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पवन टर्बाइन, सौर पैनल, एक बिजली पाइलन और सूर्यास्त पर एक कूलिंग टावर.
गूगल शोध

फैन दीवार

एक विशाल रोटर, या सौ हजार छोटे रोटर? हम जाँच रहे हैं कि क्या छोटे पंखों की दीवार, जो आपके कंप्यूटर को ठंडा करने वाले पंखे के बराबर होती है, शहरी हवा को बिजली में बदल सकती है. यहाँ गणित है, जिनमें वे भाग भी शामिल हैं जो अभी तक काम नहीं करते.

आपने जो भी पवन टर्बाइन देखा है, उसमें एक ही तर्क का पालन किया गया है: जितना संभव हो उतना बड़ा रोटर बनाओ, उसे जितना संभव हो उतना ऊंचा रखो और उसके विशाल ब्लेडों को आसमान को साफ करने दें। यह शानदार काम करता है. इसके लिए क्रेन, सड़कें, खुले मैदान, सालों के परमिट की भी जरूरत होती है और यह पक्षियों को मारता है। इसका विपरीत विचार भी किया जा सकता है।

फ़ैन वाल की सामने की ऊँचाई, 40 मीटर लंबी और 15 मंजिलों की ऊंचाई पर, छोटे प्रशंसकों के मॉड्यूल में कवर किया गया है, एक व्यक्ति और स्केल के लिए एक बस के साथ.
फ़ैन वाल अवधारणा: 40 मीटर लंबा, 15 मंजिलें (45 मीटर) ऊंचा, 1,800 वर्ग मीटर लगभग 110,000 120 मिमी प्रशंसकों में कवर, 6,900 प्लग-इन मॉड्यूलों में समूहीकृत। Local Solar System फाउंडेशन अवधारणा चित्रण.

विचार

एक छोटे अक्षीय पंखे को लीजिए जो कंप्यूटर को ठंडा करता है। इसका उपयोग निम्न प्रकार से किया जाता है: एक छोटे से इंजन में, इंजन के अंदर की हवा को बाहर निकाला जाता है और इंजन का तापमान कम हो जाता है। Put sixteen of them in a module the size of a pizza box, give each one a shaped funnel that speeds up the air, and cover a wall with thousands of modules.

1,800 m²wall area: 40 m long, 15 floors of 3 m
109,863fans of 120 mm at 8 mm spacing (without ducts)
6,900plug-in modules of 16 fans, 3.5 kg each
79 m/sblade-tip speed of a 150 m rotor at 10 rpm; a 120 mm fan: about 6 m/s

यदि एक पंखा टूट जाता है, तो दीवार अपने उत्पादन का सौ हजारवां हिस्सा खो देती है और किसी भी व्यक्ति के पास स्क्रूड्राइवर हो सकता है। जहाजों को सामान्य रूप से दो भागों में विभाजित किया जाता है। वे एक छत के किनारे पर बैठ सकते हैं, इमारत के कोने में चढ़ सकते हैं या राजमार्ग ध्वनि बाधा के पैनल को बदल सकते हैं।

जहां यह चमक सकता है

पक्षियों और भालू. बड़े टर्बाइन वन्यजीवों के लिए एक वास्तविक समस्या हैं: संयुक्त राज्य अमेरिका में अकेले मोनोपोल टर्बाइनों में प्रति वर्ष लगभग 140,000 से 328,000 पक्षियों की मौत होती है।2013 में, रॉय और एच।). एक 150 मीटर रोटर जो 10 आरपीएम पर घूमता है, अपने ब्लेड टिप्स को π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s पर ले जाता है। एक 10 मिमी जाल के पीछे एक 120 मिमी फैन अपने टिप्स को चलने की गति पर घुमाता है। किसी ने भी अभी तक माइक्रो-फेन दीवारों के साथ पक्षियों की बातचीत का माप नहीं किया है, इसलिए इसे मापना हमारे कार्यक्रम का हिस्सा है।

Siting. हवा की गति बढ़ जाती है जहां इसे दबाया जाता है: एक छत के किनारे पर, एक इमारत के कोने के आसपास, एक सड़क घाटी के साथ। एक विशाल रोटर इन क्षेत्रों का पालन नहीं कर सकता है। एक मॉड्यूलर ऐरे उन्हें ठीक से कवर कर सकता है।

![एक शहर की इमारत के छत पर फैन वाल मॉड्यूल की एक पंक्ति, जहां हवा छत के किनारे से ऊपर उठती है.](/wind/crown-section.svg “छत के किनारे: छत के ऊपर स्पीड-अप क्षेत्र में छत के साथ मॉड्यूल बैठते हैं। “चित्रकला” (लेख)।

![एक कार्यालय भवन के हवादार कोने पर फैन वाल मॉड्यूल की ऊर्ध्वाधर पट्टी.](/wind/module-section.svg “बिल्डिंग कोने: एक पूर्ण ऊंचाई वाली पट्टी जहां प्रवाह इमारत के चारों ओर तेज़ हो जाता है। “चित्रकला” (लेख)।

![फेन वाल मॉड्यूल से निर्मित ध्वनि बाधा के साथ एक राजमार्ग का क्रॉस-सेक्शन.](/wind/blade-design.svg “राजमार्ग ध्वनि बाधा: शोर के लिए दीवार पहले से ही मौजूद है; मॉड्यूल उत्पन्न करते हैं। “चित्रकला” (लेख)।

लॉजिस्टिक और रखरखाव. कोई क्रेन, कोई विशेषज्ञ, कोई विशेष परिवहन नहीं। एक पूरी 1,800 वर्ग मीटर की दीवार लगभग 1,700 कार्टनों, चार या पांच शिपिंग कंटेनरों में फिट होती है।

![एक कार्डबोर्ड कार्टून जिसमें चार फैन वाल मॉड्यूल हैं, 55 x 55 x 40 सेंटीमीटर.](/wind/shipping.svg “शिपिंग: प्रति 55 × 55 × 40 सेमी कार्टन में चार मॉड्यूल, लगभग 15 किलो, एक व्यक्ति द्वारा उठाए गए। “चित्रकला” (लेख)।

हवा और सूर्य एक साथ. गर्मियों और सर्दियों के मौसम में, जब सूरज की रोशनी कम होती है। एक ही इमारत पर, दोनों एक दूसरे को पूरक कर सकते हैं।

भौतिकी, गणित के साथ

एक क्षेत्र A के माध्यम से हवा द्वारा उठाई गई शक्ति P = ½ ρ A v³ है, जहां ρ = 1.225 kg/m³ वायु का घनत्व और v हवा की गति है। घन सब कुछ है:6मीटर / सेकंड पर एक वर्ग मीटर ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W लेता है; 12 मीटर / सेकंड पर यह 1,058 वॉट लेता है, आठ गुना अधिक।

कोई भी रोटर इसे पकड़ नहीं सकता, क्योंकि हवा को रास्ते से बाहर निकलते रहने की जरूरत है। बेट्ज़ सीमा कहता है कि एक खुला रोटर उससे बहने वाली शक्ति का अधिकतम 16/27 ≈ 59% निकाल सकता है।

एक छोटा रोटर एक छोटा बड़ा रोटर नहीं है। भौतिकी बदलती है.

यह पहला सत्य प्रश्न है। एक 120 मिमी फैन ब्लेड का तार लगभग2सेंटीमीटर लंबा होता है। 6मीटर/सेकंड पर इसकी रेनॉल्ड्स संख्या Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000 होती है, जो एक ऐसी स्थिति होती है जिसमें ब्लेड अपनी अधिकतर ऊँचाई खो देते हैं। इंपीरियल कॉलेज में एक टर्बाइन के रूप में डिजाइन किए गए2सेमी रोटर ने लगभग 9% की शक्ति गुणांक तक पहुंचा (Howey, Bansal and Holmes, 2011)। कंप्यूटर प्रशंसकों का आकार हवा को धकेलने के लिए बनाया जाता है, इसे दबाने के लिए नहीं। इसलिए हम मानते हैं कि रोटर की दक्षता 5% (दुर्भाग्यपूर्ण), 10% (केंद्रीय) या 20% (आशावादी) है और पंखे से ग्रिड तक बिजली की श्रृंखला 40, 55 या 70% है।

डक्ट मदद कर सकते हैं. एक विस्तृत किनारे के साथ एक डिफ्यूज़र, “विंड लेंस” को क्यूशू विश्वविद्यालय में विकसित किया गया था, जिसने लगभग2से5(एक ही व्यास के रोटर की शक्ति को गुणा कर दिया।ओडिया और कन्नड़, 2010।). लेकिन एक नलिका सामने की जगह लेती है: उपकरण के सामने के क्षेत्र को पार करने वाली आधे से अधिक शक्ति का निष्कर्षण नहीं किया गया है (Dighe et al., 2018)। इसका मॉडल यहाँ दिया गया है।

केंद्रीय धारणाओं के साथ पूरी दीवार बनाता है 6 मीटर/सेकंड पर7किलोवाट, 10 मीटर/सेकंड पर 34 किलोवाट और 15 मीटर/सेकंड पर 114 किलोवाट. फैन का आकार शक्ति को कम से कम बदलता है, क्योंकि सभी आकारों में घुमावदार ब्लेड के साथ दीवार का लगभग 55% हिस्सा कवर होता है; यह भागों की गिनती और लागत को बदल देता है। ड्यूक केवल तब जीतते हैं जब वे प्रत्येक रोटर के आउटपुट को दोगुना से अधिक करते हैं, क्योंकि वे कम प्रशंसकों के लिए जगह छोड़ देते हैं।

एक वर्ष में कितनी ऊर्जा

एक स्थान पर हवा कभी भी स्थिर नहीं होती है। We model three sites with a standard (Rayleigh) wind distribution: a city rooftop averaging 4 m/s, a highway barrier at 4.5 m/s and an exposed coast at 6.5 m/s. वास्तविक शहरी हवा कमजोर है: यूके कार्बन ट्रस्ट ने कुछ इमारतों को5मीटर / सेकंड तक पहुंचने के लिए भी पाया।कार्बन ट्रस्ट, 2008), और वारविक विंड ट्रायल में 26 इमारत-माउंट किए गए सूक्ष्म टर्बाइनों ने औसतन 0.85% की क्षमता कारक (2009 के अनुसार).

33 MWhper year on a city rooftop (central; range 12 to 85)
48 MWhper year on a highway barrier (central; range 18 to 123)
142 MWhper year on an exposed coast (central; range 51 to 360)
39 homesEU homes served by the coastal wall at 3,600 kWh each (Odyssee-Mure); 13 US homes at 10,791 kWh (EIA)

पैमाने के लिए, एक सामान्य3मेगावाट समुद्री टर्बाइन जो 35% क्षमता कारक पर चल रहा है 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh प्रति वर्ष उत्पन्न करता है: लगभग 65 तटीय फैन दीवारों के बराबर।

यह कितना खर्च होगा

हमने प्रति वर्ग मीटर प्रत्येक भाग का अनुमान लगाया: $3 to $8 प्रत्येक मात्रा, फ्रेम और मेश, इलेक्ट्रॉनिक्स और एक मौजूदा इमारत पर माउंटिंग में पानी-प्रतिरोधी प्रशंसक। पूरी दीवार आती है $0.76 million to $2.43 मिलियन (केंद्रीय $ 1.38 मिलियन) नलिकाओं के बिना। 20 वर्षों में7प्रतिशत की छूट दर पर, रखरखाव के साथ, जो प्रत्येक किलोवाट-घंटे की लागत देता है।

ईमानदारी से पढ़ना: आज के कंप्यूटर प्रशंसकों से बनाया गया, फैन वाल की लागत एक शहर में लगभग $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 है। आवासीय छत पर सौर लागत $0.12 to $0.28, उपयोगिता-स्तरीय हवा $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, जून 2024; IRENA, 2024)। आज के समय में इस प्रकार की प्रतियोगिताओं का आयोजन नहीं किया जाता है।

क्या सच होना होगा

इस तरह की संख्याओं को बदलने के लिए अनुसंधान मौजूद है। एक तटीय स्थल पर, जिसमें नलियों से जुड़े मॉड्यूल और 65% विद्युत श्रृंखला है, प्रति किलोवाट-घंटा की लागत दो बातों पर निर्भर करती है: प्रत्येक नलियों से जुड़ा रोटर कितनी अच्छी तरह हवा को परिवर्तित करता है (इसकी प्रभावी दक्षता) और दीवार के एक वर्ग मीटर स्थापित करने में कितनी लागत होती है।

प्रभावी ducted रोटर दक्षता$200 प्रति वर्ग मीटर$400 प्रति वर्ग मीटर$800 प्रति वर्ग मीटर
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

शोध कार्यक्रम

चरणहम क्या करते हैंहम क्या मापते हैंअनुमानित लागत
0. डेस्क स्टडीडक्ट आकारों, ब्लेड डिजाइन तथा विद्युतीय लेआउट का कंप्यूटर सिमुलेशनभविष्यवाणी की गई दक्षता और नुकसान$15k to $30k
1. बेंच परीक्षण3 से 15 मीटर / सेकंड के एक हवा सुरंग में 20 ऑफ-द-शेल्फ और 20 अनुकूलित रोटरदक्षता वक्र, प्रारंभ गति, शोर$30k to $60k
2. एक मॉड्यूलएक 16- फैन मॉड्यूल डक्ट और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के साथमॉड्यूल दक्षता, एक साल बाहर$25k to $50k
3. 10 m² पायलटवन्यजीव कैमरा के साथ छत पर एक उपकरणित पैनलऊर्जा, एरे नुकसान, उपलब्धता, पक्षियों और कीटों$60k to $120k
4. पूर्ण दीवार डिजाइनसंरचना, प्रमाणीकरण, अंतिम लागत मॉडलप्रति वर्ग मीटर संस्थापित लागत, प्रति किलोवाट-घंटा लागत$50k to $100k

चरण0से3के लिए लगभग $130,000 to $260,000 की आवश्यकता होती है। एक पूर्ण दीवार का मतलब केवल तब होता है जब पायलट परिकल्पना की पुष्टि करता है। सभी अनुसंधान का भुगतान फाउंडेशन के खजाने से किया जाता है, जो प्रयोगशालाओं और आपूर्तिकर्ताओं से लेकर सर्वरों और लोगों तक परियोजना की जरूरतों को पूरा करता है; दान एक कार्यक्रम के लिए आरक्षित नहीं किया जा सकता है। पूर्ण तकनीकी रिपोर्ट, मॉडल और इसके डेटा खुले हैं: मॉडल डाटा और मॉडल कोड।

आप कैसे मदद कर सकते हैं

  • अपने विशेषज्ञता लाओ. हमें ऐसे लोगों की जरूरत है जो छोटे रोटर वायुगतिकी, पवन सुरंगों, बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स, संरचनात्मक इंजीनियरिंग या पक्षियों की निगरानी जानते हैं। एक कार्य प्रस्तावित करें.
  • एक छत की पेशकश करें. सुरक्षित पहुंच के साथ एक हवादार फ्लैट छत 10 मीटर² पायलट का स्वागत कर सकती है। हमें बताओ कि यह कहाँ है और यह महसूस करता है कितना खुला है.
  • हवा का डेटा साझा करें. यदि आप एक छत, तट या पुल पर मौसम स्टेशन चलाते हैं, तो हवा के मापों का एक वर्ष हमें पायलट साइट चुनने में मदद करता है।
  • घर पर परीक्षण करें. एक सस्ता पानी प्रतिरोधी पंखा, एक पुल रिक्टीफ़ायर और हवादार बाथरूम में एक मल्टीमीटर एक अच्छा विज्ञान परियोजना बनाते हैं। विभिन्न हवाओं पर वोल्टेज और वर्तमान माप और हमें संख्या भेजें.
  • फाउंडेशन का समर्थन करें. दान ट्रेज़री में जाता है और इस एक सहित हमारे सभी अनुसंधान को चलने देता है।

स्रोत

  1. Howey, D.A., Bansal, A. और होम्स, एएस। (2011). ऊर्जा प्राप्त करने के लिए एक सेंटीमीटर-स्तर पर ढके हुए पवन टर्बाइन का डिजाइन और प्रदर्शन। स्मार्ट सामग्री और संरचनाएं 20, 085021।
  2. ओहया, Y. और करसुदानी, T. (2010). यह एक पवन टर्बाइन है जो हवा-लेंस प्रौद्योगिकी के साथ उच्च आउटपुट शक्ति उत्पन्न करता है। Energies3(4), 634-649।
  3. डिगे, वी.वी., डी ओलिवेरा, जी., एवालोन, एफ. और वैन बुसेल, जी.जे.डब्ल्यू। (2018). टरबाइन की गति और रोटर के घूर्णन की दिशा पर निर्भर करता है। विंड एनर्जी साइंस 3, 221-229।
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  5. एंटरप्राइज (2009)। वॉरविक विंड ट्रायल की अंतिम रिपोर्ट।
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  7. Lazard (June 2024). ऊर्जा की स्तरीकृत लागत।
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