The Fan Wall
Satu rotor raksasa, atau seratus ribu yang kecil? kami sedang menguji apakah dinding kipas kecil, masing-masing sebesar yang mendinginkan komputer Anda, dapat mengubah angin kota menjadi listrik. inilah matematikanya, termasuk bagian yang belum bekerja.
Setiap turbin angin yang pernah Anda lihat mengikuti logika yang sama: buat satu rotor setinggi mungkin, letakkan setinggi mungkin, dan biarkan bilah-bilahnya menggerakkan langit. Ini bekerja dengan brilian. Hal ini juga membutuhkan derek, jalan, tanah terbuka, bertahun-tahun izin, dan itu membunuh burung. Kami ingin menguji ide sebaliknya.
Idenya
Ambil kipas aksial kecil yang mendinginkan komputer. Jalankan itu terbalik: biarkan angin memutar rotor, dan motor brushless di dalam menjadi generator kecil. Letakkan enam belas dari mereka dalam modul seukuran kotak pizza, berikan masing-masing bentuk lempengan yang mempercepat udara, dan tutupi dinding dengan ribuan modul.
Jika satu kipas rusak, dinding kehilangan seperseratus ribu dari outputnya, dan siapapun dengan skru dapat menggantikannya. Modul-modulnya dikirim dalam paket biasa. Mereka dapat duduk di tepi atap, memanjat sudut bangunan atau menggantikan panel penghalang suara jalan raya.
Dimana ia bisa bersinar
Burung-burung dan kelelawar. Turbin besar adalah masalah nyata bagi hewan liar: diperkirakan 140.000 hingga 328.000 burung mati setiap tahun di turbin monopole di Amerika Serikat saja (Loss, Will and Marra, 2013). Sebuah rotor 150 m berputar pada 10 rpm menggerakkan ujung bilahnya di π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. Sebuah kipas 120 mm di belakang jaring 10 mm memutar ujungnya pada kecepatan berjalan. Belum ada yang mengukur interaksi burung dengan dinding kipas mikro, jadi mengukurnya adalah bagian dari program kami.
Siting. Angin mempercepat di mana ia ditekan: di atas tepi atap, di sekitar sudut gedung, di sepanjang lembah jalan. Rotor raksasa tidak bisa mengikuti zona-zona itu. Sebuah array modular bisa menutupi tepat mereka.
Logistik dan pemeliharaan. Tidak ada derek, tidak ada spesialis, tidak ada transportasi khusus. Sebuah dinding seluas 1.800 m² dapat menampung sekitar 1.700 karton, empat atau lima kontainer pengiriman.
Angin dan matahari bersama-sama. Angin sering bertiup di malam hari dan di musim dingin, ketika panel surya lemah. Di gedung yang sama, keduanya bisa saling melengkapi.
Fisika, dengan matematika
Tenaga yang dibawa oleh angin melalui suatu area A adalah P = ½ ρ A v³, di mana ρ = 1.225 kg/m³ adalah kepadatan udara dan v kecepatan angin. Kubus adalah segalanya: pada 6 m/s satu meter persegi membawa ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; pada 12 m/s ia membawa 1.058 W, delapan kali lebih banyak.
Tidak ada rotor yang bisa menangkap semuanya, karena udara harus terus bergerak keluar dari jalan. Batas Betz mengatakan bahwa rotor terbuka dapat mengekstrak paling banyak 16/27 ≈ 59% dari daya yang mengalir melaluinya.
Rotor kecil bukanlah rotor besar yang kecil. Fisika berubah.
Ini adalah masalah jujur pertama. Sebuah 120 mm kipas bilah memiliki senar sekitar 2 cm. Pada 6 m/s bilangan Reynoldsnya adalah Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, sebuah rezim di mana bilah kehilangan sebagian besar angkat mereka. Rotor 2 cm yang dirancang sebagai turbin di Imperial College mencapai koefisien daya sekitar 9% (Howey, Bansal dan Holmes, 2011). Kipas komputer dibentuk untuk mendorong udara, bukan untuk ditekan olehnya. Oleh karena itu, kami asumsikan efisiensi rotor sebesar 5% (pesimis), 10% (pusat) atau 20% (optimistik), dan rantai listrik dari kipas ke jaringan sebesar 40, 55 atau 70%.
Saluran bisa membantu. Sebuah diffuser dengan bilah lebar, “lensa angin” yang dikembangkan di Universitas Kyushu, melipatgandakan daya rotor dengan diameter yang sama sekitar 2 hingga 5 (Ohya dan Karasudani, 2010). Tapi saluran mengambil ruang frontal: mengekstrak jauh lebih dari sekitar setengah daya menyeberangi area frontal perangkat belum terbukti (Dighe et al., 2018). Model kita menutupinya di sana.
Dengan asumsi pusat seluruh dinding membuat 7 kW pada 6 m/s, 34 kW pada 10 m/s dan 114 kW pada 15 m/s. Ukuran kipas hampir tidak mengubah daya, karena semua ukuran mencakup sekitar 55% dari dinding dengan bilah berputar; ini mengubah jumlah bagian dan biaya. Saluran hanya menang jika mereka lebih dari dua kali output setiap rotor, karena mereka meninggalkan ruang untuk lebih sedikit penggemar.
Berapa banyak energi dalam satu tahun
Angin di suatu tempat tidak pernah konstan. Kami memodelkan tiga situs dengan distribusi angin standar (Rayleigh): atap kota rata-rata 4 m/s, hambatan jalan raya pada 4.5 m/s dan pantai terpapar pada 6.5 m/s. Angin perkotaan nyata lemah: UK Carbon Trust menemukan beberapa situs bangunan mencapai bahkan 5 m / s (Carbon Trust, 2008), dan 26 turbin mikro yang dipasang di gedung dalam Warwick Wind Trials rata-rata memiliki faktor kapasitas 0,85% (Encraft, 2009).
Untuk skala, satu turbin darat biasa 3 MW berjalan pada faktor kapasitas 35% menghasilkan 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh per tahun: sebanyak sekitar 65 dinding kipas pantai.
Berapa biayanya
Kami memperkirakan setiap bagian per meter persegi: kipas tahan air pada $3 to $8 masing-masing dalam volume, bingkai dan jaring, elektronik, dan pemasangan pada bangunan yang ada. Seluruh dinding bernilai $0.76 million to $2.43 juta (US$1.38 juta) tanpa saluran air. Tersebar selama 20 tahun pada tingkat diskon 7%, dengan pemeliharaan, yang memberikan biaya setiap kilowatt-jam.
Bacaan yang jujur: dibangun dari penggemar komputer hari ini, Fan Wall membutuhkan biaya sekitar $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 di sebuah kota dalam kasus pusat. Biaya surya atap perumahan $0.12 to $0.28, angin skala utilitas $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, Juni 2024; IRENA, 2024). Sebagai pembangkit listrik, konsep ini tidak bersaing hari ini.
Apa yang harus benar
Penelitian ada untuk mengubah angka-angka seperti ini. Di lokasi pantai dengan modul saluran dan 65% rantai listrik, biaya per kWh tergantung pada dua hal yang dapat kita kerjakan: seberapa baik setiap rotor saluran mengubah angin (efisiensi efektifnya) dan berapa banyak meter persegi dinding yang harus dipasang.
| Efisiensi rotor saluran yang efektif | $200 per meter persegi. | $400 per meter persegi. | $800 per meter persegi. |
|---|---|---|---|
| 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 |
Program penelitian
| Fase | Apa yang kita lakukan | Apa yang kita ukur | Perkiraan biaya |
|---|---|---|---|
| 0. Meja belajar | Simulasi komputer dari bentuk saluran, desain bilah dan tata letak listrik | Efisiensi dan kerugian yang diperkirakan | $15k to $30k |
| 1. Bench tes | 20 off-the-shelf dan 20 rotor custom di terowongan angin dari 3 hingga 15 m / s | Kurva efisiensi, kecepatan start-up, suara | $30k to $60k |
| 2. Satu modul | Sebuah modul 16-kipas dengan saluran dan elektronik daya | Efisiensi modul, satu tahun di luar ruangan | $25k to $50k |
| 3. 10 m² pilot | Sebuah panel atap yang dilengkapi dengan kamera alam liar | Energi, array kehilangan, ketersediaan, burung dan kelelawar | $60k to $120k |
| 4. Desain dinding penuh | Struktur, sertifikasi, model biaya akhir | Dipasang biaya per m², biaya per kWh | $50k to $100k |
Fase 0 hingga 3 membutuhkan sekitar $130,000 to $260,000. Sebuah dinding penuh hanya masuk akal jika pilot mengkonfirmasi hipotesis. Seluruh penelitian dibayar dari Treasury Yayasan, yang mendanai segala sesuatu yang dibutuhkan proyek, dari laboratorium dan pemasok ke server dan orang; donasi tidak dapat diperuntukkan untuk satu program. Laporan teknis lengkap, model dan datanya terbuka: data model dan kode model.
Bagaimana Anda bisa membantu
- Bawalah keahlianmu. Kita butuh orang yang tahu aerodinamika rotor kecil, terowongan angin, elektronika daya, teknik struktural atau pemantauan burung. Tawarkan tugas.
- Tawarkan atap. Atap datar yang berangin dengan akses aman bisa menampung pilot 10 m². Beritahu kami di mana itu dan bagaimana terpaparnya rasanya.
- Berbagi data angin. Jika Anda menjalankan stasiun cuaca di atap, pantai atau jembatan, satu tahun pengukuran angin membantu kami memilih situs pilot.
- Uji di rumah. Sebuah kipas tahan air murah, sebuah jembatan retifikasi dan multimeter di balkon yang berangin membuat proyek sains yang bagus. Uji tegangan dan arus pada angin yang berbeda dan kirimkan nomornya.
- Dorong Yayasan. Donasi akan pergi ke Keuangan dan menjaga semua penelitian kami, termasuk ini, bergerak.
Sumber
- (Inggris) Howey, D.A., Bansal, A. and Holmes, A.S. (2011). Desain dan kinerja dari turbin angin berskala sentimeter untuk pengumpulan energi. Smart Materials and Structures 20, 085021.
- Ohya, Y. dan Karasudani, T. (2010). Sebuah turbin angin tertutup menghasilkan daya keluaran tinggi dengan teknologi lensa angin. Energies 3(4), 634-649.
- Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. dan van Bussel, G.J.W. (2018). Ducted turbin angin optimasi dan sensitivitas pada posisi rotor. Wind Energy Science 3, 221-229.
- (Inggris) Carbon Trust (2008). Small-scale wind energy: policy insights and practical guidance (dalam bahasa Inggris).
- (Inggris) Encraft (2009). Warwick Wind Trials final report (dalam bahasa Inggris).
- Pacific Northwest National Laboratory (2024). Distributed Wind Market Report, 2024 edition: angin kecil rata-rata $7.370 per kW yang terpasang dan faktor kapasitas 13% pada tahun 2023.
- Lazard (Juni 2024). Levelized Cost of Energy+.
- IRENA (2024). Biaya Pembangkit Listrik Tenaga Terbarukan pada Tahun 2023.
- Tembok Odyssey. Konsumsi listrik per rumah tangga, UE.
- US Energy Information Administration (2022). Rata-rata penggunaan listrik perumahan.
- Loss, S.R., Will, T. dan Marra, P.P. (2013). Perkiraan kematian akibat tabrakan burung di fasilitas angin di Amerika Serikat yang berdekatan. Biologi Konservasi 168, 201-209.