팬 월
하나의 거대한 회전자, 아니면 십만 개의 작은 회전자? 우리는 컴퓨터를 냉각시키는 것과 같은 크기의 작은 선풍기로 이루어진 벽이 도시 바람을 전기로 바꿀 수 있는지 시험하고 있습니다. 여기에 아직 작동하지 않는 부분을 포함한 수학적 계산이 있습니다.
본 적이 있는 모든 풍력터빈은 동일한 논리를 따릅니다. 가능한 한 큰 회전자 하나를 만들고, 가능한 한 높게 설치하고, 거대한 날개가 하늘을 쓸어넘길 수 있도록 합니다. 완벽하게 작동합니다. 또한 크레인, 도로, 개방된 땅, 수년간의 허가가 필요하고 새들을 죽입니다. 우리는 반대의 생각을 시험하고 싶다.
아이디어
컴퓨터를 냉각하는 작은 축방향 팬을 보세요. 뒤로 실행: 바람이 회전자를 돌리게 하 고, 내부의 브러시 모터가 작은 발전기가 됩니다. 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.
If one fan breaks, the wall loses one hundred-thousandth of its output, and anyone with a screwdriver can replace it. 모듈은 일반 패키지로 배송됩니다. 그들은 지붕 가장자리에 앉아, 건물 모서리를 오르거나 고속도로 소음 장벽의 패널을 교체할 수 있습니다.
빛날 수 있는 곳
새와 박쥐. 대형 터빈은 야생 동물에 대한 진정한 문제입니다: 추정 140,000에서 328,000 조류는 매년 연결된 미국에서만 모노폴 터빈에서 사망 (손실, 윌과 마라, 2013). 150 m 회전자는 10 rpm으로 회전하며 π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s에서 블레이드 팁을 이동시킵니다. 10mm 메쉬 뒤에 있는 120mm 팬은 걸음걸이로 팁을 회전시킵니다. 아직 메시 마이크로팬 벽과 새의 상호작용을 측정한 사람은 없으므로 이를 측정하는 것이 우리 프로그램의 일부입니다.
위치. 바람은 압박되는 곳에서 가속화됩니다: 지붕 가장자리 위, 건물 모서리 주변, 거리 협곡을 따라. 거대한 로터는 이러한 구역을 따라갈 수 없다. 모듈형 어레이는 이들을 정확하게 커버할 수 있습니다.
물류 및 유지 보수. 크레인이 없고 전문가도 없으며 특별한 수송도 없습니다. A whole 1,800 m² wall fits in about 1,700 cartons, four or five shipping containers.
바람과 태양이 함께. 바람은 종종 밤에 불고, 겨울에는 태양 전지판이 약하다. 같은 건물에서 두 사람은 서로를 보완 할 수 있습니다.
물리학, 수학과 함께
면적 A을 통해 바람에 의해 전달되는 파워는 P = ½ ρ A v³이며, 여기서 ρ = 1.225 kg/m³는 공기의 밀도이고 v는 바람의 속도이다. The cube is everything: at 6 m/s one square metre carries ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; at 12 m/s it carries 1,058 W, eight times more.
공기가 항상 방향을 바꿔야 하므로 어떤 회전자도 그것을 모두 잡아낼 수 없습니다. 난 너무 힘들어 베츠 한계 열린 회전자는 최대 추출할 수 있습니다 16/27 ≈ 59% 그것을 통해 흐르는 힘의.
작은 회전자는 작은 큰 회전자가 아닙니다. 물리학이 변화한다.
여기에 첫번째 정직한 문제가 있습니다. 120mm 팬 블레이드는 약 2cm의 코드를 가지고 있습니다. 6 m/s에서의 레이놀즈 수는 Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000이며, 이때 날개는 대부분의 상승력을 잃게 된다. 임페리얼 칼리지에서 터빈으로 설계된 2cm 회전자는 약 9%의 출력 계수에 도달했다(Howey, Bansal and Holmes, 2011). 컴퓨터 팬은 공기를 밀어주도록 만들어졌습니다. 따라서 회전자 효율이 5%(비관적), 10%(중앙) 또는 20%(낙관적)이고, 팬에서 그리드까지의 전기체인이 40%, 55 또는 70%라고 가정합니다.
덕트가 도움이 될 수 있습니다. 큐슈 대학에서 개발한 넓은 면을 가진 확산기, “풍경 렌즈”는 같은 지름의 회전자의 전력을 2 ~ 5배로 증가시켰습니다(Ohya and Karasudani, 2010). 그러나 덕트는 전면 공간을 차지합니다. 장치의 전면 영역을 가로질러 전력의 절반 이상을 추출하는 것은 입증되지 않았습니다(Dighe et al., 2018). 우리 모델은 거기에 끝납니다.
중앙 가정으로 전체 벽을 만듭니다 6 m/s에서 7 kW, 10 m/s에서 34 kW 및 15 m/s에서 114 kW. 팬의 크기는 전력을 거의 바꾸지 않으며, 모든 크기가 회전하는 블레이드로 벽의 약 55%를 덮기 때문에 부품 수와 비용을 바꿉니다. 덕트는 더 적은 팬을 위한 공간을 남기기 때문에, 각 회전자의 출력이 두 배 이상인 경우에만 이길 수 있습니다.
얼마나 많은 에너지를 일년
항상 한쪽에만 있는 것은 아니다. 표준(Rayleigh) 바람 분포를 가진 세 위치를 모델링합니다. 평균 4m/s의 도시 지붕, 4.5m/s의 고속도로 장벽 및 6.5m/s의 노출된 해안입니다. 실제 도시 바람은 약하다: 영국의 Carbon Trust는 건물 현장에서 5m/s에도 미치지 못하는 경우가 거의 없다고 발견했다(Carbon Trust, 2008), Warwick Wind Trials에서 26개의 건물에 설치된 마이크로 터빈은 평균적으로 용량 인자가 0.85%였다(Encraft, 2009).
규모를 보면, 일반적인 3MW의 해상 터빈이 35%의 용량 인자로 작동하면 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh을 연간 생산한다: 약 65개의 해안 팬 월과 같다.
비용은 얼마인가요?
우리는 평방 미터당 모든 부품을 추정했습니다. 방수 팬의 경우 $3 to $8 각각의 부피, 프레임과 메시, 전자 장치 및 기존 건물에 장착됩니다. 전체 벽은 $0.76 million to $243만 (중앙 $138만)에 도관없이 온다. 20년간 유지보수비를 포함한 7% 할인율로 각 킬로와트시의 비용을 지불하십시오.
솔직한 읽기: 오늘날의 컴퓨터 팬에서 만들어진, 팬 벽은 중앙 케이스에서 도시에 약 $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 비용. Residential rooftop solar costs $0.12 to $0.28, utility-scale wind $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, June 2024; IRENA, 2024). 에너지 공장으로서, 개념은 오늘날 경쟁하지 않습니다.
무엇이 진실이어야 하는가
이런 숫자를 바꾸기 위해 연구가 진행되고 있습니다. 덕트 모듈과 65% 전기 체인이 있는 해안 사이트에서 kWh당 비용은 우리가 할 수 있는 두 가지에 달려 있습니다. 각 덕트 회전자가 바람을 얼마나 잘 변환하는지(실효 효율)와 설치된 벽의 평방 미터 당 비용입니다.
| 효과적인 덕트형 회전자 효율성 | 평방미터당 $200 | 평방미터당 $400 | 평방미터당 $800 |
|---|---|---|---|
| 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 |
연구 프로그램
| 위상 | 우리가 하는 일 | 우리가 측정하는 것 | 예상 비용 |
|---|---|---|---|
| 0. 데스크 스터디 | 덕트 모양, 블레이드 설계 및 전기 레이아웃의 컴퓨터 시뮬레이션 | 예측된 효율성과 손실 | $15k to $30k |
| 1. 벤치 테스트 | 3~15m/s의 풍속에서 20개의 일반적인 로터와 20개의 고객별 로터 | 효율 곡선, 시작 속도, 소음 | $30k to $60k |
| 2. 하나의 모듈 | 덕트 및 전력 전자 장치가 있는 16개의 팬 모듈 | Module efficiency, one year outdoors | $25k to $50k |
| 3. 10 m² 파일럿 | 야생동물 카메라가 장착된 지붕 패널 | 에너지, 배열 손실, 가용성, 새와 박쥐 | $60k to $120k비트 |
| 4. 전체 벽 설계 | 구조, 인증, 최종 비용 모델 | m²당 설치 비용, kWh당 비용 | $50k to $100k |
0단계에서 3단계까지는 대략 $130,000 to $260,000이 필요하다. 완벽한 벽은 조종사가 가설을 확인할 때만 의미가 있습니다. 모든 연구비는 재단의 재무부에서 지불되며, 이것은 실험실과 공급자부터 서버와 사람들까지 프로젝트에 필요한 모든 것을 지원합니다. 기부금은 한 프로그램에만 할당될 수 없습니다. 전체 기술 보고서, 모델 및 그 데이터는 모델 데이터와 모델 코드로 개방되어 있다.
당신이 도울 수 있는 방법
- 전문성을 가져오세요. 우리는 소형 로터 공기 역학, 풍동, 전력 전자, 구조 공학 또는 조류 모니터링에 대해 알고있는 사람들이 필요합니다. 작업을 제안하십시오.
- 루프탑을 제공하십시오. 안전한 액세스를 가진 바람이 불어 오는 평평한 지붕은 10 m²의 조종사를 수용 할 수 있습니다. 어디에 있는지, 얼마나 노출된 것 같는지 말해주세요.
- 바람 데이터 공유. 지붕, 해안 또는 다리에 기상 관측소를 운영하는 경우 일년간의 바람 측정을 통해 시범 사이트를 선택할 수 있습니다.
- 가정에서 테스트. 바람이 부는 발코니에있는 저렴한 방수 팬, 다리 정류기 및 멀티미터는 좋은 과학 프로젝트를 만듭니다. 다른 바람에서 전압과 전류를 측정하고 우리에게 숫자를 보내.
- 재단을 지원하세요. 기부금은 재무부 이것을 포함한 우리의 모든 연구를 계속 진행시켜야 합니다.
소스
- Howey, D.A., Bansal, A. 및 홈즈, AS (2011). 에너지 수집을 위한 센티미터 규모의 덮인 풍력 터빈의 설계 및 성능. 스마트 재료 및 구조 20, 085021.
- 오야, Y.와 카라수다니, T. (2010). 풍렌즈 기술로 고출력을 생성하는 덮인 풍력터빈. 에너지 3(4), 634-649.
- 디게, V.V., 데 올리베이라, G., Avallone, F. 및 반 Bussel, G.J.W. (2018). 덕트형 풍력터빈 최적화 및 회전자 위치에 대한 감도. 풍력 에너지 과학 3, 221-229.
- 탄소 트러스트 (2008). 소규모 풍력 에너지: 정책 통찰력과 실용적인 지침.
- 에스프레소 (2009년). 워릭 풍력 시험 최종 보고서.
- 태평양 노스웨스트 국립 연구소 (2024). 분산 풍력 시장 보고서, 2024 판: 작은 바람은 평균 $7,370 설치 kW 당 및 13 % 용량 요소에 2023.
- Lazard (June 2024). 에너지 비용을 낮추다.
- IRENA (2024). 2023 년 재생 가능한 전력 생산 비용.
- 오디세우스 벽 주택당 전기 소비량, EU.
- US Energy Information Administration (2022). 평균 주거용 전기 사용.
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