La pared del ventilador
¿Un rotor gigante o cien mil más pequeños? Estamos probando si una pared de pequeños ventiladores, cada uno del tamaño del que enfría su computadora, puede convertir el viento de la ciudad en electricidad.
Cada aerogenerador que hayas visto sigue la misma lógica: construir un rotor lo más grande posible, colocarlo lo más alto posible y dejar que las enormes palas barren el cielo. Funciona genial. También necesita grúas, carreteras, tierras abiertas, años de permisos y mata aves. Queremos probar la idea opuesta.
La idea
Tomemos el pequeño ventilador axial que enfría una computadora. Ejecútelo al revés: deje que el viento gire el rotor, y el motor sin escobillas dentro se convierte en un pequeño generador. Pon dieciséis de ellos en un módulo del tamaño de una caja de pizza, dale a cada uno un embudo con forma que acelere el aire y cubre una pared con miles de módulos.
Si un ventilador se rompe, la pared pierde una centésima de su potencia y cualquiera con un destornillador puede reemplazarlo. Los módulos se envían en paquetes ordinarios. Pueden sentarse en el borde de un tejado, subir a una esquina del edificio o reemplazar los paneles de una barrera acústica de la carretera.
Donde podría brillar
Aves y murciélagos. Las grandes turbinas son un problema real para la vida silvestre: se estima que entre 140.000 y 328.000 aves mueren cada año en las turbinas monopolares solo en los Estados Unidos (Pérdida, voluntad y Marra, 2013). Un rotor de 150 m que gira a 10 rpm mueve sus puntas de cuchilla en π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. Un ventilador de 120 mm detrás de una malla de 10 mm gira sus puntas a ritmo de caminar. Nadie ha medido todavía la interacción de las aves con paredes de microventiladores en malla, por lo que medirla forma parte de nuestro programa.
Situación. El viento se acelera donde está apretado: sobre un borde del techo, alrededor de una esquina del edificio, a lo largo de un cañón de la calle. Un rotor gigante no puede seguir esas zonas. Una matriz modular puede cubrir exactamente ellos.
Logística y mantenimiento. Sin grúa, sin especialista, sin transporte especial. Una pared de 1.800 m² cabe en unas 1.700 cajas, cuatro o cinco contenedores de transporte.
Viento y sol juntos. El viento a menudo sopla por la noche y en invierno, cuando los paneles solares son débiles. En el mismo edificio, los dos pueden complementarse entre sí.
La física, con las matemáticas
La potencia transportada por el viento a través de un área A es P = ½ ρ A v³, donde ρ = 1.225 kg/m³ es la densidad del aire y v la velocidad del viento. El cubo lo es todo: a 6 m/s un metro cuadrado lleva ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; a 12 m/s lleva 1.058 W, ocho veces más.
Ningún rotor puede atraparlo todo, porque el aire debe seguir moviéndose fuera del camino. The Betz limit Dice que un rotor abierto puede extraer como mucho 16/27 ≈ 59% del poder que fluye a través de ella.
Un rotor diminuto no es un rotor pequeño y grande. La física cambia.
Aquí está el primer problema honesto. Una pala de ventilador de 120 mm tiene una cuerda de unos 2 cm. A 6 m/s su número de Reynolds es Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, un régimen donde las palas pierden la mayor parte de su elevación. Un rotor de 2 cm diseñado como una turbina en el Imperial College alcanzó un coeficiente de potencia del 9% (Howey, Bansal y Holmes, 2011). Los ventiladores de computadora están diseñados para empujar el aire, no para ser empujados por él. Por lo tanto, asumimos una eficiencia del rotor de 5% (pesimista), 10% (central) o 20% (optimista), y una cadena eléctrica desde el ventilador a la red de 40, 55 o 70%.
Los conductos pueden ayudar. Un difusor con un ala ancha, la “lente de viento” desarrollada en la Universidad de Kyushu, multiplicó la potencia de un rotor del mismo diámetro por aproximadamente 2 a 5 (Ohya y Karasudani, 2010). Pero un conducto ocupa espacio frontal: no se ha demostrado que extraiga mucho más de la mitad de la potencia cruzando el área frontal del dispositivo (Dighe et al., 2018). Nuestro modelo termina ahí.
Con los supuestos centrales, la pared entera hace 7 kW a 6 m/s, 34 kW a 10 m/s y 114 kW a 15 m/s. El tamaño del ventilador apenas cambia la potencia, ya que todos los tamaños cubren aproximadamente el 55% de la pared con aspas giratorias; cambia el número de piezas y el costo. Los conductos solo ganan si más que duplican la salida de cada rotor, porque dejan espacio para menos ventiladores.
Cuánta energía en un año
El viento en un sitio nunca es constante. Se modelan tres sitios con una distribución estándar (Rayleigh) del viento: un techo de la ciudad promediando 4 m/s, una barrera de carretera a 4.5 m/s y una costa expuesta a 6.5 m/s. El viento urbano real es débil: el Carbon Trust del Reino Unido encontró pocos sitios de construcción que alcanzan incluso 5 m/s (Carbon Trust, 2008), y 26 microturbinas montadas en edificios en las Pruebas Eólicas de Warwick promediaron un factor de capacidad del 0.85% (Encraft, 2009).
Para la escala, una turbina terrestre ordinaria de 3 MW funcionando a un factor de capacidad del 35% produce 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh al año: tanto como alrededor de 65 muros de abanico costeros.
Lo que costaría
Estimamos cada pieza por metro cuadrado: ventiladores impermeables de $3 to $8 cada uno en volumen, marcos y malla, electrónica y montaje en un edificio existente. Toda la pared viene a $0.76 million to $2,43 millones (central $1.38 millones) sin conductos. Repartido en 20 años a una tasa de descuento del 7%, con mantenimiento, que da el costo de cada kilovatio-hora.
La lectura honesta: construido a partir de los ventiladores actuales, el Fan Wall cuesta alrededor de $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 en una ciudad en la caja central. Costos solares en tejados residenciales $0.12 to $0.28, viento de escala de utilidad $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, junio de 2024; IRENA, 2024). Como una planta de energía, el concepto no compite hoy en día.
Lo que tendría que ser verdad
La investigación existe para cambiar números como estos. En un sitio costero con módulos canalizados y una cadena eléctrica del 65%, el costo por kWh depende de dos cosas en las que podemos trabajar: qué tan bien cada rotor canalizado convierte el viento (su eficiencia efectiva) y cuánto cuesta instalar un metro cuadrado de pared.
| Eficiencia efectiva del rotor canalizado | $200 por m² | $400 por m² | $800 por m² |
|---|---|---|---|
| 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 |
El programa de investigación
| Fase | Lo que hacemos | Lo que medimos | Costo estimado |
|---|---|---|---|
| 0. Estudio documental | Simulación por ordenador de formas de conductos, diseños de palas y disposición eléctrica | Eficiencia y pérdidas previstas | $15k to $30k |
| 1. Pruebas de banco | 20 rotores estándar y 20 personalizados en un túnel de viento de 3 a 15 m/s | Curvas de eficiencia, velocidad de arranque, ruido | $30k to $60k |
| 2. Un módulo | Un módulo de 16 ventiladores con conductos y electrónica de potencia | Eficacia del módulo, un año al aire libre | $25k to $50k |
| 3. Piloto de 10 m² | Un panel de techo instrumentado con una cámara de vida silvestre | Energía, pérdidas de arreglos, disponibilidad, aves y murciélagos | $60k to $120k |
| 4. diseño completo de la pared | Estructura, certificación, modelo de coste final | Coste instalado por m², coste por kWh | $50k to $100k |
Las fases 0 a 3 necesitan aproximadamente $130,000 to $260,000. Una pared completa solo tiene sentido si el piloto confirma la hipótesis. Todas las investigaciones son pagadas por la Tesorería de la Fundación, que financia todo lo que el proyecto necesita, desde laboratorios y proveedores hasta servidores y personas; las donaciones no se pueden reservar para un programa. El informe técnico completo, el modelo y sus datos están abiertos: model data y model code.
Cómo puedes ayudar
- Trae tu experiencia. Necesitamos personas que conozcan la aerodinámica de rotores pequeños, túneles de viento, electrónica de potencia, ingeniería estructural o monitoreo de aves. Ofrecer una tarea.
- Ofrecer una azotea. Un techo plano ventoso con acceso seguro podría albergar al piloto de 10 m². Díganos dónde está y qué tan expuesto se siente.
- Comparte datos del viento. Si tienes una estación meteorológica en un techo, en la costa o en un puente, un año de mediciones del viento nos ayuda a elegir el sitio piloto.
- Prueba en casa. Un ventilador barato a prueba de agua, un rectificador puente y un multímetro en un balcón ventoso hacen un buen proyecto científico. Mida el voltaje y la corriente a diferentes vientos y envíenos los números.
- Apoya a la Fundación. Las donaciones van al Tesoro y mantienen toda nuestra investigación, incluyendo esta, en movimiento.
Fuentes
- 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.
- Ohya, Y. y Karasudani, T. (2010). Un aerogenerador envuelto que genera alta potencia de salida con tecnología de lente de viento. Energies 3(4), 634-649.
- Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. y van Bussel, G.J.W. (2018). Optimización de aerogeneradores con conductos y sensibilidad a la posición del rotor. Ciencia de la Energía Eólica 3, 221-229.
- Carbon Trust (2008). Energía eólica a pequeña escala: perspectivas de política y orientación práctica.
- Encraft (2009). Informe final de los ensayos eólicos de Warwick.
- Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (2024). Informe del mercado de energía eólica distribuida, edición 2024: el viento pequeño promedió $7,370 por kW instalado y un factor de capacidad del 13% en 2023.
- Lazard (junio de 2024). Coste de Energía+ nivelado.
- IRENA (2024). Costes de generación de energía renovable en 2023.
- Muro de Odisea. Consumo de electricidad por vivienda, UE.
- Administración de Información Energética de EE.UU. (2022). Uso promedio de electricidad residencial.
- Loss, S.R., Will, T. y Marra, P.P. (2013). Estimaciones de la mortalidad por colisión con aves en instalaciones eólicas en los Estados Unidos contiguos. Biological Conservation 168, 201-209.