Стена вентиляторов
Один гигантский ротор или сто тысяч крошечных? Мы тестируем, может ли стена из маленьких вентиляторов, каждый размером с тот, который охлаждает ваш компьютер, превратить городской ветер в электричество. Вот математика, включая части, которые еще не работают.
Каждая ветряная турбина, которую вы когда-либо видели, следует одной и той же логике: построить один ротор как можно больше, поставить его как можно выше и позволить огромным лопастям развеять небо. Это работает блестяще. Для этого также нужны краны, дороги, открытая земля, многолетние разрешения, и это убивает птиц. Мы хотим проверить противоположную идею.
Идея
Возьмем маленький осевой вентилятор, который охлаждает компьютер. Запустите его назад: пусть ветер вращает ротор, и бесщеточный двигатель внутри становится крошечным генератором. Поместите шестнадцать из них в модуль размером с коробку для пиццы, дайте каждому воронку, ускоряющую движение воздуха, и покройте стену тысячами модулей.
Если сломается один вентилятор, стена теряет одну стотысячную часть своей мощности, и любой с отверткой может его заменить. Модули отправляются в обычных пакетах. Они могут сидеть на краю крыши, взбираться в угол здания или заменять панели звуковой барьера автомагистрали.
Где она могла бы засиять
Птицы и летучие мыши. Большие турбины являются реальной проблемой для дикой природы: по оценкам 140,000 до 328,000 птиц умирают каждый год на монополярных турбин в одном только Соединенных Штатах (Loss, Will and Marra, 2013). Ротор длиной 150 м, вращающийся со скоростью 10 об/мин, перемещает кончики своих лопастей в направлении π × 150 m × 10 / 60 s ≈ 79 m/s. 120-мм вентилятор, расположенный за сеткой толщиной 10 мм, поворачивает свои наконечники с шаговой скоростью. Никто еще не измерял взаимодействие птиц с сетчатыми стенами микровентиляторов, поэтому его измерение является частью нашей программы.
Ситинг. Ветер ускоряется там, где его сжимают: над краем крыши, вокруг угла здания, вдоль каньона улицы. Гигантский ротор не может следовать за этими зонами. Модульный массив может покрыть именно их.
Логистика и техническое обслуживание. Нет крана, нет специалиста, нет специального транспорта. На стену площадью 1800 м² приходится около 1700 картонных коробок, четыре или пять транспортных контейнеров.
Ветер и солнце вместе. Ветер часто дует ночью и зимой, когда солнечные батареи слабы. В одном и том же здании они могут дополнять друг друга.
Физика, с математикой
Мощность, переносимая ветром через область A равна P = ½ ρ A v³, где ρ = 1.225 kg/m³ - плотность воздуха и v - скорость ветра. Куб - это все: при 6 м/с один квадратный метр несет ½ × 1.225 × 6³ ≈ 132 W; при 12 м/с он несет 1058 Вт, в восемь раз больше.
Ни один ротор не может поймать все это, потому что воздух должен продолжать двигаться в сторону. The Betz limit says an open rotor can extract at most 16/27 ≈ 59% of the power flowing through it.
Крошечный ротор - это не маленький большой ротор. Физика меняется.
Вот первая честная проблема. Лопасть вентилятора диаметром 120 мм имеет толщину струны около 2 см. При 6 м/с его число Рейнольдса Re = v × c / ν ≈ 6 × 0.02 / 0.000015 ≈ 8,000, режим, в котором лопасти теряют большую часть своего подъёма. 2-сантиметровый ротор, спроектированный как турбина в Имперском колледже, достиг коэффициента мощности около 9% (Хоуи, Бансал и Холмс, 2011 год). Компьютерные вентиляторы сформированы так, чтобы подталкивать воздух, а не быть толкаемыми им. Поэтому мы предполагаем эффективность ротора 5% (пессимистическая), 10% (центральная) или 20% (оптимистическая), а электрической цепи от вентилятора к сети 40, 55 или 70%.
Вентиляционные каналы могут помочь. Диффузор с широким краем, «линза ветра», разработанная в университете Кюсю, умножила мощность ротора того же диаметра примерно на 2 до 5 (Охия и Карасудани, 2010 год). Но канал занимает фронтальное пространство: извлечение гораздо больше, чем около половины мощности через фронтальную область устройства не было продемонстрировано (Dighe et al., 2018). Наша модель заканчивается на этом.
При центральных предположениях вся стена производит 7 кВт при 6 м/с, 34 кВт при 10 м/с и 114 кВт при 15 м/с. Размер вентилятора едва ли изменяет мощность, так как все размеры покрывают около 55% стены с вращающихся лопастей; это меняет количество частей и стоимость. Каналы выигрывают только в том случае, если они более чем вдвое увеличивают производительность каждого ротора, поскольку оставляют место для меньшего количества вентиляторов.
Сколько энергии в год
Ветер на участке никогда не является постоянным. Мы моделируем три места со стандартным распределением ветра (Рейли): городская крыша со средней скоростью 4 м/с, автомагистральный барьер со средней скоростью 4,5 м/с и незащищенное побережье со средней скоростью 6,5 м/с. Реальный городской ветер слабый: UK Carbon Trust обнаружил, что на нескольких строительных площадках скорость ветра достигает даже 5 м/с (Carbon Trust, 2008), а 26 установленных на зданиях микротурбин в Warwick Wind Trials имели средний коэффициент производительности 0,85% (Encraft, 2009).
Для сравнения, одна обычная береговая турбина мощностью 3 МВт, работающая при коэффициенте производительности 35%, производит 3 MW × 8,760 h × 0.35 ≈ 9.2 GWh в год: это примерно столько же, сколько 65 береговых вентиляционных стенок.
Стоимость проекта
Мы рассчитали стоимость каждой детали на квадратный метр: водонепроницаемые вентиляторы объемом $3 to $8, рамки и сетки, электроника и монтаж на существующем здании. Вся стена приходит к $0.76 million to $2,43 млн. (центральный 1,38 млн. долл. США) без каналов. Распределение на 20 лет по ставке дисконтирования в размере 7%, с обслуживанием, что дает стоимость каждого киловатт-часа.
Честное чтение: построенный из сегодняшних компьютерных вентиляторов, Fan Wall стоит около $1.20 per kWh on a windy coast and about $5 в городе в центральном случае. Расходы на установку солнечных батарей на крышах жилых домов $0.12 to $0,28, расходы на ветроэнергетику в масштабе коммунального хозяйства $0.03 to $0,07 (Lazard LCOE+, июнь 2024; IRENA, 2024). Как электростанция, концепция не конкурирует сегодня.
Что должно быть правдой
Существуют исследования, чтобы изменить такие цифры. На прибрежной площадке с канализованными модулями и 65% электрической цепи стоимость за кВт·ч зависит от двух факторов: насколько хорошо каждый канализованный ротор преобразует энергию ветра (его эффективная эффективность) и какую стоимость имеет один квадратный метр установленной стены.
| Эффективный КПД ротора с каналами | 200 долл. США за кв. м | 400 долл. США за кв. м | 800 долл. США за м² |
|---|---|---|---|
| 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 |
Программа исследований
| Фаза | Что мы делаем | Что мы измеряем | Сметные расходы |
|---|---|---|---|
| 0. Аналитическое исследование | Компьютерное моделирование форм воздуховодов, конструкций лопастей и электрической схемы | Прогнозируемая эффективность и потери | $15k to $30к |
| 1. Стендовые испытания | 20 стандартных и 20 специальных роторов в аэродинамической трубе со скоростью от 3 до 15 м/с | Кривые эффективности, скорость запуска, уровень шума | $30k to $60к |
| 2. Один модуль | Модуль с 16 вентиляторами, воздуховодами и силовой электроникой | Эффективность модуля, один год на открытом воздухе | $25k to $50к |
| 3. 10 м² пилот | Панель на крыше с приборами и камерой для съемки дикой природы | Энергия, потери массива, доступность, птицы и летучие мыши | $60k to $120к |
| 4. Полная конструкция стены | Структура, сертификация, модель окончательных затрат | Установленная стоимость на м², стоимость на кВт·ч | $50k to $100к |
Фазы 0-3 требуют примерно $130,000 to $260,000. Полная стена имеет смысл только в том случае, если пилот подтверждает гипотезу. Все исследования оплачиваются из Казначейства Фонда, которое финансирует все, что необходимо для проекта, от лабораторий и поставщиков до серверов и людей; пожертвования не могут быть зарезервированы для одной программы. Полный технический отчет, модель и её данные открыты: данные модели и код модели.
Как вы можете помочь
- Принесите свой опыт. Нам нужны люди, которые знают аэродинамику малых роторов, аэродинамические туннели, силовую электронику, конструкторское проектирование или мониторинг птиц. Предложить задачу.
- Предложить крышу. Ветреная плоская крыша с безопасным доступом могла бы разместить пилота 10 м². Расскажите нам, где он находится и насколько открытым он кажется.
- Поделитесь данными о ветре. Если вы запускаете метеостанцию на крыше, берегу или мосту, год измерений ветра помогает нам выбрать пилотное место.
- Проверьте дома. Дешевый водонепроницаемый вентилятор, мостовой выпрямитель и мультиметр на ветреном балконе делают хороший научный проект. Измерите напряжение и ток при различных ветрах и отправьте нам цифры.
- Поддержите Фонд. Пожертвования идут в Казначейство и поддерживают все наши исследования, включая это исследование.
Источники
- Хоуи, Д.А., Бансал, А. и Холмс, А.С. (2011). Проектирование и эксплуатация сантиметровой ветрогенераторной установки с покрытием для сбора энергии. Интеллектуальные материалы и конструкции 20, 085021.
- Охия, И. и Карасудани, Т. (2010). Защищенная ветрогенераторная установка, генерирующая высокую выходную мощность с помощью технологии ветровых линз. Энергетика 3(4), 634-649.
- Dighe, V.V., de Oliveira, G., Avallone, F. и van Bussel, G.J.W. (2018). Оптимизация и чувствительность к положению ротора в канализованных ветрогенераторах. Наука ветровой энергетики 3, 221-229.
- Карбоновый траст (2008). Маломасштабная ветроэнергетика: политические соображения и практические рекомендации.
- Энциклопедия (2009). Заключительный отчет о испытаниях ветра в Уорике.
- Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория (2024). Рынок распределенной ветровой энергии, издание 2024 года: средняя стоимость установленной малой ветроэнергетики составила $7370 за кВт и коэффициент производительности в 2023 году составил 13%.
- Лазард (июнь 2024). Уровненная стоимость энергии+.
- ИРЭА (2024 год). Затраты на производство электроэнергии из возобновляемых источников в 2023 году.
- Одесская стена. Потребление электроэнергии на одно жилище, ЕС.
- US Energy Information Administration (2022). Среднее потребление электроэнергии в жилых домах.
- Лосс С.Р., Уилл Т. и Марра П.П. (2013). Оценки смертности от столкновений с птицами на ветроэнергетических установках в Соединенных Штатах Америки. Биологическое сохранение 168, 201-209.