Peretele ventilatorului

Fiecare turbină eoliană pe care ați văzut-o vreodată urmează aceeași logică: construiește un rotor cât mai mare posibil, pune-l cât mai sus posibil și lasă lamele enorme să măture cerul. Funcționează strălucit. De asemenea, are nevoie de macarale, drumuri, teren deschis, ani de permise și ucide păsări. Vrem să testăm ideea opusă.

Ideea de bază

Să luăm micul ventilator axial care răceşte un computer. Rulați-l înapoi: lăsați vântul să rotească rotorul, iar motorul fără perii din interior devine un generator mic. Pune şaisprezece dintre ele într-un modul de mărimea unei cutii de pizza, dă fiecăruia o pâlnie în formă care accelerează aerul şi acoperă un perete cu mii de module.

Dacă un ventilator se rupe, peretele pierde o sută de mii din puterea sa și oricine cu o șurubelniță îl poate înlocui. Modulele sunt expediate în colete obișnuite. Ei pot sta pe marginea unui acoperiș, se pot urca într-un colț al clădirii sau pot înlocui panourile unei bariere de zgomot a autostrăzii.

Unde ar putea străluci

Păsări şi lilieci. Turbinele mari sunt o problemă reală pentru fauna sălbatică: se estimează că între 140.000 și 328.000 de păsări mor în fiecare an la turbinele monopol numai în Statele Unite (Pierdere, voință și Marra, 2013). Un rotor de 150 m care se rotește la 10 rpm își mișcă vârful palei la π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. Un ventilator de 120 mm din spatele unei plase de 10 mm își rotește vârfuri în ritmul mersului. Nimeni nu a măsurat încă interacțiunea păsărilor cu pereții micro-ventilatorilor, astfel încât măsurarea acesteia face parte din programul nostru.

Siting. Vântul se accelerează acolo unde este strâns: peste marginea unui acoperiș, în jurul colțului unei clădiri, de-a lungul unui canion stradal. Un rotor gigant nu poate urma aceste zone. O matrice modulară le poate acoperi exact.

Logistică și întreținere. Fără macara, fără specialist, fără transport special. Un întreg perete de 1.800 m² încape în aproximativ 1.700 de cutii, patru sau cinci containere de transport.

Vânt și soare împreună. Vântul suflă adesea noaptea și iarna, când panourile solare sunt slabe. Pe aceeași clădire, cele două se pot completa reciproc.

Fizica, cu matematica

Puterea transportata de vantul printr-o suprafata A este P = ½ ρ A v³, unde ρ = 1.225 kg/m³ este densitatea aerului si v viteza vantului. Cubul este totul: la 6 m/s un metru pătrat transportă ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; la 12 m/s el transportă 1.058 W, de opt ori mai mult.

Niciun rotor nu poate prinde toată cantitatea de aer, deoarece acesta trebuie să se deplaseze în permanență. - Nu. Limita lui Betz Un rotor deschis poate extrage cel mult 16/27 ≈ 59% Puterea care curge prin ea.

Un rotor mic nu este un rotor mare. Fizica se schimbă.

Iată prima problemă sinceră. O lamă de ventilator de 120 mm are o coardă de aproximativ 2 cm. La 6 m/s, numărul său Reynolds este Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, un regim în care lamele își pierd cea mai mare parte din puterea de ridicare. Un rotor de 2 cm proiectat ca o turbină la Imperial College a atins un coeficient de putere de aproximativ 9% (Howey, Bansal and Holmes, 2011). Ventilatoarele de calculator sunt concepute pentru a împinge aerul, nu pentru a fi împinse de acesta. Prin urmare, presupunem o eficiență a rotorului de 5% (pesimistă), 10% (centrală) sau 20% (optimistă) și un lanț electric de la ventilator la rețea de 40, 55 sau 70%.

Conductele pot ajuta. Un difuzor cu margine largă, “lentila vântului” dezvoltată la Universitatea Kyushu, a multiplicat puterea unui rotor de același diametru cu aproximativ 2 până la 5 (Ohya și Karasudani, 2010). Dar un canal ocupă spațiu frontal: nu s-a demonstrat extragerea mult mai mult de aproximativ jumătate din puterea care traversează zona frontală a dispozitivului (Dighe et al., 2018). Modelul nostru se termină aici.

Cu ipotezele centrale întregul perete face 7 kW la 6 m/s, 34 kW la 10 m/s și 114 kW la 15 m/s. Dimensiunea ventilatorului nu prea schimbă puterea, deoarece toate dimensiunile acoperă aproximativ 55% din perete cu palete rotative; aceasta modifică numărul de piese și costul. Conductele câştigă doar dacă mai mult decât dublează puterea fiecărui rotor, deoarece lasă loc pentru mai puţine ventilatoare.

Cât de multă energie într-un an

Vântul la un loc nu este niciodată constant. Modelăm trei locaţii cu o distribuţie standard (Rayleigh) a vântului: Pe acoperișul orașului Vânt cu viteza medie de 4 m/s, a Barieră de autostradă La 4,5 m/s şi o Coasta expusă la 6,5 m/s. Vântul urban real este slab: UK Carbon Trust a găsit puține șantiere de construcții care ating chiar 5 m/s (Carbon Trust, 2008), iar 26 de microturbine montate pe clădiri în cadrul testelor eoliene din Warwick au avut un factor mediu de capacitate de 0,85% (Encraft, 2009).

Pentru scară, o turbină obișnuită de 3 MW pe uscat care funcționează la un factor de capacitate de 35% produce 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh pe an: cât aproximativ 65 de pereți de ventilatoare de coastă.

Ce ar costa

Am estimat fiecare piesă pe metru pătrat: ventilatoare impermeabile la $3 to $8 fiecare în volum, cadre și plase, electronice și montare pe o clădire existentă. Întregul zid vine la $0.76 million to $2,43 milioane (central $ 1.38 milioane) fără conducte. Împărțit pe 20 de ani la o rată de actualizare de 7%, cu întreținere, care dă costul fiecărui kilowatt-oră.

Citirea sinceră: construit din ventilatoarele de calculator de astăzi, Fan Wall costă aproximativ $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 într-un oraș în cazul central. Costurile solare rezidențiale pe acoperișuri sunt $0.12 to $0,28, costurile eoliene la scară utilă $0.03 to $0,07 (Lazard LCOE+, iunie 2024; IRENA, 2024). Ca o centrală electrică, conceptul nu concurează astăzi.

Ce ar trebui să fie adevărat

Există cercetare pentru a schimba numerele ca acestea. Pe un amplasament de coastă cu module în canale și un lanț electric de 65%, costul pe kWh depinde de două lucruri la care putem lucra: cât de bine fiecare rotor în canale convertește vântul (eficienta sa efectivă) și ce costă instalarea unui metru pătrat de perete.

Eficiență eficientă a rotorului cu conducte	200 $ pe m²	400 $ pe m²	800 $ pe 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

Programul de cercetare

Fază	Ce facem noi	Ce măsurăm	Costul estimat
0. Birou de studiu	Simularea pe calculator a formelor conductelor, design-ului paletelor şi planurilor electrice	Eficiența și pierderile anticipate	$15k to $30k
1. Teste pe banc	20 de rotoare standard și 20 de rotoare personalizate într-un tunel de vânt de la 3 la 15 m/s	Curbe de eficiență, viteză de pornire, zgomot	$30k to $60k
2. Un modul	Un modul cu 16 ventilatoare, cu conducte şi electronică de putere	Eficiența modulului, un an în aer liber	$25k to $50k
3. pilot de 10 m²	Un panou de acoperiș instrumentat cu o cameră pentru animale sălbatice	Energie, pierderi de matrice, disponibilitate, păsări și lilieci	$60k to $120k
4. Design complet de perete	Structura, certificare, modelul costurilor finale	Cost instalat pe m², cost per kWh	$50k to $100k

Fazele 0-3 au nevoie de aproximativ $130,000 to $260,000. Un perete complet are sens doar dacă pilotul confirmă ipoteza. Toate cercetările sunt plătite din Trezoreria Fundației, care finanțează tot ce are nevoie proiectul, de la laboratoare și furnizori până la servere și oameni; donațiile nu pot fi rezervate pentru un singur program. Raportul tehnic complet, modelul și datele sale sunt deschise: date despre model și cod model.

Cum poți ajuta

• Aduceți-vă expertiza. Avem nevoie de oameni care cunosc aerodinamica rotoarelor mici, tunelurile de vânt, electronica de putere, ingineria structurală sau monitorizarea păsărilor. Oferă o sarcină.
• Oferiți un acoperiș. Un acoperiș plat cu vânt, cu acces sigur, ar putea găzdui pilotul de 10 m². Spune-ne unde este și cât de expus se simte.
• Distribuiți date despre vânt. Dacă rulați o stație meteo pe un acoperiș, pe o coastă sau pe un pod, un an de măsurători ale vântului ne ajută să alegem site-ul pilot.
• Testați acasă. Un ventilator ieftin impermeabil, un redresor de pod și un multimetru pe un balcon vântos fac un proiect științific fin. Măsurați tensiunea și curentul la diferite vânturi și trimiteți-ne numerele.
• Sprijiniți Fundația. Donațiile merg la: Trezorerie şi să menţinem toate cercetările noastre, inclusiv aceasta, în mişcare.

Surse

1. Howey, D.A., Bansal, A. și Holmes, A.S. (2011). Proiectarea și performanța unei turbine eoliene învelite la scară centimetrică pentru recoltarea energiei. Materiale şi Structuri Inteligente 20, 085021.
2. Ohya, Y. și Karasudani, T. (2010). O turbină eoliană învelită care generează o putere mare de ieșire cu tehnologia lentilelor eoliene. Energies 3(4), 634-649.
3. Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. şi van Bussel, G.J.W. (2018). Optimizarea turbinelor eoliene cu conducte și sensibilitatea la poziția rotorului. Știința energiei eoliene 3, 221-229.
4. Carbon Trust (2008). Energia eoliană la scară mică: perspective politice și îndrumări practice.
5. În: Enciclopedia (2009). Raportul final al încercărilor cu vânt din Warwick.
6. Pacific Northwest National Laboratory (2024). Raportul pieței eoliene distribuite, ediția 2024: vântul mic a avut o medie de 7.370 USD pe kW instalat și un factor de capacitate de 13% în 2023.
7. Lazard (iunie 2024). Cost de energie+ egalizat.
8. IRENA (2024). Costurile de generare a energiei regenerabile în 2023.
9. Zidul Odiseei. Consumul de energie electrică pe locuinţă, UE.
10. Administrația Informațiilor Energetice a SUA (2022). Consumul mediu de energie electrică rezidențială.
11. Loss, S.R., Will, T. și Marra, P.P. (2013). Estimări ale mortalității de coliziune a păsărilor la instalațiile eoliene din Statele Unite. Biological Conservation 168, 201-209.