The Fan Wall
Jeden olbrzymi wirnik czy sto tysięcy maleńkich? Testujemy, czy ściana małych wentylatorów, każdy wielkości tego chłodzącego Twój komputer, może zamienić miejski wiatr w elektryczność. Oto matematyka, w tym te części, które jeszcze nie działają.
Każda turbina wiatrowa, jaką kiedykolwiek widzieliście, działa według tej samej logiki: zbudujcie wirnik tak duży jak to możliwe, umieśćcie go tak wysoko jak to możliwe i pozwólcie ogromnym łopatkom przemieścić się w niebo. Działa świetnie. Potrzebuje również dźwigów, dróg, otwartych terenów, wieloletnich pozwoleń i zabija ptaki. Chcemy przetestować odwrotny pomysł.
Idea
Weźmy mały wentylator osiowy, który chłodzi komputer. Uruchom go do tyłu: pozwól wiatrowi obracać wirnikiem, a bezszczotkowy silnik wewnątrz staje się maleńkim generatorem. Umieść szesnaście z nich w module wielkości pudełka od pizzy, daj każdemu z nich kształt lejka, który przyspiesza powietrze i pokryj ścianę tysiącami modułów.
Jeśli jeden wentylator się zepsuje, ściana traci jedną setną tysięczną swojej mocy, a każdy ze śrubokrętem może go wymienić. Moduły wysyłane są w zwykłych paczkach. Mogą siedzieć na krawędzi dachu, wspiąć się na narożnik budynku lub zastąpić panele bariery dźwiękowej autostrady.
Gdzie mogłoby świecić
Birds and bats. Large turbines are a real problem for wildlife: an estimated 140,000 to 328,000 birds die each year at monopole turbines in the contiguous United States alone (Loss, Will and Marra, 2013). Wirnik o średnicy 150 m obracający się z prędkością 10 obr./min porusza końcówkami swoich ostrzy w π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. 120 mm wentylator za siatką o grubości 10 mm obraca się w tempie chodzenia. Nikt jeszcze nie zmierzył interakcji ptaków z siatkowymi ścianami mikrowentylatorów, więc pomiar jest częścią naszego programu.
Siting. Wiatr przyspiesza tam, gdzie jest ściśnięty: nad krawędzią dachu, wokół rogu budynku, wzdłuż ulicznego kanionu. Olbrzymi wirnik nie może podążać za tymi strefami. Modułowa tablica może pokryć dokładnie je.
Logistyka i konserwacja. Bez żurawia, bez specjalisty, bez transportu specjalnego. Całość ściany o powierzchni 1800 m² mieści się w około 1700 kartonach, czterech lub pięciu kontenerach transportowych.
Wiatr i słońce razem. Wiatr często wieje w nocy iw zimie, gdy panele słoneczne są słabe. W tym samym budynku, oba mogą się wzajemnie uzupełniać.
Fizyka, z matematyką
Moc przenoszona przez wiatr na obszarze A wynosi P = ½ ρ A v³, gdzie ρ = 1.225 kg/m³ jest gęstością powietrza, a v prędkością wiatru. Kostka jest wszystkim: przy 6 m/s jeden metr kwadratowy przenosi ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; przy 12 m/s przenosi 1058 W, czyli osiem razy więcej.
Żaden wirnik nie może wychwycić całego tego powietrza, ponieważ musi ono wciąż poruszać się z drogi. The Granica Betza Mówi, że otwarty wirnik może wydobyć co najwyżej 16/27 ≈ 59% Mocy, która przez niego przepływa.
Mały wirnik nie jest małym dużym wirnikiem. Zmienia się fizyka.
Oto pierwszy szczery problem. Łopatka wentylatora o średnicy 120 mm ma strunę około 2 cm. Przy prędkości 6 m/s liczba Reynoldsa wynosi Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, co oznacza stan, w którym łopatki tracą większość swojego wznoszenia. 2 cm wirnik zaprojektowany jako turbina w Imperial College osiągnął współczynnik mocy około 9% (Howey, Bansal i Holmes, 2011). Wentylatory komputerowe są tak ukształtowane, aby popychać powietrze, a nie być przez nie popychane. Zakładamy zatem sprawność wirnika 5% (pesymistyczna), 10% (centralna) lub 20% (optymistyczna), a łańcucha elektrycznego od wentylatora do sieci 40, 55 lub 70%.
Kanały mogą pomóc. Dyfuzor o szerokim brzegu, “soczewka wiatrowa” opracowana na Uniwersytecie Kyushu, pomnożyła moc wirnika o tej samej średnicy przez około 2 do 5 (Ohya i Karasudani, 2010). Jednak kanał zajmuje przestrzeń przednią: nie wykazano, aby znacznie więcej niż około połowa mocy przechodziła przez obszar czołowy urządzenia (Dighe et al., 2018). Nasz model to wszystko.
Przy założeniach centralnych cała ściana daje 7 kW przy 6 m/s, 34 kW przy 10 m/s i 114 kW przy 15 m/s. Rozmiar wentylatora niewiele zmienia mocy, ponieważ wszystkie rozmiary pokrywają około 55% ściany wirującymi łopatkami; zmienia to liczbę części i koszt. Kanały wygrywają tylko wtedy, gdy więcej niż podwajają moc każdego wirnika, ponieważ pozostawiają miejsce na mniej wentylatorów.
Ile energii w ciągu roku
Wiatr w miejscu nigdy nie jest stały. Modelujemy trzy lokalizacje ze standardowym rozkładem wiatru (Rayleigh): dach miasta o średniej prędkości 4 m/s, bariera autostradowa o prędkości 4,5 m/s i odkryte wybrzeże o prędkości 6,5 m/s. Prawdziwy miejski wiatr jest słaby: brytyjska Carbon Trust stwierdziła, że na niektórych budowach osiąga nawet 5 m/s (Carbon Trust, 2008), a 26 mikroturbin zamontowanych w budynkach w Warwick Wind Trials miało średni współczynnik wydajności wynoszący 0,85% (Encraft, 2009).
Dla przykładu, jedna zwykła lądowa turbina o mocy 3 MW pracująca z współczynnikiem wydajności równym 35% wytwarza 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh rocznie: tyle samo co około 65 przybrzeżnych wentylatorów.
Ile to będzie kosztować
Szacowaliśmy każdą część na metr kwadratowy: wodoodporne wentylatory o objętości $3 to $8, ramy i siatki, elektronikę oraz montaż na istniejącym budynku. Cały mur kosztuje $0.76 million to $2,43 miliona (centralne 1,38 miliona dolarów) bez kanałów. Rozłożone na 20 lat przy stopie dyskontowej 7%, z utrzymaniem, co daje koszt każdej kilowatogodziny.
Szczerze mówiąc: zbudowany z dzisiejszych wentylatorów komputerowych, Fan Wall kosztuje około $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 w mieście w centralnej obudowie. Koszty energii słonecznej na dachu budynku mieszkalnego $0.12 to $0,28, wiatru w skali użyteczności publicznej $0.03 to $0,07 (Lazard LCOE+, czerwiec 2024; IRENA, 2024). Jako elektrownia, koncepcja nie konkuruje dziś.
Co musiałoby być prawdą
Badania istnieją, aby zmienić liczby takie jak te. W przypadku instalacji nadbrzeżnej z modułami kanałowymi i łańcuchem elektrycznym o 65% wydajności koszt w przeliczeniu na kWh zależy od dwóch rzeczy, nad którymi możemy pracować: jak dobrze każdy wirnik kanałowy przekształca energię wiatru (jego efektywna sprawność) oraz ile kosztuje metr kwadratowy zainstalowanej ściany.
| Skuteczna wydajność wirnika kanałowego | $200 za m² | $400 za m² | $800 za 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 |
Program badawczy
| Faza | Co robimy | Co mierzymy | Szacowany koszt |
|---|---|---|---|
| 0. biurko do nauki | Symulacja komputerowa kształtów kanałów, projektów łopatek i układu elektrycznego | Prognozowana wydajność i straty | $15k to $30k |
| 1. Badania laboratoryjne | 20 wirników standardowych i 20 wirników niestandardowych w tunelu aerodynamicznym od 3 do 15 m/s | Krzywe sprawności, prędkość rozruchu, hałas | $30k to $60k |
| 2. Jeden moduł | Moduł 16-wentylatorów z kanałami i elektroniką zasilania | Wydajność modułu, jeden rok na zewnątrz | $25k to $50k |
| 3. pilot o powierzchni 10 m² | Oprzyrządowany panel dachowy z kamerą do obserwacji dzikiej przyrody | Energia, straty macierzy, dostępność, ptaki i nietoperze | $60k to $120k |
| 4. Pełna konstrukcja ściany | Struktura, certyfikacja, model kosztów końcowych | Koszt zainstalowania na m², koszt na kWh | $50k to $100k |
Fazy od 0 do 3 potrzebują około $130,000 to $260,000. Pełna ściana ma sens tylko wtedy, gdy pilot potwierdzi hipotezę. Wszystkie badania są finansowane ze Skarbu Fundacji, który finansuje wszystko, czego potrzeba do realizacji projektu, od laboratoriów i dostawców po serwery i ludzi; darowizny nie mogą być zastrzeżone dla jednego programu. Pełny raport techniczny, model i jego dane są otwarte: dane modelu oraz kod modelu.
Jak możesz pomóc
- Wprowadź swoją wiedzę. Potrzebujemy ludzi, którzy znają aerodynamikę małych wirników, tunele aerodynamiczne, elektronikę mocy, inżynierię konstrukcyjną lub monitoring ptaków. Zaoferuj zadanie.
- Zaoferuj dach. Wietrzny płaski dach z bezpiecznym dostępem mógłby pomieścić pilota o powierzchni 10 m². Powiedz nam, gdzie jest i jak odsłonięty się czuje.
- Udostępnianie danych o wietrze. Jeśli prowadzisz stację pogodową na dachu, brzegu lub moście, rok pomiarów wiatru pomaga nam wybrać miejsce pilotażowe.
- Przetestuj w domu. Tani wodoodporny wentylator, prostownik mostkowy i multimetr na wietrznym balkonie to świetny projekt naukowy. Zmierz napięcie i prąd przy różnych wiatrach i wyślij nam liczby.
- Wspieraj Fundację. Darowizny trafiają do Skarbu i utrzymują wszystkie nasze badania, w tym to.
Źródła
- Howey, D.A., Bansal, A. i Holmes, A.S. (2011). Projekt i działanie turbiny wiatrowej w skali centymetrowej do pozyskiwania energii. Inteligentne Materiały i Struktury 20, 085021.
- Ohya, Y. i Karasudani, T. (2010). Osłonięta turbina wiatrowa generująca dużą moc wyjściową z technologią wind-lens. Energies 3(4), 634-649.
- Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. i van Bussel, G.J.W. (2018). Optymalizacja turbin wiatrowych kanałowo-kanałowych i czułość na położenie wirnika. Nauka o Energii Wiatrowej 3, 221-229.
- Carbon Trust (2008). Energia wiatrowa na małą skalę: spostrzeżenia dotyczące polityki i praktyczne wskazówki.
- Encyklopedia PWN (2009). Warwick Wind Trials final report.
- Pacific Northwest National Laboratory (2024). Raport o rynku rozproszonej energii wiatrowej, edycja 2024: mała energia wiatrowa wynosiła średnio 7370 USD za zainstalowany kW i 13% współczynnika mocy w 2023 r.
- Lazard (czerwiec 2024). Poziomowe koszty energii+.
- IRENA (2024). Koszty wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych w 2023 roku.
- Odyseja murów. Zużycie energii elektrycznej na mieszkanie, UE.
- Amerykańska Agencja Informacji Energetycznej (2022). Średnie zużycie energii elektrycznej w gospodarstwach domowych.
- Loss, S.R., Will, T. i Marra, P.P. (2013). Szacunki śmiertelności ptaków z kolizji w instalacjach wiatrowych w sąsiednich Stanach Zjednoczonych. Biological Conservation 168, 201-209.