La pared del ventilador

Cada aerogenerador que hayas visto sigue la misma lógica: un rotor lo más grande posible, lo más alto posible. Funciona de manera brillante, y necesita grúas, terreno abierto y años de permisos. Nuestra pregunta es la opuesta. ¿Pueden muchos rotores pequeños, construidos en los lugares donde ya están las ciudades, producir electricidad a un precio que tenga sentido? La idea del Muro de Abanicos fue propuesta por primera vez dentro de la Fundación Local Solar System en 2020; esta página es su modelo abierto y actualizado.

Esta página está escrita para personas que podrían financiar, construir o probar la idea. No es deliberadamente un folleto de ventas. Realizamos los números para nuestro primer diseño, encontramos dónde fallaba, lo rediseñamos y volvimos a realizar los números. La versión corta: una pared de ventiladores de computadora en una fachada no puede funcionar, una corona de rotores con conductos más grandes en un borde del techo ventoso puede producir electricidad real, y no superará a los paneles solares en precio a menos que varias cosas que podamos probar resulten bien. Cada figura a continuación proviene de nuestro modelo abierto (código, datos).

Versión 1, y por qué no funciona

La primera idea fue una fachada de edificio, de 40 m de largo y 15 pisos de altura, cubierta en unos 110.000 ventiladores de 120 mm, cada uno corriendo hacia atrás para que su motor se convierta en un generador. Es una imagen preciosa. Falla por tres razones, en orden de importancia.

1. El aire no puede pasar a través de una pared cerrada. Una turbina toma energía del aire que fluye a través de ella. En una fachada sólida el viento se detiene (los ingenieros lo llaman estancamiento) y se desliza hacia arriba, abajo y lateralmente. Incluso si cada ventilador tuviera un espacio de 30 cm detrás, abierto en los lados y en la parte superior, la continuidad establece un límite duro: todo el aire que entra en 1.800 m² de ventiladores tendría que salir a través de unos 39 m² de espacio, por lo que podría pasar por los ventiladores a no más del 2,2% de la velocidad del viento. La potencia va con el cubo de velocidad, por lo que la pared se mantendría muy por debajo del 0.01% de lo que los mismos ventiladores harían libremente. Las mediciones detrás de un revestimiento ventilado real coinciden: 0,2 a 0,6 m/s de flujo de aire en la cavidad con vientos de hasta 5 m/s (Salonvaara et al., 2007). Cambie el modelo 3D de arriba a la versión 1 para verlo: las rayas del viento se detienen en la pared y se deslizan.

2. Las palas pequeñas funcionan mal. Una pala de ventilador de 120 mm tiene una cuerda de unos 2 cm. El aire a su alrededor se mueve en un número de Reynolds cercano a 10.000, un régimen donde las alas pierden la mayor parte de su relación elevación-resistencia: perfiles lisos mejoran “más de un orden de magnitud” por encima de un número crítico de Reynolds de unos 70.000 (Lissaman, 1983). Las turbinas a escala centímetro alcanzan coeficientes de potencia alrededor del 9% (Howey, Bansal y Holmes, 2011); un rotor de ventilador de computadora de 10 cm usado como turbina entregó 28 mW a 5 m/s, alrededor del 4% de la potencia del viento a través de él por nuestro cálculo (Federspiel y Chen, 2003). Los ventiladores de computadora están diseñados para empujar el aire, no para ser empujados por él.

3. Miles de pequeños generadores desperdician lo poco que producen. Un motor de ventilador que entrega una fracción de un vatio a unos pocos voltios puede perder entre el 10 y el 40% solo en un rectificador de diodo. Nuestra estimación central para toda la cadena desde el ventilador hasta la red es del 54%.

Incluso ignorando la primera razón por completo (una pared independiente de ventiladores), la versión 1 costaría alrededor de $4.20 per kWh on a windy coast and $18 en una ciudad, veinte a cien veces el precio de la energía solar en techo.

La física que establece los límites

La potencia transportada por el viento a través de un área A es P = ½ ρ A v³, con densidad del aire ρ = 1.225 kg/m³. El cubo lo es todo: a 6 m/s un metro cuadrado transporta 132 W, a 12 m/s 1.058 W. En promedio durante un año, un techo de una ciudad con un viento medio de 4 m/s ofrece alrededor de 75 W por m²; una costa expuesta a 6.5 m/s cerca de 321 W por m².

Betz limit. Ningún rotor abierto puede extraer más de 16/27 ≈ 59.3% El aire debe seguir moviéndose fuera del camino, por lo que el flujo de energía a través de su área es constante.

Lo que un segundo rotor puede añadir. Dos rotores en serie (como las etapas de un motor a reacción) pueden alcanzar como mucho 16/25 = 64% De la potencia a través del área de un rotor, e infinitamente muchos solo 2/3 (Newman, 1986). Un motor a reacción apilan etapas porque empuja el aire a través de un núcleo confinado con una enorme diferencia de presión de combustible en llamas. El viento libre no ofrece tal presión: cada etapa adicional ralentiza el aire aún más, y el aire lento se derrama alrededor del dispositivo. Las ganancias medidas de rotores eólicos contra-rotadores varían de 0 a 60%, pero pruebas recientes bien controladas se concentran en 2 a 10% (Adema et al., revisión de 2026).

Qué pueden agregar las aletas del estator. Un rotor deja que el aire se arremolina, y el remolino pierde energía. En las bajas relaciones punta-velocidad de rotores pequeños la pérdida es grande: el rotor Glauert ideal alcanza 0,42 a una relación punta-velocidad de 1, 0,51 a 2 y 0,57 a 5. Las paletas fijas detrás del rotor pueden recuperar parte de él. Nadie ha medido esto en una turbina eólica; en las hélices de los aviones, tales paletas dieron 2 a 5% (Li et al., 2017).

Lo que un conducto puede agregar. Un conducto con un borde plano (la “lente de viento” de la Universidad de Kyushu) reduce la presión detrás del rotor y atrae más aire a través de él. En pruebas en túnel de viento, un difusor compacto con borde elevó el coeficiente de potencia de 0.37 para el rotor desnudo a entre 0.7 y 0.88, relativo al área del rotor, pero solo a 0.48 a 0.54 relativo a todo el borde (Ohya y Karasudani, 2010). Ese es el problema: por metro cuadrado de área frontal, los conductos nunca han superado el límite de Betz, “en la práctica nunca se han alcanzado factores de aumento de potencia superiores a 3”, y las turbinas con conductos han tenido “más de 50 años. Hasta ahora sin ningún éxito comercial” (van Bussel, 2007). El intento reciente más costoso, FloDesign/Ogin, retiró sus turbinas en seis meses y fue liquidado en 2017 (Gipe, 2017).

El tamaño importa debido al número de Reynolds. Se calculó el mejor rotor posible en cada tamaño con un modelo de momento de elemento-pala (óptimo de Glauert con rotación de estela, pérdidas de punta y cubo, y una relación elevación-resistencia que cae con el número de Reynolds, a partir de perfiles medidos de bajo Reynolds como Selig’s SG6043):

Diámetro del rotor	Cuchillas, relación punta-velocidad	Número de Reynolds (75% del radio)	Mejor diseño Cp
4 cm	8, 1.25	4,500	0.23
12 cm (ventilador de ordenador)	8, 1.5	12,000	0.29
25 cm	8, 2.0	20,000	0.36
50 cm (módulo mejorado)	6 a 7, 2.5	43,000	0,39 a 0,40
1 m	6, 3.0	74,000	0.42
7 m (turbina pequeña)	8, 4.5	265,000	0.49

Estos son los techos para las palas construidas a propósito, antes de las pérdidas del mundo real. Como comprobación, una turbina portátil de 39 cm diseñada para este propósito midió 0.32, donde nuestro modelo da alrededor de 0.39 para ese tamaño (Kishore, Coudron y Priya, 2013): por lo tanto, asumimos que el primer hardware alcanza entre el 65 y el 90% del valor de diseño, y mucho menos para los rotores centímetros, donde predomina la separación laminar.

Dirección del viento. Un módulo fijo solo utiliza la parte del viento que sopla en él. La potencia cae aproximadamente con el cubo del ángulo de desalineación para rotores abiertos y más suavemente para conductos (Tamaro et al., 2024; Richmond-Navarro et al., 2022). Con un viento moderado predominante, un módulo que se encuentre frente a él mantiene alrededor del 47% de la energía que obtendría un rotor siempre alineado. La versión 1 asumió el 100%.

El diseño mejorado: una corona en el borde del techo hacia el viento

Toma todo lo anterior y el diseño casi se escribe a sí mismo: rotores más grandes donde el número de Reynolds es más amable, en conductos que los protegen y aceleran, libres donde puede pasar el aire, frente al viento predominante en el lugar de un edificio donde el flujo es más fuerte. Ese lugar es el borde del techo. El aire que golpea la fachada se eleva y gira sobre el borde; por encima de un borde del techo ascendente, el viento es 1.06 a 1.25 veces la velocidad a la altura del techo, pero solo 0.38 veces cuando ese borde está a baja velocidad (Mertens, 2006).

Cada módulo tiene 725 mm cuadrados: un rotor de siete palas de 0,5 m en un conducto compacto de lente de viento, cinco aletas de estator que recuperan algo de remolino y llevan un generador de 50 a 300 W, una malla protectora inoxidable y una placa de potencia sellada con seguimiento del punto de máxima potencia. Dos hileras forman una corona de 1,45 m de altura sobre rieles de acero por encima del parapeto. Una persona puede levantar un módulo y cambiarlo.

Las cuchillas no se adivinan. El modelo los diseña para el número de Reynolds que realmente verán, alrededor de 45.000 a 6 m/s: cuerda de 62 mm cerca de la raíz hasta 36 mm en la punta, torsión de 38° a 10°, una relación de diseño punta-velocidad de 2,5. A 6 m/s el rotor gira a una velocidad de aproximadamente 700 rpm; sus puntas se mueven a unos 30 m/s en un viento de 10 m/s, menos de la mitad de los 79 m/s de las puntas de una turbina grande.

Los números honestos

Por metro cuadrado de área frontal es la forma justa de comparar: una fachada, una corona de techo y una barrera de carretera compiten por lo mismo, una superficie orientada hacia el viento. Valores centrales, con el rango completo de pesimista a optimista en la Datos del modelo. La energía incluye la dirección del viento, turbulencia (5 a 15% de pérdida) y disponibilidad (92 a 97%). Coste de la energía: 20 años a una tasa de descuento real del 7%, mantenimiento del 2 al 5% de la inversión por año.

Diseño	Cp en el área frontal	kWh por m² al año, lugar ventoso / ciudad	Factor de capacidad, viento / ciudad	Coste instalado por m²	Coste por kWh, ventoso / ciudad	Amortización simple a $0.19/kWh
A. Versión 1, ventiladores de 120 mm (de pie)	0.045	23 / 5	5.2% / 1.2%	$765	$4.21 / $18.0	nunca
A2. rotores personalizados de 120 mm	0.089	45 / 11	5.2% / 1.2%	$805	$2.23 / $9.45	nunca
B0. rotores abiertos de 0,5 m, corona	0.148	125 / 34	9.3% / 2.5%	$1,192	$1.19 / $4.37	nunca
B. Mejorado: 0,5 m canalizado, estator, corona	0.164	159 / 43	10.7% / 2.9%	$1,074	$0.84 / $3.10	nunca (mejor caso: 4.5 años de viento)
B2. Como B más un rotor contra-rotador	0.174	168 / 46	10.7% / 2.9%	$1,245	$0.92 / $3.40	nunca
B3.B como barrera independiente	0.164	128 / 32	8.6% / 2.2%	$944	$0.92 / $3.66	nunca
Solar en azotea, mismo edificio		225	12%	$410	$0.19	10,6 años
Solar en la fachada sur		139	7.6%	$630	$0.47	31 años
Turbina de 10 kW, rotor de 7 m en un mástil de 18 a 30 m	0,35 en el rotor	31.600 / 10.300 kWh por turbina	36% / 12%	8.910 dólares por kW	$0.35 / $1.08	27 años de viento

Lo que dice la tabla:

• El conducto se merece su lugar, justo. Por m² frontal, los módulos canalizados (B) superan a los mismos rotores en el aire libre (B0) por aproximadamente 10 a 30%, principalmente porque toleran mejor la dirección del viento. También dan una guardia, una punta más silenciosa y un lugar para el estator.
• El segundo rotor no paga. Añade alrededor de 6% de energía por un 16% más de costo. Un módulo eólico de varias etapas tipo motor a reacción está limitado por la física, no por la ambición.
• Solo pagan los módulos del lado del viento. Una corona alrededor de todo el techo gana solo un 55% por módulo en comparación con el lado del viento solo, porque los otros lados se enfrentan al viento predominante la mayor parte del tiempo. En nuestro edificio de referencia (40 × 20 m, 45 m de altura) la corona sensible es solo el lado del viento: 60 m², alrededor de $ 64.000, alrededor de 9.500 kWh al año en un sitio ventoso, 2.600 en una ciudad. El mismo dinero en solar en el techo compra unos 155 m² de paneles que hacen unos 35.000 kWh al año.
• En las ciudades no puede competir. El microeólica montada en edificios tiene un mal historial: 26 turbinas en los Ensayos Eólicos de Warwick tuvieron un promedio de factor de capacidad del 0.85% (Encraft, 2009), y las tres turbinas en el río Thames de Londres Torre de Strata Se apagaron después de quejas de ruido y vibración.

Para la escala, la flota eólica pequeña de los EE. UU. Promedia un factor de capacidad del 14 al 16% y $6,680 to $9,630 por kW instalado en 2024 y 2025 (PNNL Distributed Wind reports). Nuestra corona aterriza en alrededor de $ 6,300 por kW clasificado, en el mismo rango, que es una señal de que la estimación del costo no es fantasía.

Lo que está probado, plausible y especulativo

Probado (libro de texto o medido): la potencia en el viento y el límite de Betz; el techo 16/25 para dos rotores; que los conductos aumentan la potencia por área del rotor pero no más allá de Betz por área frontal; que las palas pequeñas con números de Reynolds por debajo de unos 70.000 pierden eficiencia; que una pared cerrada no tiene flujo a través; que los bordes del techo aceleran el flujo hacia arriba del viento; que las microturbinas montadas en edificios en las ciudades han funcionado mal.

Plausible (compatible, pero no medido para este diseño): un rotor de 0.5 m diseñado para Reynolds 45,000 que alcanza un coeficiente de potencia alrededor de 0.3 desnudo y 0.55 en el área del rotor en un conducto compacto con borde; eficiencia de cadena del 75% desde el rotor a la red con generadores de 50 a 300 W y MPPT a nivel de módulo; costo instalado cercano a $1,000 por m² para un primer proyecto.

Especulativo (debe medirse): cuánto los conductos empacados uno al lado del otro pierden entre sí (asumimos 10 a 30%); la aceleración real y la turbulencia en una corona en un edificio dado; durabilidad de miles de rodamientos durante 20 años de ráfagas, hielo y polvo; ruido y vibración transmitidos en el edificio; interacción con la vida silvestre con los conductos de malla (las turbinas grandes matan un estimado de 140.000 a 328.000 aves por año en los EE.UU. (Pérdida, voluntad y Marra, 2013); edificios de vidrio matan a 365 a 988 millones (Loss et al., 2014); nadie tiene datos para los módulos de borde del techo en malla).

Lo que tendría que ser verdad

Para la corona en un sitio con vientos de 6,5 m/s, el coste de la electricidad depende de dos cosas que podemos mejorar: cuánta energía proporciona cada metro cuadrado de área frontal y cuánto cuesta instalarla.

Cp en el área frontal	$300 por m²	$500 por m²	$800 por m²	$1,100 por 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

Donde puede ganar, y donde no puede

Puede ganar:

• Edificios altos y sitios costeros con mucho viento, como complemento a la solar: el viento en un borde del techo alcanza picos por la noche, en invierno y durante las tormentas, cuando los paneles solares producen poco.
• Techos ya llenos o sombreados. Una corona utiliza el borde, no la superficie del techo, y no compite con paneles, plantas o terrazas.
• Energía fuera de la red donde los cables son caros: Sensores, iluminación, equipos de telecomunicaciones, estaciones meteorológicas en puentes, mástiles y estructuras costeras.
• Barreras que ya existen: Barreras acústicas de carreteras y ferrocarriles, muros de mar y parapetos de puentes, donde se paga la estructura.
• Visibilidad y educación. Una corona que gira es una declaración pública, pero un panel solar no lo es; escuelas, museos y edificios emblemáticos valoran eso.

No puede ganar:

• Como una fuente barata de electricidad a granel. Costo de los grandes parques eólicos y solares $0.04 to $0,10 por kWh; nada en un edificio se acerca.
• En calles protegidas de la ciudad y suburbios de baja altura, donde el viento medio es inferior a 4 a 5 m/s a la altura del techo.
• Plano en una fachada. Independientemente de cómo estén diseñados los rotores, un muro cerrado no tiene flujo a través.

Hoja de ruta para el desarrollo y cuánto costaría

Fase	Trabajo	Decisión que permite	Costo estimado	Tiempo
0. Estudio de diseño	Diseño de palas y conductos, CFD de un módulo y de una matriz 3 × 3, topología eléctrica, modelo de costes con un fabricante	¿Es plausible un Cp en el área frontal por encima de 0.2 en una matriz?	$30k to $60k	3 a 4 meses
1. Túnel de viento	Tres rotores, tres conductos, estator encendido y apagado, luego una matriz 3 × 3; de 3 a 15 m/s, guiño de 0 a 45°	Cp medido, pérdida de la matriz, velocidad de arranque, ruido	$60k to $120k	4 a 6 meses
2. Módulo prototipo	Generador, placa de potencia, módulo sellado; pruebas de resistencia, hielo, lluvia y acústica (método IEC 61400-11)	Eficiencia y durabilidad del módulo	$50k to $100k	6 meses
3. Piloto en techo	10 a 20 módulos en un borde de viento, anemómetros ultrasónicos o lidar, un año de datos, cámara de vida silvestre	kWh real por m², disponibilidad, ruido en el edificio	$80k to $150k	12 meses
4. Ruta del producto	Ingeniería estructural y de fachadas, base de diseño IEC 61400-2, certificación MCS 006 del Reino Unido o ACP 101-1 de los EE.UU., cumplimiento eléctrico e incendios, seguros	Un producto que un propietario de edificio puede comprar	$100k to $250k	12 a 18 meses

Las fases 0 a 3 necesitan aproximadamente $220,000 to $430,000 y dos años. Cada fase tiene un punto de parada claro: si el túnel de viento no muestra una Cp frontal cercana a 0.2 en un array, nos detenemos allí y publicamos por qué.

A quién necesitamos

• Aerodinámico con experiencia en rotores de bajo Reynolds y con conductos, para diseñar y revisar las cuchillas, el conducto y el estator.
• Un túnel de viento universitario o comercial, con un ingeniero de CFD para planificar pruebas y modelar la interacción de las matrices.
• Ingeniero de electrónica de potencia Para pequeños generadores de imanes permanentes, rectificación activa, MPPT y recogida de CC desde muchos módulos.
• Ingeniero estructural y de fachadas para cargas de viento en la corona (EN 1991-1-4 / ASCE 7), fijaciones, hielo y fatiga.
• Acoustician para el ruido tonal y la vibración transmitidos en el edificio.
• Especialista en viento urbano para medir y modelar el viento en los bordes de los techos candidatos antes de que se construya algo.
• Certificación y cumplimiento: estándares de viento pequeño (IEC 61400-2, -11, -12-1), códigos eléctricos y de incendios, y una aseguradora dispuesta a cubrir un piloto.
• Ecologist Diseñar el monitoreo de aves y murciélagos.
• Socio de fabricación en moldeo por inyección o rotomoldeo para el precio de las palas y conductos a volumen.

Una mejor idea es bienvenida

El Muro Abanico es una respuesta a una pregunta más amplia: ¿cómo pueden los lugares donde la gente ya vive producir, almacenar o ahorrar más energía limpia de lo que hacen hoy? Si los números de esta página le convencen de que un enfoque diferente sería mejor, queremos saberlo. Solar en el techo que también produce calor, almacenamiento térmico, energía recuperada de la red de agua, calor residual o un tiempo más inteligente de demanda podrían batir una corona de viento en muchos edificios. El radar de ideas los compara, y cada uno tiene su propio artículo escrito con la misma honestidad que aplicamos aquí.

Algunos miembros de la Fundación pueden tener contactos que podrían escuchar un pitch. Para ser presentada, una idea necesita un modelo real que funcione y que realmente produzca energía, con su salida medida en un instrumento, no reclamado; es exactamente por eso que esta página termina en un túnel de viento y un piloto en el techo en lugar de un dibujo. Las ideas en papel también son bienvenidas: si la física y los números son sólidos, podemos publicarlas aquí en el sitio web. Pero recaudar capital sin un modelo de trabajo es muy difícil, y nada aquí es una promesa de financiamiento, retornos o introducciones. El estándar es el que esta página intenta cumplir: mostrar los números, decir lo que le demostraría que está equivocado y proponer la prueba más barata.

Cómo puedes ayudar

• Trae tu experiencia. Si trabajas en cualquiera de los campos anteriores, ofrece una tarea. Incluso una hora revisando nuestro modelo es valiosa.
• Ofrece un techo ventoso. Un edificio alto en una costa, colina o llanura abierta con acceso seguro al techo podría albergar el piloto. Díganos dónde está y de qué lado suele soplar el viento.
• Compartir datos del viento. Un año de mediciones del viento desde un techo, puente o mástil costero nos ayuda a elegir el sitio piloto.
• Comprueba nuestras matemáticas. El modelo está abierto. Si encuentras un error, dínoslo: preferimos que se corrija ahora que después de un piloto.
• Propon una idea mejor. Envíelo a través de la Formulario de contribución con el problema que resuelve, la comprobación física, un costo aproximado por kWh y la prueba más barata que podría probarlo equivocado.

Fuentes

1. Salonvaara, M., Karagiozis, A., Pazera, M. y Miller, W. (2007). Cavidades de aire detrás de los revestimientos: ¿qué hemos aprendido? Edificios X Conferencia.
2. Lissaman, P.B.S. (1983). Profilos de bajo número Reynolds. Revisión Anual de Mecánica de Fluidos 15, 223-239.
3. Howey, D.A., Bansal, A. y Holmes, A.S. (2011). Diseño y rendimiento de un aerogenerador envuelto a escala centimétrica para la recolección de energía. Materiales y Estructuras Inteligentes 20, 085021.
4. Federspiel, C.C. y Chen, J. (2003). Sensor de aire. Actas de la Conferencia Internacional de Sensores 2003, 22-25.
5. Newman, B.G. (1986). Teoría de actuadores múltiples para turbinas eólicas. Revista de Ingeniería Eólica y Aerodinámica Industrial 24, 215-225.
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14. Uchida, T., Richmond-Navarro, G. y Calderón-Muñoz, W.R. (2022). Rendimiento de turbina eólica encubierta en condiciones de flujo turbulento. Wind Engineering 46, 518-528.
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23. Grant, A., Johnstone, C. y Kelly, N. (2008). Conversión de energía eólica urbana: el potencial de las turbinas en canal. Energía Renovable 33(6), 1157-1163. Una idea relacionada que también probaremos: conductos a través del parapeto impulsados por la diferencia de presión entre fachada y techo.