,10 za kWh; nic na budově se tomu neblíží.
• V chráněných městských ulicích a nízkopodlažních předměstích, kde je průměrná rychlost větru ve výšce střechy pod 4 až 5 m/s.
• Ploché na fasádě. Bez ohledu na konstrukci rotorů, uzavřená zeď nemá průtok vzduchu.

Plán vývoje a kolik by to stálo

Fáze	Práce	Rozhodnutí, které umožňuje	Odhadované náklady	Čas
0. Projektová studie	Návrh lopatek a potrubí, CFD jednoho modulu a pole 3 × 3, elektrická topologie, nákladový model s výrobcem	Je Cp na frontální ploše nad 0,2 v poli pravděpodobné?	$30k to $60k	3 až 4 měsíce
1. aerodynamický tunel	Tři rotory, tři kanály, zapnutí a vypnutí statoru, poté pole 3 × 3; 3 až 15 m/s, výkyv 0 až 45°	Měřené Cp, ztráta pole, rychlost startu, šum	$60k to $120k	4 až 6 měsíců
2. Prototypový modul	Generátor, napájecí deska, utěsněný modul; odolnost, led, déšť a akustické testy (metoda IEC 61400-11)	Účinnost a trvanlivost modulů	$50k to $100k	6 měsíců
3. střešní pilot	10 až 20 modulů na návětrné straně, ultrazvukové anemometry nebo lidar, rok dat, kamera pro pozorování divoké zvěře	Skutečné kWh na m², dostupnost, hluk v budově	$80k to $150k	12 měsíců
4. Produktová cesta	Konstrukce a fasádní projektování, návrhový základ IEC 61400-2, certifikace UK MCS 006 nebo US ACP 101-1, elektrotechnická a požární shoda, pojištění	Produkt, který si může koupit majitel budovy	$100k to $250k	12 až 18 měsíců

Fáze 0 až 3 potřebují zhruba $220,000 to $430,000 a dva roky. Každá fáze má jasný zastávkový bod: pokud větrný tunel neukazuje frontální Cp blízko 0,2 v poli, zastavíme se a zveřejníme důvod. Veškerý výzkum je hrazen z pokladny nadace, která financuje vše, co projekt potřebuje, od laboratoří a dodavatelů až po servery a lidi; dary nelze vyhradit pro jeden program.

Koho potřebujeme

• Aerodynamik s nízkým Reynoldsem a zkušenostmi s potrubními rotory, pro návrh a kontrolu lopatek, potrubí a statoru.
• Univerzitní nebo komerční aerodynamický tunel s CFD inženýrem pro plánování testů a modelování interakce polí.
• Inženýr výkonové elektroniky pro malé generátory s permanentními magnety, aktivní usměrňování, MPPT a DC sběr z mnoha modulů.
• Stavební a fasádní inženýr pro zatížení větrem na korunu (EN 1991-1-4 / ASCE 7), upevnění, led a únavu.
• Akustik pro tónový hluk a vibrace přenášené do budovy.
• Urban wind specialist pro měření a modelování větru na okrajích střech předtím, než je cokoli postaveno.
• Certifikace a shoda: malé větry standardy (IEC 61400-2, -11, -12-1), elektrické a požární předpisy, a pojistitel ochoten pokrýt pilota.
• Ekolog navrhnout monitoring ptáků a netopýrů.
• Výrobní partner ve vstřikování nebo rotačním lití, abyste mohli vyrábět lopatky a potrubí v objemu.

Jak můžete pomoci

• Přineste své zkušenosti. Pokud pracujete v některém z výše uvedených oborů, nabídněte úkol. Dokonce i hodina prohlížení našeho modelu je cenná.
• Nabídněte větrnou střechu. Vysoká budova na pobřeží, kopci nebo otevřené pláni s bezpečným přístupem ke střeše by mohla hostovat pilota. Řekněte nám, kde je a jakým směrem vítr obvykle fouká.
• Sdílejte data o větru. Roční měření větru ze střechy, mostu nebo pobřežního stožáru nám pomáhá vybrat pilotní místo.
• Zkontrolujte naši matematiku. model je otevřený. Pokud najdete chybu, dejte nám vědět: raději bychom ji opravili teď než po pilotním spuštění.
• Podpořte nadaci. Dary jdou na charitu. Treasury a udržovat náš výzkum, včetně tohoto, v pohybu.

Zdroje

1. Salonvaara, M., Karagiozis, A., Pazera, M. a Miller, W. (2007). Vzduchové dutiny za obklady: co jsme se naučili? Buildings X Conference.
2. Lissaman, P.B.S. (1983). Nízké Reynoldsovo číslo profilů. Výroční zpráva o činnosti 15, 223-239.
3. Howey, D.A., Bansal, A. a Holmes, A.S. (2011). Návrh a výkon centimetrové větrné turbíny pro sběr energie. Inteligentní materiály a konstrukce 20, 085021.
4. Federspiel, C.C. a Chen, J. (2003). Pneumatický senzor. Sborník příspěvků z konference IEEE Sensors 2003, 22-25.
5. Newman, B.G. (1986). Teorie vícenásobných akčních disků pro větrné turbíny. Věstník vědeckého a technického sdružení pro větrnou energetiku 24, 215-225.
6. Kovář, N. et al. (2026). Wind Energy Science 11, 2037-2051, včetně přehledu naměřených zisků dvourotorových turbín.
7. Li, Q., Öztürk, K., Ragni, D. et al. (2017). Návrh a experimentální validace vírových lopatek pro vrtulové pohonné systémy. AIAA 2017-3571.
8. Ohya, Y. a Karasudani, T. (2010). Zakrytá větrná turbína generující vysoký výkon s technologií wind-lens. Energies 3(4), 634-649.
9. van Bussel, G.J.W. (2007). Věda o získávání více točivého momentu z větru: experimenty s difuzéry a teorie. Časopis pro fyziku: Conference Series 75, 012010.
10. ŘEZÁK, P. (2017). Penzijní fond Kiwi ztrácí 50 milionů dolarů v důsledku fiaska s turbínou Ogin.
11. Selig, M.S.; Giguère, P. (1998). Nové profily pro malé horizontální větrné turbíny. Solární energetika a solární technologie 120(2), 108-114.
12. Kishore, R.A., Coudron, T. a Priya, S. (2013). Malá přenosná větrná turbína (SWEPT). Časopis pro vědecké a technické studie 116, 21-31.
13. Bottasso, C.L., Campagnolo, F. a Tamaro, S. (2024). O výkonu a řízení nesouosého rotoru: mimo zákon kosinusů. Věda o větrné energii 9, 1547-1575.
14. Richmond-Navarro, G., Uchida, T. a Calderón-Muñoz, W.R. (2022). Výkon větrné turbíny v podmínkách turbulentního proudění. Větrné inženýrství 46, 518-528.
15. Mertens, S. (2006). Větrná energie v zastavěném prostředí: koncentrátorové efekty budov. Diplomová práce, TU Delft (podle Mertense, 2003, Wind Engineering 27(6)).
16. 2009 (anglicky) Encraft. Závěrečná zpráva Warwick Wind Trials.
17. Pacific Northwest National Laboratory (2025, 2026) [online]. Zprávy o distribuovaném trhu větrné energie a aktualizace technologických dat.
18. Ministerstvo energetiky USA a NREL (2025). Benchmarky nákladů na solární fotovoltaický systém, Q1 2025: komerční střecha $1.95 to $1,98 za W.
19. Lazard (červen 2026). Levelized Cost of Energy+, verze 19.
20. US Energy Information Administration (2025). Průměrná cena elektřiny podle odvětví, 2024; Eurostat, Statistika cen elektřiny.
21. Loss, S.R., Will, T. and Marra, P.P. (2013). Odhady úmrtnosti ptáků při srážkách na větrných elektrárnách v sousedních Spojených státech. Biologická ochrana 168, 201-209.
22. Loss, S.R., Will, T., Loss, S.S. and Marra, P.P. (2014). Ptačí srážky ve Spojených státech. The Condor 116(1), 8-23.
23. Grant, A., Johnstone, C. a Kelly, N. (2008). Městská přeměna větrné energie: potenciál potrubních turbín. Obnovitelná energie 33(6), 1157-1163. Související myšlenku také otestujeme: potrubí skrz parapet poháněné tlakovými rozdíly mezi fasádou a střechou.