De ventilatormuur
Eén gigantische rotor of honderdduizend kleine? We testen of een muur van kleine ventilatoren, elk zo groot als de ventilator die je computer koelt, stadswind in elektriciteit kan omzetten.Hier is de rekensom, inclusief de onderdelen die nog niet werken.
Elke windturbine die je ooit hebt gezien volgt dezelfde logica: bouw een rotor zo groot mogelijk, zet deze zo hoog mogelijk en laat de enorme bladen de lucht in vegen. Het werkt briljant. Er zijn ook kranen, wegen, open land en jarenlange vergunningen voor nodig. Bovendien worden er vogels gedood. We willen het tegenovergestelde idee testen.
Het idee
Neem de kleine axiale ventilator die een computer koelt. Laat de wind de rotor draaien en de borstelloze motor binnenin wordt een kleine generator. Zestien van hen in een module ter grootte van een pizzadoos, elk met een trechter die de lucht versnelt en een muur bedekken met duizenden modules.
Als één ventilator kapot gaat, verliest de muur een honderdduizendste van zijn output en kan iedereen met een schroevendraaier deze vervangen. De modules worden in gewone pakketten verzonden. Ze kunnen op een dakrand zitten, in een hoek van een gebouw klimmen of de panelen van een geluidsscherm vervangen.
Waar het kon schijnen
Vogels en vleermuizen. Grote turbines zijn een echt probleem voor wilde dieren: naar schatting sterven er jaarlijks 140.000 tot 328.000 vogels bij monopoolturbines alleen al in de aangrenzende Verenigde Staten (Loss, Will and Marra, 2013). Een rotor van 150 m die draait met 10 tpm beweegt zijn bladenpunten bij π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. Een 120 mm ventilator achter een 10 mm gaas draait zijn tips op looptempo. Niemand heeft de interactie van vogels met mesh micro-fan muren gemeten, dus het meten ervan is onderdeel van ons programma.
Siting. Wind versnelt waar hij wordt geperst: over een dakrand, rond een gebouwhoek, langs een straatkloof. Een gigantische rotor kan die zones niet volgen. Een modulaire array kan precies die dekken.
Logistiek en onderhoud. Geen kraan, geen specialist, geen speciaal transport. Een hele 1.800 m² muur past in ongeveer 1.700 dozen, vier of vijf verzendcontainers.
Wind en zon samen. Wind waait vaak ‘s nachts en in de winter, wanneer zonnepanelen zwak zijn. Op hetzelfde gebouw kunnen de twee elkaar aanvullen.
De natuurkunde, met de wiskunde
De windkracht die door een gebied A wordt gedragen is P = ½ ρ A v³, waarbij ρ = 1.225 kg/m³ de dichtheid van lucht en v de windsnelheid is. De kubus is alles: bij 6 m/s draagt een vierkante meter ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; bij 12 m/s draagt hij 1.058 W, acht keer meer.
Geen enkele rotor kan het allemaal opvangen, omdat de lucht uit de weg moet blijven bewegen. The Betz limit says an open rotor can extract at most 16/27 ≈ 59% of the power flowing through it.
Een kleine rotor is geen kleine grote rotor. De fysica verandert.
Hier is het eerste eerlijke probleem. Een 120 mm ventilatorblad heeft een snaar van ongeveer 2 cm. Bij 6 m/s is het Reynolds getal Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, een regime waarin de bladen het grootste deel van hun lift verliezen. Een 2 cm rotor ontworpen als een turbine aan Imperial College bereikte een vermogenscoëfficiënt van ongeveer 9% (Howey, Bansal en Holmes, 2011). Computerventilatoren zijn gevormd om lucht te duwen, niet om erdoor geduwd te worden. We gaan daarom uit van een rotorenefficiëntie van 5% (pessimistisch), 10% (centraal) of 20% (optimistisch), en een elektrische ketting van ventilator naar net van 40, 55 of 70%.
Luchtkanalen kunnen helpen. Een diffuser met een brede rand, de “windlens” ontwikkeld aan de Kyushu University, vermenigvuldigde het vermogen van een rotor met dezelfde diameter met ongeveer 2 tot 5 (Ohya en Karasudani, 2010). Maar een kanaal neemt frontale ruimte in beslag: het onttrekken van veel meer dan ongeveer de helft van het vermogen dat het frontale gebied van het apparaat doorkruist, is niet aangetoond (Dighe et al., 2018). Ons model sluit het daar af.
Met de centrale veronderstellingen maakt de hele muur 7 kW bij 6 m/s, 34 kW bij 10 m/s en 114 kW bij 15 m/s. De grootte van de ventilator verandert nauwelijks het vermogen, aangezien alle maten ongeveer 55% van de muur met draaiende bladen bedekken; het verandert het aantal onderdelen en de kosten. Kanalen winnen alleen als ze het vermogen van elke rotor meer dan verdubbelen, omdat ze ruimte laten voor minder ventilatoren.
Hoeveel energie in een jaar
De wind op een locatie is nooit constant. We modelleren drie locaties met een standaard (Rayleigh) windverdeling: een stadsdak met een gemiddelde van 4 m/s, een autowegbarrière met 4.5 m/s en een blootgestelde kust met 6.5 m/s. Echte stedelijke wind is zwak: de UK Carbon Trust vond weinig bouwplaatsen die zelfs 5 m/s bereikten (Carbon Trust, 2008), en 26 op gebouwen gemonteerde microturbines in de Warwick Wind Trials hadden een gemiddelde capaciteitsfactor van 0.85% (Encraft, 2009).
Voor schaalvergroting produceert één gewone 3 MW onshore turbine die draait op een capaciteitsfactor van 35% 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh per jaar: maar liefst ongeveer 65 kustventilatorwanden.
Wat het zou kosten
We schatten elk onderdeel per vierkante meter: waterdichte ventilatoren van $3 to $8 stuks in volume, frames en gaas, elektronica en montage op een bestaand gebouw. De hele muur komt tot $0.76 million to $2,43 miljoen (centrale $ 1,38 miljoen) zonder kanalen. Verdeeld over 20 jaar tegen een disconto van 7%, met onderhoud, dat geeft de kosten per kilowattuur.
De eerlijke lezing: gebouwd van de huidige computer fans, de Fan Wall kost ongeveer $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 in een stad in het centrale geval. Residentiële zonne-energie op het dak kost $0.12 to $0,28, wind op nutsschaal $0.03 to $0,07 (Lazard LCOE+, juni 2024; IRENA, 2024). Als krachtcentrale concurreert het concept vandaag niet.
Wat waar zou moeten zijn
Er bestaat onderzoek om dit soort cijfers te veranderen. Op een kustlocatie met kanaalmodules en een 65% elektrische keten hangen de kosten per kWh af van twee dingen waaraan we kunnen werken: hoe goed elke kanaalrotor wind omzet (zijn effectieve rendement) en wat een vierkante meter muur kost om te installeren.
| Effectieve efficiëntie van de geleidingsrotor | € 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 |
Het onderzoeksprogramma
| Fase | Wat wij doen | Wat we meten | Geschatte kosten |
|---|---|---|---|
| 0. Bureau studie | Computersimulatie van kanaalvormen, bladontwerpen en elektrische lay-out | Voorspelde efficiëntie en verliezen | $15k to $30k |
| 1. Bench tests | 20 standaard en 20 aangepaste rotoren in een windtunnel van 3 tot 15 m/s | Efficiëntiecurves, opstartsnelheid, geluid | $30k to $60k |
| 2. Één module | Een 16-ventilatormodule met kanalen en vermogenselektronica | Module-efficiëntie, één jaar in de open lucht | $25k to $50k |
| 3. 10 m² pilot | Een geïnstrumenteerd dakpaneel met een wildlife camera | Energie, array verliezen, beschikbaarheid, vogels en vleermuizen | $60k to $120k |
| 4. Volledig muurontwerp | Structuur, certificering, eindkostenmodel | Geïnstalleerde kosten per m², kosten per kWh | $50k to $100k |
Fasen 0 tot en met 3 hebben ongeveer $130,000 to $260.000 nodig. Een volle muur heeft alleen zin als de piloot de hypothese bevestigt. Al het onderzoek wordt betaald uit de Schatkist van de Stichting, die alles financiert wat het project nodig heeft, van laboratoria en leveranciers tot servers en mensen; donaties kunnen niet worden gereserveerd voor één programma. Het volledige technische rapport, het model en de gegevens ervan zijn open: modelgegevens en modelcode.
Hoe u kunt helpen
- Breng uw expertise mee. We hebben mensen nodig die kennis hebben van aerodynamica voor kleine rotoren, windtunnels, vermogenselektronica, bouwkunde of vogelbewaking. Een taak aanbieden.
- Bied een dak aan. Een winderig plat dak met veilige toegang zou de piloot van 10 m² kunnen huisvesten. Vertel ons waar het is en hoe blootgesteld het voelt.
- Deel windgegevens. Als u een weerstation op een dak, aan de kust of op een brug heeft staan, helpt een jaar aan windmetingen ons bij het kiezen van de pilotsite.
- Test thuis. Een goedkope waterdichte ventilator, een bruggelijkrichter en een multimeter op een winderig balkon maken een mooi wetenschappelijk project. Meet spanning en stroom bij verschillende windrichtingen en stuur ons de cijfers.
- Steun de Stichting. Donaties gaan naar de Schatkist En al ons onderzoek, inclusief dit, in beweging te houden.
Bronnen
- Hoeey, D.A., Bansal, A. en Holmes, A.S. (2011). Ontwerp en prestaties van een centimeter-schaal windturbine voor energieoogst. Tijdschrift voor de Scheikunde 20, 085021.
- Van der Veen, T. and Van den Bergh, J. (2010). Een windturbine met een hoge output dankzij de windlenstechnologie. Energies 3(4), 634-649.
- Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. en van Bussel, G.J.W. (2018). Optimalisatie van windturbines met kanalen en gevoeligheid voor rotorpositie. Tijdschrift voor Windenergie 3, 221-229.
- De steenkoolmijn (2008). Kleinschalige windenergie: beleidsvooruitzichten en praktische begeleiding.
- De spiegel (2009). Eindrapport van de Warwick Wind Trials.
- Pacific Northwest National Laboratory (2024) (en) Officiële website Distributed Wind Market Report, 2024 edition: kleine wind gemiddeld $ 7.370 per geïnstalleerde kW en een capaciteitsfactor van 13% in 2023.
- Lazard (juni 2024). Geniveauiseerde kosten van energie+.
- IRENA (2024). Kosten van hernieuwbare energieopwekking in 2023.
- Odysseus-muren. Elektriciteitsverbruik per woning, EU.
- Amerikaanse energie-informatie administratie (2022). Gemiddeld elektriciteitsverbruik in woningen.
- Loss, S.R., Will, T. en Marra, P.P. (2013). Schattingen van de vogelsterfte bij windmolenparken in het aangrenzende gebied van de Verenigde Staten. Tijdschrift voor Natuurbescherming 168, 201-209.