Ang Fan Pader
Isang higanteng rotor, o isang daang libong maliliit na mga ito? Kami ay pagsubok kung ang isang pader ng maliit na mga tagahanga, bawat isa sa laki ng isa cooling iyong computer, maaaring i-on ang hangin lungsod sa koryente. Narito ang matematika, kabilang ang mga bahagi na hindi gumagana pa.
Ang bawat turbina ng hangin na iyong nakita ay sumusunod sa parehong lohika: bumuo ng isang rotor bilang malaki hangga’t maaari, ilagay ito bilang mataas hangga’t maaari, at hayaan ang mga malaking blades alisan ng tubig ang langit. Ito ay gumagana brilliantly. Kailangan din nito ang mga crane, kalsada, bukas na lupain, taon ng mga permit, at ito ay pumatay sa mga ibon. Nais naming subukan ang kabaligtaran ideya.
Ang ideya
Kumuha ng maliit na axial fan na cools ng isang computer. Patakbuhin ito pabalik: hayaan ang hangin i-on ang rotor, at ang brushless motor sa loob ay nagiging isang maliit na generator. Ilagay labing-anim ng mga ito sa isang module ang laki ng isang kahon pizza, magbigay ng bawat isa sa isang hugis funnel na speeds up ang hangin, at takpan ang isang pader na may libu-libong mga module.
Kung ang isang fan breaks, ang pader loses isa daang-libong bahagi ng output nito, at sinuman na may isang screwdriver ay maaaring palitan ito. Ang modules barko sa karaniwang mga parcels. Maaari silang umupo sa isang gilid ng rooftop, umakyat sa isang sulok ng gusali o palitan ang mga panel ng isang highway tunog barrier.
Kung saan ito ay maaaring magningning
Ibon at bats. Malaking turbines ay isang tunay na problema para sa mga hayop: isang tinatayang 140,000 hanggang 328,000 ibon mamatay bawat taon sa monopole turbines sa kalapit na Estados Unidos nag-iisa (Loss, Will at Marra, 2013). Ang 150 m rotor na nagbabago sa 10 rpm ay gumagalaw ng mga tip ng blade nito sa π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. Ang isang 120 mm fan sa likod ng isang 10 mm na mesh ay nagbabago ng mga tip nito sa pagtakbo. Walang sinumang sinusukat ibon pakikipag-ugnayan sa meshed micro-fan pader pa, kaya pagsukat ito ay bahagi ng aming programa.
Siting. Wind speeds up kung saan ito ay pinindot: sa ibabaw ng isang gilid bubong, sa paligid ng isang sulok ng gusali, kasama ang isang kalye kanyon. Ang isang malaking rotor ay hindi maaaring sumunod sa mga zone na ito. Ang isang modular array ay maaaring masakop eksakto ang mga ito.
Logistics at pagpapanatili. Walang crane, walang espesyalista, walang espesyal na transportasyon. Ang kabuuang 1,800 m² pader ay sumasaklaw sa tungkol sa 1,700 mga karton, apat o limang shipping containers.
Hamog at araw magkasama. Wind madalas blows sa gabi at sa taglamig, kapag solar panel ay mahina. Sa parehong gusali, ang dalawang maaaring idagdag sa bawat isa.
Ang physics, sa matematika
Ang kapangyarihan na dinadala ng hangin sa pamamagitan ng isang lugar A ay P = ½ ρ A v³, kung saan ang ρ = 1.225 kg/m³ ay ang densidad ng hangin at v ang bilis ng hangin. Ang kubo ay lahat: sa6m / s isang parisukat na metro nagdadala ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; sa 12 m / s ito ay nagdadala ng 1,058 W, walong beses na higit pa.
Walang rotor ay maaaring makuha ang lahat ng mga ito, dahil ang hangin ay dapat panatilihin ang paglipat sa labas ng paraan. Ang Limit ng Betz ay nagsasabing ang isang bukas na rotor ay maaaring mag-extract sa pinakamataas na 16/27 ≈ 59% ng kapangyarihang dumadaloy sa pamamagitan nito.
Ang isang maliit na rotor ay hindi isang maliit na malaking rotor. Ang mga pagbabago sa physics.
Narito ang unang tapat problema. Ang isang 120 mm fan blade ay may isang chord ng tungkol sa2cm. Sa6m/s ang bilang ni Reynolds ay Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, isang rehimen kung saan ang mga blades ay nawawala ang karamihan ng kanilang pag-aakyat. Ang isang2cm rotor dinisenyo bilang isang turbina sa Imperial College naabot ng isang kapangyarihan koepisyent ng tungkol sa 9% (Howey, Bansal at Holmes, 2011). Ang mga fan ng computer ay hugis upang i-push air, hindi upang i-push sa pamamagitan nito. Kaya namin ipagpalagay ang isang rotor kahusayan ng 5% (pessimistic), 10% (central) o 20% (optimist), at isang electric chain mula sa fan sa grid ng 40, 55 o 70%.
Ang mga duct ay maaaring makatulong. Ang isang diffuser na may malawak na gilid, ang “wind lens” binuo sa Kyushu University, multiplied ang kapangyarihan ng isang rotor ng parehong diameter sa pamamagitan ng tungkol sa2hanggang5(Ohya at Karasudani, 2010). Ngunit ang isang duct ay tumatagal ng frontal espasyo: pag-extract ng higit pa kaysa sa tungkol sa kalahati ng kapangyarihan crossing ang frontal lugar ng aparato ay hindi ipinakita (Hinango noong 2018. nito.). Ang aming modelo caps ito doon.
Sa mga sentral na assumptions ang buong pader ay gumagawa ng 7kW sa6m/s, 34 kW sa 10 m/s at 114 kW sa 15 m/s. Ang laki ng fan ay halos hindi nagbabago sa kapangyarihan, dahil ang lahat ng mga sukat ay sumasaklaw sa 55% ng pader na may mga spinning blades; ito ay nagbabago sa bilang ng mga bahagi at ang gastos. Ang mga dulo ng mga ito ay may mas mababang presyon kaysa sa mga dulo ng mga bahaging ito, kaya’t ang mga ito ay hindi nakikita.
Gaano karaming enerhiya sa isang taon
Ang hangin sa isang site ay hindi kailanman pare-pareho. Ang mga ito ay ang mga sumusunod: city rooftop na may average na4m/s, isang highway barrier sa 4.5 m/s at isang exposed coast sa 6.5 m/s. Ang tunay na hangin sa mga lungsod ay mahina: ang UK Carbon Trust ay natagpuan ang ilang mga gusali na umabot ng5m/s (Carbon Trust, 2008), at 26 na naka-mount na mga micro turbine sa Warwick Wind Trials ay may average na kapasidad na 0.85% (Encraft, 2009).
Para sa sukat, isang karaniwang3MW onshore turbine tumatakbo sa isang 35% kapasidad kadahilanan ay lumilikha ng 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh isang taon: bilang marami bilang tungkol sa 65 baybayin fan pader.
Ano ito ay gastos
Tinatayang namin ang bawat bahagi sa bawat square meter: waterproof fans sa $3 to $8 bawat isa sa dami, mga frame at mesh, electronics, at pag-mount sa isang umiiral na gusali. Ang kabuuang pader ay nagkakahalaga ng $0.76 million to $2.43 milyon (central $1.38 milyon) nang walang mga ducts. Ipalaganap sa loob ng 20 taon sa isang 7% diskwento rate, na may pagpapanatili, na nagbibigay ng gastos ng bawat kilowatt-oras.
Ang tapat na pagbabasa: binuo mula sa mga tagahanga ng computer ngayon, ang Fan Wall gastos tungkol sa $1.20 per kWh on a windy coast and about $5sa isang lungsod sa gitnang kaso. Ang mga gastos sa solar na pang-residensyal na rooftop ay $0.12 to $0.28, utility-scale wind $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, Hunyo 2024; IRENA, 2024). Bilang isang planta ng kapangyarihan, ang konsepto ay hindi nakikipagkumpitensya ngayon.
Ano ay may upang maging totoo
Research umiiral upang baguhin ang mga numero tulad ng mga ito. Sa isang baybayin site na may ducted modules at isang 65% electric chain, ang gastos sa bawat kWh ay depende sa dalawang bagay na maaari naming magtrabaho sa: kung paano rin ang bawat ducted rotor convert hangin (epektibong kahusayan nito) at kung ano ang isang parisukat metro ng mga gastos pader naka-install.
| Mabisa ducted rotor kahusayan | $200 bawat metro kuwadrado | $400 bawat metro kuwadrado | $800 bawat 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 |
Ang pananaliksik programa
| Phase | Ano ang ginagawa namin | Ano ang sinusukat namin | Tinatayang gastos |
|---|---|---|---|
| 0. Pag-aaral sa desk | Computer simulation ng mga hugis ng duct, disenyo ng blades at layout ng kuryente | Hinulaang kahusayan at pagkawala | $15k to $30k |
| 1. Bench pagsubok | 20 off-the-shelf at 20 custom rotor sa isang hangin tunnel mula3hanggang 15 m / s | Kahusayan kurva, pagsisimula-up bilis, ingay | $30k to $60k |
| 2. Isang module | Ang isang 16-fan module na may mga ducts at kapangyarihan electronics | Module kahusayan, isang taon sa labas | $25k to $50k |
| 3. 10 m² pilot | Isang instrumented rooftop panel na may isang kamera ng wildlife | Enerhiya, array pagkawala, availability, ibon at bats | $60k to $120k |
| 4. Buong disenyo ng pader | Istraktura, sertipikasyon, huling gastos modelo | Naka-install na gastos bawat m², gastos sa bawat kWh | $50k to $100k |
Ang mga phase0hanggang3ay nangangailangan ng humigit-kumulang na $130,000 to $260,000. Ang isang buong pader lamang ay may kahulugan kung ang piloto nakumpirma ang teorya. Ang lahat ng pananaliksik ay binabayaran mula sa Treasury ng Foundation, na nagtataguyod ng lahat ng kailangan ng proyekto, mula sa mga laboratoryo at tagapagtustos hanggang sa mga server at tao; ang mga donasyon ay hindi maaaring i-reserba para sa isang programa. Ang buong teknikal na ulat, ang modelo at ang mga datos nito ay bukas: model data at model code.
Paano ka makakatulong
- Dadalhin ang iyong kadalubhasaan. Kailangan namin ng mga tao na alam maliit-rotor aerodynamics, hangin tunnels, kapangyarihan electronics, istraktura engineering o ibon pagsubaybay. Ipagkaloob ang isang gawain.
- Ialok ng isang rooftop. Ang isang windy flat bubong na may ligtas na access ay maaaring mag-host sa 10 m² pilot. Sabihin sa amin kung saan ito ay at kung paano nakalantad ito pakiramdam.
- Ibahagi ang data ng hangin. Kung patakbuhin mo ang isang istasyon ng panahon sa isang bubong, isang baybayin o isang tulay, isang taon ng mga pagsukat ng hangin ay tumutulong sa amin na pumili ng pilot site.
- Test sa bahay. Isang murang waterproof fan, isang tulay rectifier at isang multimeter sa isang windy balkonahe gumawa ng isang fine science proyekto. Subukan ang boltahe at kasalukuyang sa iba’t ibang hangin at magpadala sa amin ng mga numero.
- Suportahan ang Foundation. Mga donasyon pumunta sa Treasury at panatilihin ang lahat ng aming mga pananaliksik, kabilang ang isa na ito, paglipat.
Pinagmulan
- Ang mga ito ay ang: Howey, D.A., Bansal, A. at Holmes, A.S. (2011). Ang disenyo at pagganap ng isang sentimetro-scale shrouded hangin turbina para sa enerhiya harvesting. Smart mga materyales at istraktura 20, 085021.
- Ang Ohya, Y. at Karasudani, T. (2010). Ang isang shrouded hangin turbina na bumubuo ng mataas na output kapangyarihan sa pamamagitan ng wind-lens teknolohiya. 3 (4), pahina 634-649. nito..
- Ang mga ito ay kinabibilangan ng: Van Bussel, G.J.W., de Oliveira, G., at Avallone, F. (2018). Ang mga turbinang hangin ay may kakayahang mag-operasyon sa mataas na presyon. Ang Wind Energy Science 3, 221-229.
- Ang Carbon Trust (2008) ay isang seryeng manga. Small-scale hangin enerhiya: patakaran pananaw at praktikal na gabay.
- Ang Encounter (2009) … Warwick Wind Pagsubok huling ulat.
- Pacific Northwest National Laboratory (2024). Distributed Wind Market Report, 2024 edition: maliit na hangin averaged $ 7,370 bawat kW naka-install at isang 13% kapasidad kadahilanan sa 2023.
- Lazard (June 2024). Levelized Gastos ng Enerhiya +.
- IRENA (2024). Renewable Power Generation Gastos sa 2023.
- Odyssey ng mga tao. Pagkonsumo ng koryente bawat tirahan, EU.
- Ang 2022 ay isang taon sa kalendaryo. Average na paggamit ng koryente sa tirahan.
- Ang mga ito ay ang: A., B., C., D. at E. (2013). Ang mga ito ay mga uri ng mga ibon na matatagpuan sa mga tropikal na lugar ng Hilagang Amerika. Biological Conservation 168, 201-209.