Le mur du ventilateur
Un rotor géant ou cent mille minuscules ? Nous testons si un mur de petits ventilateurs, chacun de la taille de celui qui refroidit votre ordinateur, peut transformer le vent de la ville en électricité.Voici les calculs, y compris les parties qui ne fonctionnent pas encore.
Toutes les éoliennes que vous avez jamais vues suivent la même logique : construire un rotor aussi grand que possible, le placer aussi haut que possible et laisser les énormes pales balayer le ciel. Cela fonctionne brillamment. Elle nécessite aussi des grues, des routes, des terrains ouverts, des années de permis et elle tue les oiseaux. Nous voulons tester l’idée inverse.
L’idée de base
Prenez le petit ventilateur axial qui refroidit un ordinateur. Faites-le tourner à l’envers: laissez le vent faire tourner le rotor, et le moteur brushless à l’intérieur devient un petit générateur. Mettez seize d’entre eux dans un module de la taille d’une boîte à pizza, donnez à chacun un entonnoir en forme qui accélère l’air et couvrez un mur avec des milliers de modules.
Si un ventilateur se casse, le mur perd un cent-millième de sa puissance, et n’importe qui avec un tournevis peut le remplacer. Les modules sont expédiés dans des colis ordinaires. Ils peuvent s’asseoir sur le bord d’un toit, grimper dans un coin de bâtiment ou remplacer les panneaux d’une barrière acoustique d’autoroute.
Où il pourrait briller
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). Un rotor de 150 m tournant à 10 tr/min déplace ses extrémités de pales à π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. Un ventilateur de 120 mm derrière une maille de 10 mm tourne ses pointes au rythme d’une marche. Personne n’a encore mesuré l’interaction des oiseaux avec les murs de micro-ventilateurs maillées, donc la mesure fait partie de notre programme.
Siting. Le vent accélère là où il est pressé : au-dessus d’un bord de toit, autour d’un coin de bâtiment, le long d’un canyon de rue. Un rotor géant ne peut pas suivre ces zones. Un tableau modulaire peut les couvrir exactement.
Logistique et maintenance. Pas de grue, pas de spécialiste, pas de transport spécial. Un mur entier de 1800 m² tient dans environ 1700 cartons, quatre ou cinq conteneurs d’expédition.
Le vent et le soleil ensemble. Le vent souffle souvent la nuit et en hiver, lorsque les panneaux solaires sont faibles. Sur le même bâtiment, les deux peuvent se compléter.
La physique, avec les maths
La puissance transportée par le vent à travers une zone A est P = ½ ρ A v³, où ρ = 1.225 kg/m³ est la densité de l’air et v la vitesse du vent. Le cube est tout: à 6 m/s un mètre carré transporte ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; à 12 m/s il transporte 1.058 W, soit huit fois plus.
Aucun rotor ne peut tout attraper, car l’air doit continuer à se déplacer hors du chemin. The Limite de Betz dit qu’un rotor ouvert peut extraire au plus 16/27 ≈ 59% De la puissance qui le traverse.
Un minuscule rotor n’est pas un petit gros rotor. La physique change.
Voici le premier problème honnête. Une pale de ventilateur de 120 mm a une corde d’environ 2 cm. A 6 m/s son nombre de Reynolds est Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, un régime où les pales perdent la majeure partie de leur portance. Un rotor de 2 cm conçu comme une turbine à l’Imperial College a atteint un coefficient de puissance d’environ 9% (Howey, Bansal et Holmes, 2011). Les ventilateurs d’ordinateur sont conçus pour pousser l’air, pas pour être poussés par lui. Nous supposons donc un rendement du rotor de 5% (pessimiste), 10% (central) ou 20% (optimiste), et une chaîne électrique du ventilateur au réseau de 40, 55 ou 70%.
Les conduits peuvent aider. Un diffuseur à large bord, la “lentille de vent” mise au point à l’Université de Kyushu, a multiplié la puissance d’un rotor du même diamètre par environ 2 à 5 (Ohya et Karasudani, 2010). Mais un conduit prend de l’espace frontal: il n’a pas été démontré qu’il est possible d’extraire beaucoup plus que la moitié environ de la puissance traversant la zone frontale du dispositif (Dighe et al., 2018). Notre modèle s’arrête là.
Avec les hypothèses centrales le mur entier fait 7 kW à 6 m/s, 34 kW à 10 m/s et 114 kW à 15 m/s. La taille du ventilateur change à peine la puissance, puisque toutes les tailles couvrent environ 55% du mur avec des pales tournantes; cela change le nombre de pièces et le coût. Les conduits ne gagnent que s’ils doublent plus du double la puissance de chaque rotor, car ils laissent de la place pour moins de ventilateurs.
Combien d’énergie en un an
Le vent sur un site n’est jamais constant. Nous modélisons trois sites avec une distribution de vent standard (Rayleigh) : un toit urbain moyennant 4 m/s, une barrière autoroutière à 4.5 m/s et une côte exposée à 6.5 m/s. Le vent urbain réel est faible : le Carbon Trust du Royaume-Uni a trouvé peu de sites de construction atteignant même 5 m/s (Carbon Trust, 2008), et 26 microturbines montées sur des bâtiments dans les essais éoliens de Warwick ont un facteur de capacité moyen de 0,85% (Encraft, 2009).
Pour l’échelle, une turbine terrestre ordinaire de 3 MW fonctionnant à un facteur de capacité de 35% produit 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh par an: jusqu’à environ 65 murs d’éventails côtiers.
Ce que cela coûterait
Nous avons estimé chaque pièce au mètre carré: ventilateurs étanches à $3 to $8 chacun en volume, cadres et treillis, électronique et montage sur un bâtiment existant. Tout le mur vient à $0.76 million to $2,43 millions (central 1,38 million de dollars) sans conduits. Réparti sur 20 ans à un taux d’escompte de 7%, avec maintenance, qui donne le coût de chaque kilowatt-heure.
La lecture honnête: construit à partir des ventilateurs d’ordinateur d’aujourd’hui, le Fan Wall coûte environ $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 dans une ville dans le cas central. Les coûts solaires des toits résidentiels sont de $0.12 to $0,28, les coûts éoliens à l’échelle des services publics de $0.03 to $0,07 (Lazard LCOE+, juin 2024; IRENA, 2024). En tant que centrale électrique, le concept ne fait pas concurrence aujourd’hui.
Ce qui devrait être vrai
La recherche existe pour changer des chiffres comme ceux-ci. Sur un site côtier avec des modules canalisés et une chaîne électrique à 65%, le coût par kWh dépend de deux choses sur lesquelles nous pouvons travailler: la façon dont chaque rotor canalisé convertit l’énergie éolienne (son rendement effectif) et le coût d’installation d’un mètre carré de mur.
| Efficacité efficace du rotor conduit | 200 $ par m² | 400 $ par m² | 800 $ par 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 |
Le programme de recherche
| Phase | Ce que nous faisons | Ce que nous mesurons | Coût estimatif |
|---|---|---|---|
| 0. Étude documentaire | Simulation informatique des formes de conduit, des conceptions de pales et de la disposition électrique | Efficacité et pertes prévues | $15k to $30k |
| 1. Essais au banc | 20 rotors standard et 20 rotors personnalisés dans une soufflerie de 3 à 15 m/s | Courbes d’efficacité, vitesse de démarrage, bruit | $30k to $60k |
| 2. Un module | Un module à 16 ventilateurs avec conduits et électronique de puissance | Efficacité du module, un an en extérieur | $25k to $50k |
| 3. Pilote de 10 m² | Un panneau de toit instrumenté avec une caméra faunique | Énergie, pertes de réseaux, disponibilité, oiseaux et chauves-souris | $60k to $120k |
| 4. Pleine conception de mur | Structure, certification, modèle de coût final | Coût installé par m², coût par kWh | $50k to $100k |
Les phases 0 à 3 nécessitent environ $130,000 to $260,000. Un mur complet n’a de sens que si le pilote confirme l’hypothèse. Toutes les recherches sont payées par la Trésorerie de la Fondation, qui finance tout ce dont le projet a besoin, des laboratoires et fournisseurs aux serveurs et personnes; les dons ne peuvent pas être réservés à un programme. Le rapport technique complet, le modèle et ses données sont ouverts: données du modèle et code du modèle.
Comment vous pouvez aider
- Apportez votre expertise. Nous avons besoin de personnes qui connaissent l’aérodynamique des petits rotors, les souffleries, l’électronique de puissance, le génie structurel ou la surveillance des oiseaux. Offrez une tâche.
- Offrez un rooftop. Un toit plat venteux avec accès sécurisé pourrait accueillir le pilote de 10 m². Dites-nous où il est et à quel point il se sent exposé.
- Partager les données du vent. Si vous exploitez une station météorologique sur un toit, une côte ou un pont, une année de mesures du vent nous aide à choisir le site pilote.
- Test à la maison. Un ventilateur étanche bon marché, un redresseur de pont et un multimètre sur un balcon venteux font un beau projet scientifique. Mesurez la tension et le courant à différents vents et envoyez-nous les chiffres.
- Soutenez la Fondation. Les dons vont à l’association Trésorerie Et de faire avancer toutes nos recherches, y compris celle-ci.
Sources
- Howey, D.A., Bansal, A. et Holmes, A.S. (2011). Conception et performance d’une éolienne enveloppée à l’échelle centimétrique pour la récolte de l’énergie. Matériaux et Structures Intelligentes 20, 085021.
- Ohya, Y. et Karasudani, T. (2010). Une éolienne enveloppée générant une puissance de sortie élevée avec la technologie de lentille de vent. Energies 3(4), 634-649.
- Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. et van Bussel, G.J.W. (2018). Optimisation des éoliennes à conduits et sensibilité à la position du rotor. Energies renouvelables 3, 221-229.
- Carbon Trust (2008). Énergie éolienne à petite échelle : points de vue politiques et conseils pratiques.
- Encraft (2009). Rapport final des essais éoliens de Warwick.
- Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (2024). Distributed Wind Market Report, 2024 edition: small wind averaged $7,370 per kW installed and a 13% capacity factor in 2023.
- Lazard (juin 2024). Coût de l’énergie nivelé+.
- IRENA (2024). Coûts de production d’énergie renouvelable en 2023.
- Odyssée-Mure. Consommation d’électricité par logement, UE.
- US Energy Information Administration (2022). Consommation d’électricité résidentielle moyenne.
- Loss, S.R., Will, T. et Marra, P.P. (2013). Estimations de la mortalité par collision d’oiseaux dans les installations éoliennes des États-Unis contigus. Biological Conservation 168, 201-209.