The Fan Wall

Setiap turbin angin yang pernah anda lihat mengikuti logik yang sama: bina satu rotor setinggi mungkin, letakkannya setinggi mungkin, dan biarkan bilah besar menyapu langit. Ia berfungsi dengan baik. Ia juga memerlukan derek, jalan raya, tanah terbuka, tahun-tahun kebenaran, dan ia membunuh burung. Kami ingin menguji idea yang sebaliknya.

Ideanya

Ambil kipas aksial kecil yang menyejukkan komputer. Jalankan ia ke belakang: biarkan angin memutar rotor, dan motor brushless di dalam menjadi penjana kecil. 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.

Jika satu kipas rosak, dinding kehilangan seratus ribuan outputnya, dan sesiapa dengan skru boleh menggantikan ia. Modul-modul ini dihantar dalam paket biasa. Mereka boleh duduk di tepi bumbung, memanjat sudut bangunan atau menggantikan panel penghalang bunyi jalan raya.

Di mana ia boleh bersinar

Burung dan kelelawar. Turbin besar adalah masalah sebenar untuk haiwan liar: kira-kira 140,000 hingga 328,000 burung mati setiap tahun di turbin monopole di Amerika Syarikat sahaja (Loss, Will and Marra, 2013). Rotor 150 m berputar pada 10 rpm bergerak tip bilahnya pada π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. Sebuah kipas 120 mm di belakang jaring 10 mm berputar pada hujungnya dengan kelajuan berjalan. Tiada siapa yang mengukur interaksi burung dengan dinding kipas mikro, jadi mengukurnya adalah sebahagian daripada program kami.

Siting. Angin semakin laju di mana ianya dimampatkan: di atas tepi bumbung, di sekeliling sudut bangunan, di sepanjang lembah jalanan. Rotor raksasa tidak boleh mengikuti zon-zon itu. Satu set modular boleh menutup mereka.

Logistik dan penyelenggaraan. Tiada derai, tiada pakar, tiada pengangkutan khas. Seluruh dinding seluas 1,800 m² boleh dimuatkan dalam 1,700 kotak, empat atau lima kontena penghantaran.

Angin dan matahari bersama. Angin sering bertiup pada waktu malam dan musim sejuk, apabila panel solar lemah. Di bangunan yang sama, kedua-duanya boleh melengkapkan satu sama lain.

Fisika, dengan matematik

Kuasa yang dibawa oleh angin melalui kawasan A adalah P = ½ ρ A v³, di mana ρ = 1.225 kg/m³ ialah kepadatan udara dan v kelajuan angin. Kiub adalah segala-galanya: pada 6 m/s satu meter persegi membawa ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; pada 12 m/s ia membawa 1,058 W, lapan kali lebih.

Tiada rotor boleh menangkap semua itu, kerana udara mesti terus bergerak keluar dari jalan. Had Betz mengatakan rotor terbuka boleh mengekstrak sejumlah maksimum 16/27 ≈ 59% kuasa yang mengalir melaluinya.

Rotor kecil bukanlah rotor besar yang kecil. Fisika berubah.

Inilah masalah yang jujur pertama. 120 mm kipas bilah mempunyai kord kira-kira 2 cm. Pada 6 m/s bilangan Reynoldsnya adalah Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, sebuah rejim di mana bilah kehilangan kebanyakan angkat mereka. Rotor 2 cm yang direka sebagai turbin di Imperial College mencapai koefisien kuasa kira-kira 9% (Howey, Bansal dan Holmes, 2011). Kipas komputer dibentuk untuk mendorong udara, bukan untuk didorong olehnya. Oleh itu, kita asumsikan rotor berkesan 5% (pesimistik), 10% (tengah) atau 20% (optimistik), dan rantai elektrik dari kipas ke grid 40, 55 atau 70%.

Saluran boleh membantu. Sebuah penyebarkan dengan lebar berbentuk “lensa angin” yang dikembangkan di Universiti Kyushu, melipatgandakan kuasa rotor dengan diameter yang sama sebanyak 2 hingga 5 kali (Ohya dan Karasudani, 2010). Tapi saluran mengambil ruang depan: mengekstrak lebih daripada separuh kuasa menyeberangi kawasan depan peranti tidak telah ditunjukkan (Dighe et al., 2018). Model kita menutupnya di sana.

Dengan asumsi pusat, keseluruhan dinding menghasilkan 7 kW pada 6 m/s, 34 kW pada 10 m/s dan 114 kW pada 15 m/s. Saiz kipas hampir tidak mengubah kuasa, kerana semua saiz meliputi sekitar 55% dinding dengan bilah berputar; ia mengubah bilangan bahagian dan kos. Saluran hanya menang jika mereka lebih daripada dua kali output setiap rotor, kerana mereka meninggalkan ruang untuk kurang kipas.

Berapa banyak tenaga dalam setahun

Angin di tempat tidak pernah tetap. Kami memodelkan tiga tapak dengan pemisahan angin (Rayleigh) piawai: bumbung bandar rata-rata 4 m/s, hambatan lebuh raya pada 4.5 m/s dan pantai terbuka pada 6.5 m/s. Angin bandar sebenar adalah lemah: UK Carbon Trust mendapati beberapa tapak pembinaan mencapai sehingga 5 m/s (Carbon Trust, 2008), dan 26 turbin mikro dipasang di bangunan dalam Ujian Angin Warwick rata-rata faktor kapasiti 0.85% (Encraft, 2009).

Untuk skala, satu turbin darat biasa 3 MW berjalan pada faktor kapasiti 35% menghasilkan 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh setahun: sebanyak sekitar 65 dinding kipas pantai.

Berapakah kosnya?

Kami memperkirakan setiap bahagian per meter persegi: kipas tahan air pada $3 to $8 setiap satu dalam volum, bingkai dan jaring, elektronik, dan memasang pada bangunan sedia ada. Seluruh dinding datang ke $0.76 million to $2.43 juta (setengah $ 1.38 juta) tanpa saluran. Disebarkan selama 20 tahun pada kadar diskaun 7%, dengan penyelenggaraan, yang memberi kos setiap kilowatt-jam.

Bacaan jujur: dibangunkan dari penggemar komputer hari ini, Fan Wall berharga sekitar $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 dalam sebuah bandar di kes pusat. Kos tenaga solar di atas bumbung kediaman $0.12 to $0.28, angin skala utiliti $0.03 to $0.07 (Lazard LCOE+, Jun 2024; IRENA, 2024). Sebagai kilang tenaga, konsep ini tidak bersaing hari ini.

Apa yang harus benar

Penelitian ada untuk mengubah nombor seperti ini. Di tapak pantai dengan modul saluran dan 65% rantai elektrik, kos per kWh bergantung kepada dua perkara yang kita boleh bekerja pada: bagaimana baik setiap rotor saluran menukar angin (kecekapan efektifnya) dan apa meter persegi dinding kos dipasang.

Kecekapan rotor yang disalurkan secara berkesan	$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 penyelidikan

Fase	Apa yang kita lakukan	Apa yang kita ukur	Kos purata
0. Meja belajar	Simulasi komputer bentuk saluran, rekabentuk bilah dan susunatur elektrik	Kecekapan dan kerugian yang diramal	$15k to $30k
1. Ujian Bench	20 off-the-shelf dan 20 rotor tersendiri dalam terowong angin dari 3 hingga 15 m / s	Lengkungan kecekapan, kelajuan permulaan, bunyi	$30k to $60k
2. Satu modul	Modul 16-kipas dengan saluran dan elektronik kuasa	Modul berkesan, satu tahun di luar	$25k to $50k
3. 10 m² pilot	Panel bumbung yang dilengkapi dengan kamera liar	Tenaga, kehilangan array, ketersediaan, burung dan kelelawar	$60k to $120k
4. Reka bentuk dinding penuh	Struktur, sijil, model kos akhir	Kos dipasang per m², kos per kWh	$50k to $100k

Fasa 0 hingga 3 memerlukan kira-kira $130,000 to $260,000. Tembok penuh hanya masuk akal jika juruterbang mengesahkan hipotesis. Semua penyelidikan dibayar dari Yayasan Treasury, yang membiayai semua projek yang diperlukan, dari makmal dan pembekal kepada pelayan dan orang; sumbangan tidak boleh diperuntukkan untuk satu program. Laporan teknikal penuh, model dan datanya terbuka: data model dan kod model.

Bagaimana anda boleh membantu

• Bawa kepakaran anda. Kita perlukan orang yang tahu aerodinamika rotor kecil, terowong angin, elektronik kuasa, kejuruteraan struktur atau pemantauan burung. Tawarkan tugas.
• Tawarkan bumbung. Bumbung rata yang berangin dengan akses selamat boleh menampung juruterbang 10 m². Beritahu kami di mana ia dan bagaimana terdedah ia rasa.
• Berkongsi data angin. Jika anda menjalankan stesen cuaca di atas bumbung, pantai atau jambatan, satu tahun pengukuran angin membantu kami memilih tapak pelancaran.
• Uji di rumah. Sebuah kipas tahan air murah, jambatan retriever dan multimeter di balkoni angin membuat projek sains yang baik. Uji voltan dan arus pada angin yang berbeza dan hantarkan nombornya.
• Support the Foundation. Donasi pergi ke Treasury dan menjaga semua penyelidikan kami, termasuk ini, bergerak.

Sumber

1. Howey, D.A., Bansal, A. dan Holmes, A.S. (2011). Reka bentuk dan prestasi turbin angin bersaiz sentimeter untuk pengumpulan tenaga. Bahan dan Struktur Pintar 20, 085021.
2. Ohya, Y. dan Karasudani, T. (2010). Turbin angin yang tertutup menghasilkan kuasa output tinggi dengan teknologi lensa angin. Energies 3(4), 634-649.
3. Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. dan van Bussel, G.J.W. (2018). Optimisasi turbin angin dan sensitiviti kepada kedudukan rotor. Wind Energy Science 3, 221-229.
4. Karbon Trust (2008). Tenaga angin berskala kecil: pemahaman dasar dan panduan praktikal.
5. Encraft (2009). Warwick Wind Trials laporan akhir.
6. Laboratorium Nasional Pasifik Barat Laut (2024). Raport Pasaran Angin Tersebar, edisi 2024: angin kecil purata $7,370 per kW dipasang dan faktor kapasiti 13% pada tahun 2023.
7. Lazard (Jun 2024). Harga Tenaga Bertahap+.
8. IRENA (2024). Harga Penjanaan Kuasa Baharu pada 2023.
9. Tembok Odyssey. Kegunaan elektrik per kediaman, EU.
10. US Energy Information Administration (2022). Rata-rata penggunaan elektrik kediaman.
11. Kerugian, SR, Will, T. dan Marra, PP (2013). Perkiraan kematian akibat langgar burung di kemudahan angin di Amerika Syarikat. Biological Conservation 168, 201-209.