La parete del ventilatore
Un rotore gigante o centomila minuscoli? Stiamo testando se un muro di piccole ventole, ognuna delle dimensioni di quella che raffredda il vostro computer, può trasformare il vento della città in elettricità.Ecco la matematica, incluse le parti che non funzionano ancora.
Ogni turbina eolica che abbiate mai visto segue la stessa logica: costruire un rotore il più grande possibile, metterlo il più in alto possibile e lasciare che le enormi pale spazzino il cielo. Funziona brillantemente. Ha anche bisogno di gru, strade, terreni aperti, anni di permessi e uccide gli uccelli. Vogliamo testare l’idea opposta.
L’idea di
Prendete la piccola ventola assiale che raffredda un computer. Eseguilo all’indietro: lascia che il vento giri il rotore e il motore brushless interno diventa un piccolo generatore. Mettetene sedici in un modulo delle dimensioni di una scatola da pizza, dà ad ognuno un imbuto sagomato che accelera l’aria e copre una parete con migliaia di moduli.
Se un ventilatore si rompe, il muro perde un centomilasimo della sua potenza e chiunque con un cacciavite può sostituirlo. I moduli vengono spediti in pacchi ordinari. Possono sedersi sul bordo di un tetto, salire su un angolo dell’edificio o sostituire i pannelli di una barriera acustica autostradale.
Dove potrebbe brillare
Uccelli e pipistrelli. Le grandi turbine sono un vero problema per la fauna selvatica: si stima che dai 140.000 ai 328.000 uccelli muoiano ogni anno a causa delle turbine monopolari nei soli Stati Uniti (Loss, Will and Marra, 2013). Un rotore da 150 m che gira a 10 giri/min muove le punte delle sue pale a π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. Una ventola da 120 mm dietro una maglia da 10 mm gira le sue punte a passo di camminata. Nessuno ha ancora misurato l’interazione degli uccelli con le pareti a maglia dei microventilatori, quindi la misurazione fa parte del nostro programma.
Siting. Il vento accelera dove è compresso: sopra un bordo del tetto, intorno a un angolo di edificio, lungo un canyon stradale. Un rotore gigante non può seguire queste zone. Un array modulare può coprire esattamente loro.
Logistica e manutenzione. Nessuna gru, nessuno specialista, nessun trasporto speciale. Un intero muro di 1.800 m² può contenere circa 1.700 cartoni, quattro o cinque container da spedizione.
Vento e sole insieme. Il vento soffia spesso di notte e in inverno, quando i pannelli solari sono deboli. Sullo stesso edificio, i due possono completarsi a vicenda.
La fisica, con la matematica
La potenza trasportata dal vento attraverso un’area A è P = ½ ρ A v³, dove ρ = 1.225 kg/m³ è la densità dell’aria e v la velocità del vento. Il cubo è tutto: a 6 m/s un metro quadrato trasporta ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; a 12 m/s porta 1.058 W, otto volte di più.
Nessun rotore può catturare tutto, perché l’aria deve continuare a muoversi fuori strada. Il Limite di Betz Dice che un rotore aperto può estrarre al massimo 16/27 ≈ 59% del potere che lo attraversa.
Un rotore minuscolo non è un piccolo grande rotore. La fisica cambia.
Ecco il primo problema onesto. Una pala da 120 mm ha una corda di circa 2 cm. A 6 m/s il suo numero di Reynolds è Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, un regime in cui le pale perdono la maggior parte della loro portanza. Un rotore da 2 cm progettato come turbina all’Imperial College ha raggiunto un coefficiente di potenza di circa il 9% (Howey, Bansal e Holmes, 2011). Le ventole dei computer sono progettate per spingere l’aria, non per essere spinte da essa. Assumiamo quindi un’efficienza del rotore del 5% (pessimista), 10% (centrale) o 20% (ottimistica) e una catena elettrica dal ventilatore alla rete del 40, 55 o 70%.
I condotti possono aiutare. Un diffusore con un ampio bordo, la “lente del vento” sviluppata presso l’Università di Kyushu, ha moltiplicato la potenza di un rotore dello stesso diametro da circa 2 a 5 (Ohya e Karasudani, 2010). Ma un condotto occupa spazio frontale: non è stato dimostrato di estrarre molto più della metà della potenza attraverso l’area frontale del dispositivo (Dighe et al., 2018). Il nostro modello si chiude qui.
Con i presupposti centrali l’intera parete fa 7 kW a 6 m/s, 34 kW a 10 m/s e 114 kW a 15 m/s. La dimensione della ventola cambia poco la potenza, poiché tutte le dimensioni coprono circa il 55% della parete con pale rotanti; cambia il numero di parti e il costo. I condotti vincono solo se più che raddoppiano la potenza di ciascun rotore, perché lasciano spazio per meno ventole.
Quanta energia in un anno
Il vento in un sito non è mai costante. Abbiamo modellato tre siti con una distribuzione standard (Rayleigh) del vento: un tetto di città con una media di 4 m/s, una barriera autostradale a 4,5 m/s e una costa esposta a 6,5 m/s. Il vero vento urbano è debole: il UK Carbon Trust ha trovato pochi cantieri che raggiungono anche 5 m/s (Carbon Trust, 2008), e 26 microturbine montate su edifici nei Warwick Wind Trials hanno ottenuto un fattore di capacità medio dello 0,85% (Encraft, anno 2009).
Per la scala, una turbina onshore ordinaria da 3 MW che funziona a un fattore di capacità del 35% produce 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh all’anno: quanto circa 65 pareti di ventole costiere.
Quanto costerebbe
Abbiamo stimato ogni parte per metro quadrato: ventilatori impermeabili a $3 to $8 ciascuno in volume, telai e rete, elettronica e montaggio su un edificio esistente. L’intero muro costa $0.76 million to $2,43 milioni (centro $ 1,38 milioni) senza condotti. Distribuito in 20 anni ad un tasso di sconto del 7%, con manutenzione, che dà il costo di ogni kilowatt-ora.
La lettura onesta: costruito dalle ventole dei computer di oggi, il Fan Wall costa circa $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 in una città nel caso centrale. Costi solari residenziali $0.12 to $0,28, costi eolici su scala industriale $0.03 to $0,07 (Lazard LCOE+, giugno 2024; IRENA, 2024). Come centrale elettrica, il concetto non compete oggi.
Quello che dovrebbe essere vero
La ricerca esiste per cambiare numeri come questi. In un sito costiero con moduli canalizzati e una catena elettrica al 65%, il costo per kWh dipende da due cose su cui possiamo lavorare: quanto bene ogni rotore canalizzato converte il vento (la sua efficienza effettiva) e quanto costa un metro quadrato di parete installato.
| Efficace efficienza del rotore canalizzato | $200 per m² | $400 per m² | $800 per 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 |
Il programma di ricerca
| Fase | Cosa facciamo | Cosa misuriamo | Costo stimato |
|---|---|---|---|
| 0. studio della scrivania | Simulazione al computer delle forme dei condotti, dei disegni delle pale e del layout elettrico | Efficienza e perdite previste | $15k to $30k |
| 1. Prove su banco | 20 rotori standard e 20 rotori personalizzati in galleria del vento da 3 a 15 m/s | Curve di efficienza, velocità di avviamento, rumorosità | $30k to $60k |
| 2.Un modulo | Un modulo a 16 ventole con condotti e elettronica di potenza | Efficienza del modulo, un anno all’aperto | $25k to $50k |
| 3. 10 m² pilota | Un pannello strumentato sul tetto con una telecamera per la fauna selvatica | Energia, perdite di array, disponibilità, uccelli e pipistrelli | $60k to $120k |
| 4. progettazione completa della parete | Struttura, certificazione, modello di costo finale | Costo installato per m², costo per kWh | $50k to $100k |
Le fasi da 0 a 3 richiedono approssimativamente $130,000 to $260,000. Una parete piena ha senso solo se il pilota conferma l’ipotesi. Tutte le ricerche sono pagate dalla Tesoreria della Fondazione, che finanzia tutto ciò di cui il progetto ha bisogno, dai laboratori e fornitori ai server e alle persone; le donazioni non possono essere riservate a un programma. Il rapporto tecnico completo, il modello e i suoi dati sono aperti: dati del modello e codice del modello.
Come potete aiutare
- Porta la tua esperienza. Abbiamo bisogno di persone che conoscono l’aerodinamica dei piccoli rotori, le gallerie del vento, l’elettronica di potenza, l’ingegneria strutturale o il monitoraggio degli uccelli. Offri un compito.
- Offrire un tetto. Un tetto piatto ventoso con accesso sicuro potrebbe ospitare il pilota di 10 m². Dicci dove si trova e quanto è esposto.
- Condividi i dati sul vento. Se gestisci una stazione meteo su un tetto, una costa o un ponte, un anno di misurazioni del vento ci aiuta a scegliere il sito pilota.
- Test a casa. Un ventilatore impermeabile economico, un raddrizzatore a ponte e un multimetro su un balcone ventoso fanno un bel progetto scientifico. Misurare tensione e corrente a venti diversi e inviarci i numeri.
- Sostieni la Fondazione. Le donazioni vanno al Tesoro e mantengono in movimento tutte le nostre ricerche, compresa questa.
Fonti
- Howey, D.A., Bansal, A. e Holmes, AS (2011). Progettazione e prestazioni di una turbina eolica in scala centimetrica per la raccolta dell’energia. Materiali e Strutture Intelligenti 20, 085021.
- Ohya, Y. e Karasudani, T. (2010). Una turbina eolica avvolta che genera un’elevata potenza di uscita con tecnologia wind-lens. Energies 3(4), 634-649.
- Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. e van Bussel, G.J.W. (2018). Ottimizzazione delle turbine eoliche canalizzate e sensibilità alla posizione del rotore. Scienze dell’energia eolica 3, 221-229.
- Carbon Trust (2008). Energia eolica su piccola scala: approfondimenti politici e orientamenti pratici.
- (2009) La verità. Relazione finale delle prove di Warwick.
- Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale (2024). Distributed Wind Market Report, edizione 2024: il piccolo vento ha una media di $ 7.370 per kW installato e un fattore di capacità del 13% nel 2023.
- Lazard (giugno 2024). Costo dell’energia+ livellato.
- 2024 (in inglese). Costi di generazione di energia rinnovabile nel 2023.
- Odissea in mare. Consumo di energia elettrica per abitazione, UE.
- US Energy Information Administration (2022). Uso medio di elettricità residenziale.
- Loss, S.R., Will, T. e Marra, P.P. (2013). Stime della mortalità da collisione di uccelli presso impianti eolici negli Stati Uniti contigui. Biologica 168, 201-209.